CN201967167U - 一种感应加热双循环控制器 - Google Patents

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王军
郭霞
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王勇
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Abstract

本实用新型公开了一种感应加热双循环控制器的电流电压双闭环功率控制及数字频率跟踪控制电路。包括有主电路，电流电压信号检测电路，无损缓冲双闭环控制电路，定角频率跟踪控制电路。无损缓冲软PWM斩波器及缓冲电路部分采用电压调节为内环，电流调节为外环，克服了输出功率受电网波动及负载变化的影响，保证了恒功率输出。定角频率跟踪控制电路保证了恒功率输出能够保证逆变器的功率因数角保持恒定，不跟随逆变器工作频率和负载特性变化，能够满足控制电路在有外界干扰的情况下任然能够达到控制要求。这对提高加感应加热的热效率，保证加热一致性具有重要的意义。

Description

一种感应加热双循环控制器
技术领域
本实用新型涉及一种加热控制器，尤其涉及一种感应加热双循环控制器。
背景技术
感应加热电源在热处理行业得到了广泛应用。它采用的逆变器负载通常有串联谐振和并联谐振两种方式。前者，适用于高阻抗，需频繁起动的场合；后者，适用于低阻抗，负载变动范围大的场合。目前，并联谐振型感应加热电源的输出功率调节，主要是通过改变逆变器的输入直流电压方式来实现的。采用晶闸管相控整流，实现直流调压功率调节的主要缺点是功率因数低，深控时对网侧的谐波污染严重。采用传统的直流硬斩波调压调功是一个比较好的方案，但功率器件一般工作于硬开关状态，开关损耗大，EMI严重。为了进一步提高电源容量和效率，改善装置的EMC性能，要求基于全控型器件的新型感应加热电源不仅逆变器实现软开关；而目直流斩波调功电路也应实现软开关。
由于并联型谐振逆变电路必须具有频率自动跟踪功能。这是逆变器的基本功能之一，由于被加热工件在加热过程中其物理性质(电阻率、导磁率等)都会随温度不断变化，因而负载电路的固有谐振频率也会随之变化。为了使逆变器可靠工作，逆变控制电路必须有自动调频能力，以适应负载的变化。同时为了并联型逆变器的安全工作，应保证逆变器工作在容性状态下，即输出电流相位超前于输出电压相位，则控制电路必须满足输出触发频率高于负载固有谐振频率。对于并联逆变器上、下桥臂开关器件的触发，必须遵守“先开通、后关断”的原则，即上、下桥臂开关器件的导通脉冲之间必须有一重叠时间，且为了使开关器件在合适时刻导通和关断，重叠时间大小必须随着负载的变化调整。为了使逆变器有较强的频率适应性和负载适应性，逆变器的功率因数角应保持恒定，不跟随逆变器工作频率和负载特性变化。控制电路具有足够强的抗干扰能力，这是控制电路的基本要求，要保证控制电路在有外界干扰的情况下能达到控制要求。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提出了一种感应加热双循环控制器，该感应加热电源控制器克服了输出功率受电网波动及负载变化的影响，保证了恒功率输出，同时能够保证逆变器的功率因数角保持恒定，不跟随逆变器工作频率和负载特性变化，能够满足控制电路在有外界干扰的情况下任然能够达到控制要求。
为解决上述技术问题，本实用新型提出的感应加热双循环控制器包括有主电路，电流电压信号检测电路，无损缓冲双闭环控制电路，定角频率跟踪控制电路。其特征在于：所述的主电路用于将市电转化为感应加热负载需要的高频交流电，所述的电流电压信号检测电路用于检测主电路直流母线电流，直流侧电压，交流电压；所述的无损缓冲双闭环控制电路用于对直流电压的控制；所述的定角频率跟踪控制电路用于对并联型逆变器负载频率的自动跟踪和逆变器运行状态的高性能的控制。
本实用新型的感应加热电源，通过无损缓冲双闭环控制策略和定角频率跟踪控制策略，使得感应加热能够在输入电网及负载变化时能够保持恒功率输出，使得功率因数角在逆变频率和负载变化时保持恒定，满足了感应加热电源抗干扰性高的要求。
