雙PWM變頻集膚效應(yīng)加熱逆變電源設(shè)計(jì)

李雯鈺 華宇飛 劉澳慧 屠騰騰

（西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院 陜西省咸陽(yáng)市 712100）

集膚效應(yīng)電伴熱（Skin Effеct Currеnt Tracing，一般能夠?qū)⑵浞Q為SECT）屬于一類十分新穎的伴熱機(jī)制，與傳統(tǒng)的恒功率電熱帶、自限溫電伴熱帶等相比其具有加熱效率高、易于控制及安全可靠的優(yōu)勢(shì)，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電伴熱傳輸距離短、加熱效率低等問(wèn)題[1-2]，已成為寒區(qū)中長(zhǎng)距離流體輸送管道工程中重要的技術(shù)措施。不過(guò)在以往使用的一些集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)里，大部分使用的供熱電源均屬于工頻電源，其電能轉(zhuǎn)換效率較低，發(fā)熱慢，控制方式單一，限制了該項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用[3]。目前，對(duì)于集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)電源研究已受到廣泛關(guān)注。尹正凱等[4]學(xué)者在研究集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)運(yùn)作機(jī)理的前提下，設(shè)計(jì)了以脈寬調(diào)制信號(hào)控制為基礎(chǔ)的IGBT 全橋逆變方波交流輸出電路，并初步驗(yàn)證了集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)的可行性和有效性。鄧衛(wèi)燕[5]等設(shè)計(jì)了可應(yīng)用于集膚加熱系統(tǒng)的并聯(lián)型IGBT 全橋逆變電路，并通過(guò)PWM 半橋輸出方式進(jìn)行集中控制，通過(guò)仿真分析能夠獲知此系統(tǒng)可輸出頻率以及占空比能夠連續(xù)調(diào)節(jié)的交流方波，具備優(yōu)越的控制能力。魏新勞[6]分析了目前雙極性高頻高壓方波脈沖電源的研究現(xiàn)狀，提出加強(qiáng)對(duì)材料特性，新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)策略的研究將是目前亟需解決的難題。

本文針對(duì)于寒區(qū)長(zhǎng)距離流體輸送管道冬季運(yùn)行中集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，采用雙閉環(huán)PWM 控制的電路結(jié)構(gòu)[7-9]，以提高了系統(tǒng)加熱效率，并結(jié)合級(jí)聯(lián)H 橋增強(qiáng)輸出功率[10-12]。此系統(tǒng)不但可以通過(guò)單位功率因素運(yùn)轉(zhuǎn)，而且能夠確保能量可以雙向流動(dòng)，另外還可以合理的降低諧波對(duì)電網(wǎng)造成的影響，繼而能夠?yàn)榧w效應(yīng)伴熱系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)提供參考。

1 集膚伴熱系統(tǒng)原理

集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)的加熱機(jī)制是利用高頻交變電流在導(dǎo)體里流動(dòng)時(shí)形成的集膚以及鄰近效應(yīng)，導(dǎo)致伴熱鋼管里存在趨于內(nèi)表面流動(dòng)的電流，繼而產(chǎn)生熱量的原理。在該系統(tǒng)中，伴熱電纜穿過(guò)伴熱管，并在末端做可靠電氣連接，構(gòu)成回路。由于伴熱電纜中的電流流動(dòng)方向與伴熱管中的電流流動(dòng)方向相反，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用會(huì)導(dǎo)致伴熱管內(nèi)表面的電流密度很大，而外表面的電壓幾乎為零，加之工程應(yīng)用中，伴熱管外表面接地措施，使得集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)具有較高的安全性，因此在電伴熱系統(tǒng)中有廣泛的發(fā)展前景，其具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。集膚加熱功率柜將輸出電源加至各回路集膚電纜，通過(guò)在伴熱管管壁上產(chǎn)生集膚效應(yīng)所產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)于主管道。主管道外壁設(shè)置多點(diǎn)溫度傳感器將溫度變化狀況反饋給加熱控制器，控制器根據(jù)溫度變化情況調(diào)整輸出方波的頻率和占空比以達(dá)到變頻加熱的目的。

