串聯(lián)型逆變器鎖相控制技術(shù)研究

齊海潤(rùn),彭詠龍,李亞斌

(華北電力大學(xué),河北 保定 071003)

0 引 言

在現(xiàn)代工業(yè)中,隨著各種電子開(kāi)關(guān)器件的不斷發(fā)展,感應(yīng)加熱電源得到了更廣泛的應(yīng)用。在工程實(shí)際應(yīng)用中,逆變側(cè)負(fù)載是由感應(yīng)器和被加熱金屬組成,可等效為電阻與電感相串聯(lián)[1],逆變器無(wú)論應(yīng)用于哪方面,加熱時(shí)被加熱金屬的內(nèi)部特性都會(huì)隨溫度不斷變化,等效負(fù)載也會(huì)隨之改變。為保證逆變器工作的高效可靠性,不管采用哪種類型的逆變電路,都要求逆變器槽路工作于諧振狀態(tài),即要求逆變器的輸出電流或電壓的頻率與負(fù)載的固有諧振頻率相同[2]。然而,負(fù)載的固有諧振頻率是伴隨著其在加熱過(guò)程中工作狀態(tài)的變化而改變的。為保證逆變器能工作在功率因數(shù)接近或等于l的準(zhǔn)諧振或諧振狀態(tài),使電子開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)ZCS或ZVS,提高逆變器工作效率,控制電路必須具有頻率跟蹤的功能。本文以串聯(lián)型逆變器為研究對(duì)象,對(duì)采用定角控制實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤進(jìn)行了建模仿真。

1 串聯(lián)型逆變器工作狀態(tài)分析

串聯(lián)型逆變器也稱電壓型逆變器,其結(jié)構(gòu)如圖1所示,經(jīng)過(guò)整流電路后,得到的直流電壓是脈動(dòng)的,再由電容低通濾波使其變得平滑后送入逆變器,通過(guò)控制開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷,得到槽路電壓為近似方波。因?yàn)槟孀冸娐返墓ぷ黝l率接近負(fù)載諧振頻率,此時(shí)基波在電路中阻抗最小,所以槽路電流接近正弦波。為避免逆變器上、下橋臂的直通,必須遵循先關(guān)斷后開(kāi)通的原則,導(dǎo)通脈沖要窄于關(guān)斷脈沖,即在上、下橋臂開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通脈沖之間,必須有一死區(qū)時(shí)間[3]。

圖1 串聯(lián)型逆變器主電路結(jié)構(gòu)

2 定角控制的實(shí)現(xiàn)

2.1 鎖相環(huán)原理

鎖相環(huán)(PLL)模塊是感應(yīng)加熱電源控制系統(tǒng)的核心,鎖相環(huán)(PLL)一般由鑒相器PD(又稱相位比較器PC)、低通濾波器LPF和壓控振蕩器VCO三部分組成。鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖

相位比較器的兩個(gè)輸入端中一端接外部輸入信號(hào)Ui,另一端接來(lái)自壓控振蕩器VCO的輸出信號(hào)U o,兩信號(hào)相比較產(chǎn)生一個(gè)誤差電壓U c,U c大小與U i和Uo兩個(gè)信號(hào)的相位差成正比,該誤差電壓通過(guò)低通濾波器得到平均電壓U d,VCO輸出頻率的高低就由Ud決定。Ud不斷變化,使VCO輸出頻率和輸入頻率之差越來(lái)越小,直到兩頻率達(dá)到一致,這時(shí)兩信號(hào)的相位保持同步,從而達(dá)到鎖相目的。

2.2 定角控制的逆變器實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤方法

正常工作狀態(tài)下,逆變器的工作頻率總是接近于負(fù)載諧振頻率。但由于負(fù)載的等效參數(shù)受其工作狀態(tài)的影響不斷變化,使逆變器工作時(shí)會(huì)偏離最佳工作點(diǎn),這樣不僅會(huì)增加功率開(kāi)關(guān)器件的關(guān)斷損耗,而且在一定的品質(zhì)因數(shù)下,偏離諧振點(diǎn)越遠(yuǎn)時(shí),負(fù)載等效阻抗也會(huì)越大,從而降低逆變器的工作效率,因此逆變器必須具有良好的頻率跟蹤能力[5]。

圖3是采用鎖相環(huán)電路實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng)跟蹤和相角鎖定的逆變控制原理框圖。圖4為鎖相控制電路的仿真模型。在本例中的鑒相器是由CD4046中的PDI異或門(mén)實(shí)現(xiàn)。采集負(fù)載諧振電流i H作為鑒相器被鎖定的輸入信號(hào),壓控振蕩器VCO的輸出經(jīng)分頻后反饋到鑒相器,輸入鑒相器的兩信號(hào)通過(guò)相位比較后輸出對(duì)應(yīng)相位差的脈沖信號(hào),經(jīng)低通濾波器濾波,得到一個(gè)反映負(fù)載側(cè)電壓電流基波相移的直流電壓。該電壓與所設(shè)定的代表一定相角值的數(shù)值比較后,經(jīng)過(guò)PI環(huán)節(jié)輸出控制電壓,調(diào)節(jié)壓控振蕩器的輸出頻率,從而達(dá)到頻率自動(dòng)跟蹤的目的。

