高頻感應(yīng)加熱電源的鎖相控制

1 概述

由于感應(yīng)加熱電源是熱處理的重要設(shè)備，其控制方案歷來備受關(guān)注。由于熱處理現(xiàn)場作業(yè)條件復(fù)雜，干擾因素較多，在設(shè)計時要盡量減少干擾源和減弱或消除外界干擾對系統(tǒng)的影響，因此，根據(jù)實際情況控制方案不停地在改進中。

感應(yīng)加熱電源逆變器按其負載補償電容所處的位置不同，可分為電流型逆變器和電壓型逆變器。電流型逆變器具有電路結(jié)構(gòu)簡單，電源運行可靠，對負載適應(yīng)能力強及過流保護容易等優(yōu)點，圖1即是電流型逆變電路的拓撲。對于電流型電路而言，首先要防止逆變器的瞬間開路；其次是選取適當定時或定角的超前觸發(fā)方式；最后，要求逆變器具有較寬的啟動頻率范圍。

圖1 電流型感應(yīng)加熱電源拓撲

2 控制方案的原理和改進

逆變器的控制框圖如圖2所示。其中V_o為逆變器的輸出電壓信號，經(jīng)過峰值檢測，與控制給定值比較產(chǎn)生切換裝置的切換信號X₁，當X₁為高電平時，切換裝置輸出信號X₂與它激信號接通，逆變器工作在它激狀態(tài)，控制信號從它激信號發(fā)生器發(fā)出，電路工作頻率固定，且由它激信號發(fā)生器控制；當X₁為低電平時，X₂與自激信號接通，逆變器工作在自激狀態(tài)，電路工作頻率由負載本身的固有頻率決定。根據(jù)鎖相環(huán)的閉環(huán)濾波功能，在鎖相環(huán)反饋電路中進行延時，用來補償系統(tǒng)的固有延遲，調(diào)節(jié)延遲時間t_d，逆變器既可以工作于感性狀態(tài)，也可以工作于容性狀態(tài)。

圖2 逆變器控制電路框圖

3 逆變器瞬間開路的防止與轉(zhuǎn)換的平滑過渡

以全控型器件作為開關(guān)的逆變器的控制通常采用他激轉(zhuǎn)自激的控制策略，即在開機或是負載電壓低于閾值V_co時采用開環(huán)的定頻控制，工作于他激狀態(tài)；而當輸出負載電壓大于閥值V_co時進行自動切換，使逆變器工作于頻率閉環(huán),跟蹤負載頻率的變化。

但是這種控制方案存在這樣的問題：由于它激信號和自激信號不可能總是同步的，因此，在切換過程中多數(shù)情況下會產(chǎn)生窄脈沖（低電平），這個窄脈沖不可避免地造成逆變器的瞬間開路；另外，現(xiàn)場的實際運行環(huán)境較差，通常都是在惡劣的電磁環(huán)境中工作，這種控制方案對于外界的抗干擾性能很差，不能滿足系統(tǒng)的抗干擾的要求。

針對這種情況,在切換電路后級插入一個鎖相濾波電路，用以濾除在轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生的窄脈沖，同樣，這種電路對外界干擾產(chǎn)生的尖峰也有很強的抑制能力。圖3給出了關(guān)鍵點X₁及X₃在切換前后的波形。從圖3中可以看出，由于鎖相特性，切換過程中的窄脈沖被鎖相環(huán)濾掉了。圖3中1路為X₁的波形，2路為X₂的波形，3路為X₃的波形。

圖3 控制電路切換波形

圖4給出了逆變器的輸出端電壓在由它激切換到自激時的波形。圖5給出了逆變器從自激轉(zhuǎn)到它激時的波形圖。由這兩個波形可以看出，切換過程是一個平滑過渡過程，和圖3對比可知，系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大提高，前級窄脈沖被鎖相電路濾除了。

圖4 它激轉(zhuǎn)自激時輸出端電壓波形