2 雙PWM變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

圖1：集膚效應(yīng)電伴熱變頻加熱系統(tǒng)圖

圖2：雙閉環(huán)PWM 整流原理圖

雙PWM 變頻控制[13]，即逆變器和整流器都采用全控型開關(guān)器件，通過(guò)脈沖寬度調(diào)制的方式來(lái)操控系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，屬于一類效率極高、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定的控制方式。不僅可以降低輸入側(cè)的畸變率，正弦化的電流還會(huì)減少諧波對(duì)電網(wǎng)的污染；而且輸出側(cè)可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)可調(diào)以及能量雙向流動(dòng)；同時(shí)把工頻電轉(zhuǎn)化為電氣裝置理想運(yùn)轉(zhuǎn)頻率可以達(dá)成減少能量耗費(fèi)的目標(biāo)。

本設(shè)計(jì)采用雙PWM 對(duì)電源進(jìn)行控制，在PWM 整流側(cè)[14]能夠把將三相交流電轉(zhuǎn)化為較為平滑的直流電，在PWM 逆變側(cè)結(jié)合級(jí)聯(lián)H 橋逆變回路將直流電轉(zhuǎn)化成兩路占空比以及頻率均具備能夠連續(xù)可調(diào)能力的方波信號(hào)，為其中的各類負(fù)載供給需求的電能。該系統(tǒng)的硬件回路涵蓋主控電路、整流濾波電路、級(jí)聯(lián)H 橋路、驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，以及溫度采集電路等。

2.1 雙閉環(huán)PWM整流電路

本設(shè)計(jì)中采用三相全橋半控式整流電路，因?yàn)橐酝褂玫木чl管相控整流電路具備顯著的感性特征，相應(yīng)輸入電流明顯遲滯于輸入電壓，同時(shí)滯后角會(huì)伴隨觸發(fā)角α 的提高而提高，位移因數(shù)則會(huì)減??；另外輸入電流所具有的諧波分量不小，因此致使功率因素不高，將會(huì)導(dǎo)致輸送有功功率比例低、電網(wǎng)功率損耗增大。為了改善輸入側(cè)電流電壓的條件，本設(shè)計(jì)將逆變電路中的SVPWM 控制技術(shù)應(yīng)用于整流電路，對(duì)整流電路進(jìn)行SVPWM 控制，先通過(guò)派克變換把三相電流的坐標(biāo)變?yōu)榛谵D(zhuǎn)子的d 軸、q 軸，再分別對(duì)軸上的信號(hào)進(jìn)行控制。其中為了使三相VSR 直流側(cè)電壓較為穩(wěn)定，交軸上采用電壓外環(huán)進(jìn)行控制；同時(shí)為了輸入電流盡可能正弦化，并且與輸入電壓同相位，直軸可采用電流內(nèi)環(huán)，即將電壓外環(huán)相應(yīng)的輸出電流命令來(lái)控制電流，以達(dá)到單位功率因數(shù)運(yùn)行，性能優(yōu)于運(yùn)用不可控或相控整流的電源控制。

圖3：級(jí)聯(lián)H 橋兩路輸出原理圖

圖4：鎖相環(huán)原理圖

圖5：模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制原理圖

2.2 PWM逆變電路

長(zhǎng)距離輸水管道的集膚效應(yīng)加熱所需的電壓比較大，但是單個(gè)電力電子開關(guān)元件所具有的耐壓能力實(shí)際上是有限的[15]，為提高電壓輸出能力，本文選擇了H 橋級(jí)聯(lián)逆變電路，主要憑借移相調(diào)壓的機(jī)制輸出兩個(gè)脈沖寬度能夠調(diào)節(jié)的矩形波。

每四個(gè)IGBT 的組合是級(jí)聯(lián)H 橋的一個(gè)基本單元，每個(gè)單元都能夠憑借對(duì)開關(guān)管導(dǎo)通的控制達(dá)成相應(yīng)的逆變要求，但是單個(gè)單元傳輸?shù)碾妷捍嬖谝欢ㄏ拗?，不能夠?qū)崿F(xiàn)集膚效應(yīng)需要的目標(biāo)，所以這里采用電壓型級(jí)聯(lián)H 橋逆變結(jié)構(gòu)如圖3。將兩組H 橋級(jí)聯(lián)構(gòu)成一路，從而提高輸出電壓的能力；同時(shí)四組H 橋單元構(gòu)成兩路輸出，改進(jìn)了電路的結(jié)構(gòu)，提高了集膚效應(yīng)變頻電源的加熱能力。

