感应加热过程调频锁相-移相调功复合控制.pdf
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1、计算机测量与控制 ()C o m p u t e r M e a s u r e m e n t&C o n t r o l 控制技术 收稿日期:;修回日期:.基金项目:国家自然科学基金面上项目();辽宁省教育厅科学技术研究重点攻关项目(L Z );年度辽宁省高等学校创新人才项目.作者简介:于占东(),男,吉林德惠人,工学博士,教授,主要从事电力电子技术、复杂系统控制和鲁棒控制等方向的研究.引用格式:于占东,王千旗,陈勇,等感应加热过程调频锁相移相调功复合控制J计算机测量与控制,():,文章编号:()D O I:/j c n k i /t p 中图分类号:T P 文献标识码:A感应加热过程调频
2、锁相移相调功复合控制于占东,王千旗,陈勇,付莹(渤海大学 控制科学与工程学院,辽宁 锦州 )摘要:串联谐振感应加热过程包括调频锁相和移相调功两个控制环节,二者具有较强的非线性和耦合性;在分析逆变频率、输出功率同锁相角、移相角关系的基础上,提出了基于频率分离原理的调频锁相移相调功复合控制方案,将锁相调功过程分解为快慢子系统,并对两个过程分别设计了具有鲁棒稳定性的锁相控制器和移相控制器,解决了感应加热电源的调频锁相移相调功环节的协调控制问题;将调频锁相移相调功复合控制方案应用于额定功率 k W,输出电流 A的超音频串联谐振感应电源中,验证了该控制方案在确保逆变过程开关器件安全可靠的同时,提高了功率
3、输出的效率;在保证了调功灵活性的同时,又实现了电源的阻抗自匹配.关键词:感应加热;调频锁相;移相调功;频率分离;鲁棒稳定性C o m p o u n dC o n t r o l S c h e m eo fP h a s e l o c kb yF r e q u e n c yA d j u s t m e n t a n dP o w e rR e g u l a t i o nb yP h a s e s h i f t f o r I n d u c t i o nH e a t i n gP r o c e s sYUZ h a n d o n g,WANGQ i a n q i,
4、CHE NY o n g,F UY i n g(C o l l e g eo fC o n t r o lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,B o h a iU n i v e r s i t y,J i n z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:S e r i e sr e s o n a n t i n d u c t i o nh e a t i n gp r o c e s si n c l u d e st w oc o n t r o l l i n k so fp h a s e l o c kl o
5、o pb yf r e q u e n c ya d j u s t m e n ta n dp o w e r r e g u l a t i o nf u n c t i o nb yp h a s e s h i f t,b o t ho f t h e mh a v es t r o n gn o n l i n e a r i t ya n dc o u p l i n g A f t e ra n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e n i n v e r t e rf r e q u e n c y,o u
6、 t p u tp o w e r,p h a s e l o c ka n g l ea n dp h a s e s h i f ta n g l e,ap h a s e l o c ka n dp h a s e s h i f tc o m p o u n dc o n t r o ls c h e m e f o rp o w e r r e g u l a t i o np r o c e s s i sp r o p o s e db a s e do n f r e q u e n c yd o m a i ns e p a r a t i o np r i n c i p
7、l e T h ep h a s e l o c ka n dp o w e r r e g u l a t i o np r o c e s s i sd e c o m p o s e d i n t o t h e f a s t s l o ws u b s y s t e m s,a n d t h ep h a s e l o c kc o n t r o l l e r a n dp h a s e s h i f t c o n t r o l l e rw i t hr o b u s t s t a b i l i t ya r ed e s i g n e dr e s
8、p e c t i v e l y T h ec o o r d i n a t i o nc o n t r o l p r o b l e mb e t w e e np h a s e l o c kc o n t r o l b y f r e q u e n c ya d j u s t m e n t a n dp o w e r r e g u l a t i o nb yp h a s e s h i f t f o r i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e r i s s o l v e d T h e c o m p o u n dc