常用的CD4046鎖相環(huán)的典型應(yīng)用是二倍頻[6],即VCO輸出脈沖信號(hào)頻率為鑒相器PDI輸入信號(hào)頻率的二倍,因此VCO輸出信號(hào)需要加一個(gè)二分頻環(huán)節(jié)。由于異或門(mén)鑒相器要求在相位差為0時(shí),異或門(mén)的兩個(gè)輸入信號(hào)相位差90°,為保證異或門(mén)的輸入條件,在VCO輸出側(cè)經(jīng)過(guò)過(guò)零比較環(huán)節(jié)后轉(zhuǎn)換成同頻率、同相位的方波信號(hào)。該方波信號(hào)一路經(jīng)反相后接入上升沿觸發(fā)模塊,作為觸發(fā)脈沖信號(hào),另一路則直接接入另一上升沿觸發(fā)模塊,作為觸發(fā)脈沖信號(hào),并將其反相輸出反饋回兩個(gè)觸發(fā)模塊的輸入端,實(shí)現(xiàn)了D觸發(fā)器的二分頻功能,從而對(duì)VCO輸出信號(hào)進(jìn)行了二分頻。兩路分頻環(huán)節(jié)相當(dāng)于是對(duì)VCO過(guò)零比較后的方波信號(hào)一路是在上升沿到來(lái)時(shí)進(jìn)行二分頻,一路是下降沿到來(lái)時(shí)進(jìn)行二分頻,分頻后的兩路信號(hào)相位相差90°。逆變器實(shí)際工作時(shí),信號(hào)采集、驅(qū)動(dòng)電路以及功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通與關(guān)斷都是有延時(shí)的,因此在反饋回路中需進(jìn)行相位補(bǔ)償,將分頻后的其中一路經(jīng)延時(shí)補(bǔ)償環(huán)節(jié)返回鑒相器PDI的反饋端,另一路則經(jīng)過(guò)脈沖分配、死區(qū)形成等環(huán)節(jié)后作為功率器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)器件通斷來(lái)控制負(fù)載電壓的頻率和相位,使其隨負(fù)載電流的頻率和相位變化。利用此分頻功能即可保證在負(fù)載電壓電流零相位誤差時(shí),PDI異或門(mén)鑒相器輸入相位差90°。

圖3 逆變控制原理框圖

圖4 鎖相電路仿真模型

3 試驗(yàn)結(jié)果

本論文以IGBT作為開(kāi)關(guān)器件,以Matlab/Simulink為仿真工具,搭建了主電路和鎖相電路的仿真模型。因?yàn)殡妷盒湍孀冸娐氛鬏敵鰹橐淮笕萘康臑V波電容,可以認(rèn)為逆變器輸入側(cè)為一恒壓源,所以在模型中采用直流電壓進(jìn)行仿真,設(shè)定值為400 V。由于逆變器剛開(kāi)始工作時(shí)自激信號(hào)還很弱,還不能得到負(fù)載電流的準(zhǔn)確相位,所以在鎖相電路模型中加入了它自激轉(zhuǎn)換電路,逆變器先工作于它激狀態(tài),當(dāng)電流值達(dá)到設(shè)定值時(shí)電路轉(zhuǎn)為自激。仿真結(jié)果如下：圖5和圖6分別為工作頻率222.8 kHz和234.7 kHz時(shí),穩(wěn)定狀態(tài)下負(fù)載電壓和電流的仿真波形,前者的負(fù)載功率因數(shù)角為9.5°,后者的功率因數(shù)角為10.1°。圖7為在2 ms時(shí)負(fù)載發(fā)生突變,負(fù)載固有諧振頻率由234.7 k Hz跳變?yōu)?22.8 k Hz。圖8為作為壓控振蕩器輸入的控制電壓,由波形圖看出,在鎖相電路的調(diào)節(jié)下,負(fù)載電壓和電流在2.7 ms達(dá)到鎖定的定角狀態(tài)。

圖5 f=222.8 k Hz時(shí),逆變器輸出電壓電流波形

圖6 f=234.7 k Hz時(shí),逆變器輸出電壓電流波形

圖7 在2 ms負(fù)載突變時(shí),逆變器輸出電壓電流波形

圖8 VCO輸入波形

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)搭建的模型進(jìn)行仿真,結(jié)果證明該定角控制的頻率跟蹤方法是可行的,能較好地實(shí)現(xiàn)負(fù)載工作狀態(tài)變化時(shí)的頻率跟蹤,且跟蹤快速準(zhǔn)確,通過(guò)調(diào)整相角鎖定值,即可方便地改變輸出側(cè)電壓電流的相位關(guān)系。本論文中基于串聯(lián)型逆變器的仿真模型保證了要求的小感性工作條件,逆變側(cè)的功率器件也基本實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)。

[1] 饒益花,趙立宏.感應(yīng)加熱電源逆變器鎖相環(huán)控制電路的研究[J].工業(yè)加熱,2004,33(6)：42-45.

[2] 李亞斌,彭詠龍,李和明.IGBT串聯(lián)型逆變器定角控制的建模與仿真[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2005,32(1)：9-13.

[3] 潘天明.現(xiàn)代感應(yīng)加熱裝置[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1996.

[4] 李 賀,彭詠龍,李亞斌.分時(shí)控制MOSFET高頻感應(yīng)加熱電源[J].通信電源技術(shù),2008,25(5)：7-9.

[5] 張智娟,彭詠龍.定角控制高頻MOSFET串聯(lián)逆變器頻率跟蹤[J].工業(yè)加熱,2004,33(4)：25-26.

[6] 時(shí) 矗.移相調(diào)功式IGBT超音頻感應(yīng)加熱電源的研究[D].成都：西南交通大學(xué),2004.