在控制時(shí)，為得到盡可能理想的方波，必須嚴(yán)格控制各模塊的輸出電壓頻率、相位與幅值一致。所以本設(shè)計(jì)將對(duì)處在相同位置且實(shí)現(xiàn)相同功能的IGBT 采用同一脈沖信號(hào)來(lái)控制，以此確保各元件動(dòng)作一致性，進(jìn)而達(dá)到各模塊的一致性。實(shí)質(zhì)上，脈沖寬度調(diào)制過(guò)程里的信號(hào)是單片機(jī)輸出的兩個(gè)對(duì)稱PWM 波所供給，并且能夠通過(guò)寄存器編程的方式使占空比以及頻率發(fā)生改變，能夠靈活控制輸出方波。

同時(shí)，本文所選擇的全控型器件IGBT 需要電壓型驅(qū)動(dòng)電路，這里選擇了芯片M57926L，采用IPM 智能功率模塊，在縮減體積，增加功效以及穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)智能化。

2.3 頻率跟蹤

雙PWM 變頻電源在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其負(fù)載相應(yīng)的等效參數(shù)以及固有諧振頻率會(huì)伴隨溫度改變而改變。為降低逆變電路之中功率元件所存在的開關(guān)耗損同時(shí)增加設(shè)備的輸出能力，逆變器應(yīng)保持在單位功率因數(shù)的準(zhǔn)諧振環(huán)境中運(yùn)轉(zhuǎn)，而這需要控制電路具備追蹤頻率的能力，才能獲得準(zhǔn)確穩(wěn)定的控制，所以本設(shè)計(jì)中采用鎖相環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的。為獲取更為平穩(wěn)且容易達(dá)成的鎖相環(huán)，本設(shè)計(jì)里選擇了三相數(shù)字鎖相環(huán)（SPLL），其是以 d-q 變換為基礎(chǔ)測(cè)定各類相位訊息的一類閉環(huán)自動(dòng)控制體系，可以具備一定的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)能力，同時(shí)也能夠抵御各類干擾。通常由三個(gè)部分構(gòu)成，具體為：壓控振蕩設(shè)備、環(huán)路濾波設(shè)備、鑒相器，其相關(guān)原理的框架可參照?qǐng)D4。

鑒相器被鎖定的輸入信號(hào)由負(fù)載側(cè)的電壓提供。把此信號(hào)和位于壓控振蕩器之中的反饋信號(hào)實(shí)時(shí)相位對(duì)比，傳輸具有相位差的脈沖信號(hào)同時(shí)通過(guò)環(huán)路濾波器濾波處理，最后能夠獲取可以體現(xiàn)出負(fù)載側(cè)電壓電流基波相移的典型的直流電壓。把此電壓和預(yù)先設(shè)置的數(shù)值對(duì)比之后，憑借PI 環(huán)節(jié)傳輸相應(yīng)的控制電壓，繼而調(diào)控壓控振蕩器的輸出頻率，實(shí)現(xiàn)追蹤自動(dòng)頻率的目標(biāo)。

3 軟件設(shè)計(jì)與分析

3.1 PWM控制的實(shí)現(xiàn)

PWM 波調(diào)制技術(shù)，其核心就是對(duì)電路中各晶體管的開合進(jìn)行信號(hào)干預(yù)，導(dǎo)致逆變結(jié)構(gòu)的輸出為幅值大小相同但寬度卻不同的脈沖信號(hào)，采用上述脈沖信號(hào)取代所需要的正弦波和其余能夠滿足實(shí)際需求的波形。而PIC 單片機(jī)可以達(dá)到本系統(tǒng)控制的基本目標(biāo)，不過(guò)假如要研發(fā)具備更為優(yōu)越的性能的一類變頻電源，且要將其使用至非常復(fù)雜的場(chǎng)合時(shí)，PIC 單片機(jī)則無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)際目標(biāo)。DSP 和單片機(jī)對(duì)比具備更加快捷的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，性能更為優(yōu)越，具備更為充足的功能，所以本文選擇DSP 用作本系統(tǒng)之中重要的控制單元[16-18]。

選用DSP 實(shí)現(xiàn)的PWM 控制策略是憑借編程把傳輸?shù)碾妷簲?shù)值與參考數(shù)值對(duì)比之后的差值通過(guò)電壓外環(huán)予以補(bǔ)償以后，其數(shù)值和電感電流值相比較后再輸入電流內(nèi)環(huán)，其差值再分別與正負(fù)橋臂的電壓相加后和DSP 形成三角波對(duì)比形成PWM 波，繼而能夠完成在DSP 里的計(jì)算和控制。