9、o n t r o l s c h e m e i s a p p l i e d t o t h e s u p e r s o n i c f r e q u e n c ys e r i e s r e s o n a n ti n d u c t i o np o w e rs u p p l yw i t hr a t e dp o w e ro f k Wa n do u t p u t c u r r e n t o f A I t i s i n d i c a t e d t h a t t h e s a f e t yo f p o w e r s w i t c hd
10、e v i c e s i se n s u r e d i nt h e i n v e r t e rp r o c e s s,a n d t h ee f f i c i e n c yo f p o w e ro u t p u t i s i m p r o v e d T h e c o n t r o l s c h e m en o t o n l ye n s u r e s t h e f l e x i b i l i t yo fp o w e r r e g u l a t i o na t t h es a m e t i m e,b u t a l s or e
11、 a l i z e s t h e i m p e d a n c es e l f m a t c h i n go fp o w e rs u p p l y K e y w o r d s:i n d u c t i o nh e a t i n g;p h a s e l o c kb yf r e q u e n c ya d j u s t m e n t;p o w e rr e g u l a t i o nb yp h a s e s h i f t;f r e q u e n c yd o m a i ns e p a r a t i o n;r o b u s t s
12、t a b i l i t y引言感应加热利用电磁感应原理,使材料的内部形成涡流,产生焦耳热,由于其具有加热效率高、速度快、可控性好的特点,被广泛应用于工业生产.感应加热要求控制系统自动根据槽路参数及物料变化调整逆变频率,使其处于准谐振状态,确保系统具有较高的功率因数.该过程属于感应加热频率跟踪控制范畴,其实质是调频锁相控制,即通过锁相闭环,确保逆变系统电压电流的相位差不受槽路参数和物态变化的影响.其外在表现是:逆变系统能够对槽路谐振频率的变化进行自动跟踪.感应电源还需根据加热工艺要求,调整输出电流,进而方便前级温控系统灵活操控加热功率.对于全桥逆变电路,调功过程可通过移相控制实现,即通过改变
13、逆变电压波形的移相角,进而调整逆变电压有效值,实现电流反馈,确保系统以期望功率稳定运行.调频锁相和移相调功两个过程相互影响,密切相关.一方面调频锁相过程改变了逆变频率,从而使感应加热的渗透深度发生变化,改变槽路谐振状态,进而影响感应加热输出功率;另一方面,移相调功过程改变了逆变电压上升沿的相位,使逆变电压基波分量和逆变电流相位差发生改变,进而造成了锁相角的变化.因此,有必要设计调频移相复合控制方案,协调感应加热控制过程.文献,研究了感应加热电源频率跟踪技术,投稿网址:w w wj s j c l y k z c o m第期于占东,等:感应加热过程调频锁相移相调功复合控制 采用基于C D 的锁相
14、环(P L L)技术,实现了逆变电源系统对谐振槽路的频率跟踪,但没有涉及功率调整、负载匹配相关问题的分析.文献 和文献 分别从P DM P S M复合功率控制角度,以及阻抗匹配角度,讨论感应加热电源调功问题,但对调功过程中的频率跟踪问题讨论较少.文献 提出了基于直流母线电流极性平均值的频率跟踪及功率控制方法,该方法通过周期性使移相角为零,实现频率跟踪,利用在频率跟踪完成的情况下,调整移相角实现功率控制.该方法可以实现完全谐振,但是没有考虑谐振软开关对臂内换流时间的要求.文献 针对并联谐振型感应 加热 系 统,仅 从 算法 设 计 角 度,提出 了 一 种AN F I S和P I D复合控制器,
15、对感应加热过程和电气特性分析较少.文献 从计算机控制角度,给出了基于系统集成单片机的感应加热谐振频率跟踪控制方案.本文针对感应加热调频锁相移相调功过程,提出了频率分离控制的方案,将系统分解为快慢子系统,针对快变化的调频锁相过程,设计了数字锁相控制器,针对慢变化的移相调功过程,设计了电流环调节器,控制器设计过程充分考虑系统的相互耦合和不确定因素对系统的影响,保证了系统的鲁棒稳定性.对感应加热调频移相过程进行了实验研究,验证了该方案的有效性和可行性.系统工作过程串联谐振逆变系统的主回路如图所示.主回路整流部分采用 VA C三相不控整流,逆变部分采用全桥逆变电路.I G B T半桥模块A(V T和V
16、 T)和B(V T和V T)分别构成逆变的两个桥臂.V D为模块内部反并联续流二极管,C为结间电容.谐振槽路在逆变侧可等效为两个桥臂中点A、B之间的R L C串联谐振电路.R为加热系统等效电阻,L为加热系统等效电感,C为谐振补偿电容.系统的额定输出功率为 kW,在逆变频率为 k H z情况下,线 圈 物料 系 统 归 算到 逆 变 侧 的标 称 值 为:R ,L H,谐振补偿电容为:C F,耐压值为 VA C.图主回路结构图需要说明的是,系统谐振槽路参数是动态的,随工作频率、加热温度、材料特性的变化而改变.当工作频率大于谐振频率时,槽路负载呈感性,工作频率小于谐振频率时,负载呈容性状态.温度的