附图说明
图1软斩波调功并联谐振感应加热控制器的***框图；
图2定角频率跟踪控制策略框图；
图3CD4046BE的鉴相波形；
图4负载电压UH的绝对值积分电路；
图5直流电流采样电路；
图6CD4046鉴相电路。
具体实施方式
为了进一步详细地介绍本实用新型，下面结合附图进行详细的说明。
图1所示为软斩波调功并联谐振感应加热控制器的***框图，包括有主电路，电流电压信号检测电路，无损缓冲双闭环控制电路，定角频率跟踪控制电路。主电路原理为三相不控整流桥整流桥通过相工业用电进行整流得到脉动的直流电压，经过Cd滤波后得到平滑的直流电压；然后通过一种有源缓冲软PWM BUCK变换器将直流电压进行功率调节得到可调节的平滑的直流；最终通过并联谐振逆变器对前级获得的直流进行逆变得到高频的交流供给负载；通过LEM采集直流母线电流，采集直流电压，无损缓冲软PWM斩波器及缓冲电路部分通过电压调节内环，电流调节外环，保证了了输出功率在电网波动及负载变化的情况下不变化，保证了恒功率输出。
如图2，图3所示，本控制策略取逆变器的输出电压UH作为频率环的反馈信号，经过过零比较电路得到和UH同相位同频率的方波，该方波同MCU输出的PWM控制脉冲一起经过电荷泵鉴相器(CD4046鉴相器2)【-2π——2π】司鉴频鉴相，得到二者的相位差；再经过低通滤波器得到反映该相位差大小的直流电。
在感应加热电源初始启动的时刻，负载谐振电压信号尚未建立，则以上电路将因为没有反馈信号而无法产生作用，因此除了实现频率跟踪的基本功能外，还必须通过软件实现使负载谐振电压建立起来的启动单元。本实用新型主电路采用全控型器件IGBT作为并联逆变器功率器件。采用比较理想的它激转自激的起动方式，设计有它激软启动程序。
当负载谐振电压建立后，控制程序从它激模式转换到自动频率跟踪模式，两种模式之间的转换通过程序中的判断语句实现，而建立一定幅值稳定的负载电压信号UH是模式切换的判据。为了在负载电流变化比较大的时候使并联谐振能够安全换流，MCU通过采样直流电流可以改变死区寄存器的值，从而调整输出驱动脉冲重叠时间的大小。
图4所示为负载电压UH的绝对值积分电路(或称为精密整流电路)，一方面在逆变器启动的时候，可以通过该电路的采样值来判断负载电压的有无，作为它激和自激状态的转换的依据。另一方面在启动成功，***闭环运行时，该电路的采样值可以作为功率控制器的反馈量。
图5为直流电流的采样电路：直流电流通过LEM采样进来，通过放大电路调整增益。再通过低通滤波、电压跟随后送入MCU采样。
图6所示为CD4046鉴相电路，负载谐振电压UH通过分压，放大后，通过LM311构成的过零比较电路，得到同相位的方波，该方波和MCU的输出PWM信号一起送入CD4046作鉴相，经低通滤波得到直流电平，将其幅值调整后送入MCU采样。两个串联的施密特触发器74LS14起延时和抗干扰的作用。
本实用新型提出基于MCU并联型逆变器数字频率跟踪控制。利用高速MCU超快的运算速度和丰富的片上资源的特点，实现对并联型逆变器负载频率的自动跟踪和逆变器运行状态的高性能的控制。保证无论负载是在重载、轻载、还是加热过程中固有频率变化的情况下，控制电路都能够自动调整所发出的触发控制信号，使得并联逆变器工作在小容性状态，输出功率因数基本为一个定值，从而保证逆变器的安全工作，提高电源的可靠性。
以上所举仅以方便说明本实用新型，在不脱离本实用新型的创作精神范畴内，任何熟知此技术的技术人员所做的任何变相的修饰与变形，仍属于本实用新型的保护范畴。

Claims (1)

1.一种感应加热双循环控制器，包括有主电路，电流电压信号检测电路，无损缓冲双闭环控制电路，定角频率跟踪控制电路，并联型逆变器负载，其特征在于：
所述的主电路用于将市电转化为感应加热负载需要的高频交流电；
所述的电流电压信号检测电路用于检测主电路直流母线电流，直流侧电压，交流电压；
所述的无损缓冲双闭环控制电路用于对直流电压进行控制；
所述的定角频率跟踪控制电路用于对并联型逆变器负载频率的自动跟踪和逆变器运行状态的高性能的控制。
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