3.2 控制策略

實(shí)際上，PID 控制于該系統(tǒng)里的使用已然較為完善，不過(guò)因?yàn)楸话闊峤橘|(zhì)本身特性的不平穩(wěn)及其系統(tǒng)受環(huán)境溫度的影響很大，所以極難從系統(tǒng)處獲取精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型。然而模糊控制是以模糊規(guī)則為基礎(chǔ)而構(gòu)建的在設(shè)計(jì)時(shí)不需要對(duì)控制目標(biāo)構(gòu)建精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型的一類控制策略，所以本文通過(guò)模糊控制取代傳統(tǒng)的PID 控制對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。

圖6：變頻電源系統(tǒng)仿真圖

以往所使用的集膚效應(yīng)變頻電源相關(guān)的控制信號(hào)均是通過(guò)PWM 占空比予以調(diào)制處理，并沒(méi)有考慮頻率調(diào)制這種方式在系統(tǒng)里能夠發(fā)揮的實(shí)際作用。從集膚效應(yīng)原理上來(lái)講，頻率越高，集膚效應(yīng)愈加顯著，也能夠更好的增加熱效率。但在實(shí)際運(yùn)用中，頻率并不是一直保持最高不出現(xiàn)改變就最好，而應(yīng)該根據(jù)負(fù)載溫度變化來(lái)調(diào)節(jié)的。為了更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的頻率跟蹤，減少不必要的規(guī)則搜索和推理，本設(shè)計(jì)將模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合運(yùn)用，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練學(xué)習(xí)給定的經(jīng)驗(yàn)生成模糊控制規(guī)則，然后將訓(xùn)練后的算法轉(zhuǎn)移至DSP 里實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。本文設(shè)計(jì)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體系[19-20]以此為基礎(chǔ)，構(gòu)架了頻率以及占空比均可調(diào)的PWM 調(diào)制機(jī)制，其控制策略原理如圖5 所示。

4 仿真分析

通過(guò) Matlab 軟件里的Simulink[21]設(shè)計(jì)具備可視性的仿真模型（參照?qǐng)D6）。按照其功能該模型共可以劃分成三個(gè)大模塊，可以劃分成六項(xiàng)觸發(fā)、整流濾波以及逆變等模塊。

其中，六脈沖觸發(fā)模塊通過(guò)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)六項(xiàng)同步觸發(fā)對(duì)整流濾波模塊中的IGBT 進(jìn)行相位控制，本文采用30°觸發(fā)角進(jìn)行仿真，而在實(shí)際應(yīng)用中可以任意設(shè)置觸發(fā)角，得到的不同的觸發(fā)脈沖。將所得到的觸發(fā)脈沖分別加到整流部分的六個(gè)IGBT 上控制其導(dǎo)通順序?qū)崿F(xiàn)交流到直流的變換，再通過(guò)電感與電容組合的濾波電路使輸出電壓更加平穩(wěn)。在仿真中級(jí)聯(lián)H 橋采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)的方式，兩個(gè)單項(xiàng)H 橋采用完全相同的觸發(fā)方式，即兩橋中處于相同位置的晶閘管由同一個(gè)脈沖控制，以滿足系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。最終負(fù)載上得到的電平為兩項(xiàng)疊加的輸出電平，從而實(shí)現(xiàn)了輸出功率的增大。本系統(tǒng)中采用的觸發(fā)脈沖頻率設(shè)置為400Hz、占空比設(shè)置為50%，而在實(shí)際應(yīng)用中，DSP 控制模塊可以根據(jù)負(fù)載的變化來(lái)改變H 橋中觸發(fā)脈沖的頻率和占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率的控制。仿真結(jié)果如圖7 所示。

從圖中可以看到負(fù)載兩端的電壓比級(jí)聯(lián)前高了一倍，由于伴熱管自身阻抗很小，輸出功率遠(yuǎn)超過(guò)了融冰的最低功率要求即30kw/m2，完全達(dá)到了冬季管道電伴熱融冰的要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種以集膚效應(yīng)理論為基礎(chǔ)的變頻加熱電源，采用級(jí)聯(lián)H 橋逆變電路結(jié)構(gòu)增大了輸出功率，采用雙PWM 以及模糊控制的方法使系統(tǒng)有更高的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。同時(shí)通過(guò)Simulink 對(duì)電伴熱系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，最終獲取了加熱電源仿真實(shí)驗(yàn)之后的相關(guān)數(shù)據(jù)，證明設(shè)計(jì)理念可行。本文的研究有助于集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)變頻電源的研究，希望在理論角度可以為集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)的探究提供支持。

圖7：負(fù)載端端電壓仿真結(jié)果圖