17、变化会影响到铁磁材料磁导率,特别是当材料温度大于铁磁材料居里温度时,材料磁导率会急剧降低,槽路的等效阻抗减小.控制器设计需要充分考虑参数摄动对系统稳定性的影响.串联谐振逆变过程如图所示.利用处理器的中心对称定时模式,根据逆变频率f,将定时周期设为T.选取三角波的中点TT/,在T附近,选取个比较值T和T.其中,T的值对应A桥臂开关器件VT和V T,T的 值 对 应B桥 臂 开 关 器 件VT和VT.为了防止上下桥臂同时导通,设定死区时间.VT与V T的上升沿存在相位差,称是逆变系统的移相角.在处理器中改变中心对称定时器的周期设定,可以控制逆变频率f,通过控制可以改变移相角.图感应加热逆变过程波形
18、由图可知,谐振槽路电压UA B为具有移相角的方波,UA B 为UA B基波分量的有效值:UA B UD Cc o s()()调整移相角可改变UA B的有效值,进而控制输出功率.因此选择移相角作为功率调节的操作量.IA B为谐振槽路的电流波形,是IA B滞后UA B的相位.串联谐振软开关需要IA B滞后UA B一定相位,以满足臂内换流时间要求,确保逆变过程中开关器件安全地切换.由于臂内换流时间较短,所以的值不宜过大.感应加热过程中,槽路谐振频率随物料状态的变化而改变,因此需要锁相闭环控制以保持角的稳定,称为锁相角.如图可知,在逆变频率f已知的情况下,可以通过测量V T的上升沿与IA B过零点的时
19、间差获得.系统的功率因数角为UA B 与IA B的相位差,其稳态值由谐振槽路电压电流传递函数相频特性决定.如图可知,功率因数角与 倍移相角之差,即是锁相角:a r c t g f L f C()/R()投稿网址:w w wj s j c l y k z c o m计算机测量与控制第 卷 式()的第项是系统功率因数角,f为逆变频率.功率因数角与逆变频率和槽路参数有关.在槽路电感L发生摄动时,功率因数角及其相 对频 率 变 化 的增 益 如 图(a)、(b)所示.图感应加热系统操作量与被控量的关系当移相角变化速率较慢时,可通过调整逆变频率f,实现锁相角的控制.图(b)表示功率因数角相对于逆变频率f
20、的增益.当频率在 k H z围内,考虑电感L摄动的情况下,调频控制对象的增益记为:|/f|,其变化范围是 d e g/k H z.系统的有功功率可根据槽路的基波电压和槽路电流确定,有:PA BUD CRc o s()c o s()()对于电压源逆变系统,直流母线电压UD C近似为常数,直流母线电流ID C为:ID CUD CRc o s()c o s()()因此,调功过程可通过控制直流母线电流的方式间接实现,具体的操纵量为移相角.直流母线电流ID C可通过霍尔传感器H获取.移相调功过程通常在锁相角一定的前提下完成.图(c)、(d)为不同锁相角条件下,ID C与移相角的关系.移相控制的相对增益|
21、ID C/|的变化范围是:A/d e g.控制系统结构安全高效的感应加热电源,要求控制系统自动根据槽路参数及物态变化调整频率输出,使系统保持在准谐振状态.同时,系统还需根据加热工艺要求,调整电源输出电流,灵活控制功率输出.两个过程相辅相成,需要协调工作.因此感应加热控制系统应包括调频锁相和移相调功两个控制环节,具体结构如图所示.调频锁相控制通过调整系统的逆变频率f,使锁相角稳定在期望值附近,进而保持谐振槽路在弱感性的准谐振图感应加热调频锁相移相调功控制系统结构状态安全稳定运行.特别是,当槽路参数发生变化,谐振频率发生偏移时,系统逆变频率也要做相应的调整.因此,调频锁相控制的外在表现是逆变系统能
22、够对槽路参数变化带来的谐振频率的改变进行自动跟踪,其具体实现方式是将逆变频率f作为操作量,控制式()中的锁相角.移相调功控制是通过调整移相角,改变槽路电压UA B的有效值,最终实现调节系统输出功率的目的.对于电压源逆变系统,直流母线电压UD C近似为常数,控制直流母线电流ID C即可等效为控制系统输出功率.移相控制的实现方式是将移相角作为操作量,对式()中的ID C进行电流闭环控制.移相过程采用闭环反馈控制的原因有二:)负载阻抗自匹配的要求.当负载阻抗较小,工作电流大于设定的额定电流时,系统需要切换为电流源工作模式,移相控制器可使移相角增加,保证感应电源恒流输出;反之当系统负载阻抗较高,移相控
23、制器可将移相角调节到,此时系统移相闭环电流控制失效,系统切换为电压源控制模式.因此,在移相闭环控制模式下,感应电源在一定程度上,使系统输出电流保持在额定范围以内,实现了阻抗自匹配.)稳定功率输出的要求.由式()可知,直流电流ID C间接体现系统输出功率,引入负反馈后,可以实现系统功率的稳定输出,进而对上级温控单元灵活操控系统加热温度十分有利.感应加热调频、移相控制过程相互影响密切相关,其控制的复杂性主要体现在如下个方面:)非线性.由式()可知,锁相角与逆变频率f之间存在较强的非线性;由式()可知,系统的直流母线电流ID C是移相角和锁相角的非线性函数.)参数时变性.在式()、()中,槽路的等效
24、电阻R、等效电感L,与感应加热线圈外形尺寸、线圈匝数、被加热物料外形尺寸、物料的电阻率、相对磁导率、加热频率、温度等因素相关.)耦合性.由式()可知,当采用逆变频率f作为操作量控制锁相角时,会受到移相角变化的影响;同样,由()式可知,移相角调节ID C电流输出的过程中,会受到锁相角变化的干扰.)被忽略的动态过程 .由()可知,锁相角是投稿网址:w w wj s j c l y k z c o m第期于占东,等:感应加热过程调频锁相移相调功复合控制 基波功率因数角与 倍移相角的差,功率因数角表征谐振槽路电压基波分量与电流的相位差,属于槽路的相频特性,是稳态参数,因此()仅是锁相过程控制关系的稳态
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