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串聯(lián)型固態(tài)感應(yīng)加熱電源因其起動(dòng)容易、易高頻化的優(yōu)點(diǎn)在高頻感應(yīng)加熱領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用 。為保證逆變器安全工作并提高工作效率，串聯(lián)型逆變器一般工作在感性準(zhǔn)諧振狀態(tài)。目前 廣泛應(yīng)用的串聯(lián)型逆變器鎖頻鎖相方法雖然可以實(shí)現(xiàn)逆變器感性工作狀態(tài)控制，但是負(fù)載功 率因數(shù)角隨負(fù)載參數(shù)變化，不能實(shí)現(xiàn)定角控制,影響逆變器安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。所謂 定角控制是指在逆變器運(yùn)行過(guò)程中保持功率因數(shù)角恒定，且不受負(fù)載參數(shù)變化影響，從而確 保逆變電源安全、穩(wěn)定、高效地工作。本文從定角控制角度對(duì)串聯(lián)型逆變器鎖頻鎖相方法進(jìn) 行研究，提出一種復(fù)合鎖頻鎖相方法，實(shí)現(xiàn)了定角控制。
1鎖頻鎖相控制方法
1.1鎖頻鎖相控制方法分析
逆變器鎖頻鎖相控制方法一般采用鎖相環(huán)PLL電路。他主要由鑒相器PD、壓控振蕩器VCO和外 接低通濾波器LPF組成。鎖相環(huán)是一個(gè)相位誤差控制系統(tǒng)，他通過(guò)比較輸入信號(hào)（控制信號(hào) ）和壓控振蕩器輸出信號(hào)（被控制信號(hào)）之間的相位差來(lái)調(diào)節(jié)其輸出頻率，從而達(dá)到鎖相環(huán) 路輸入輸出信號(hào)同頻的目的。如果鑒相器和濾波參數(shù)選擇適當(dāng)，鎖相環(huán)還可以實(shí)現(xiàn)無(wú)相差鎖 頻。串聯(lián)型逆變器鎖頻鎖相控制采用鎖相環(huán)的目的是利用鎖相環(huán)頻率自動(dòng)跟蹤功能實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù) 載電壓、電流的頻率和相位關(guān)系的控制，使逆變器工作在感性準(zhǔn)諧振狀態(tài)。鎖頻鎖相控制系 統(tǒng)框圖如圖1所示。
串聯(lián)型逆變器鎖頻鎖相電路的輸入信號(hào)一般取表示負(fù)載諧振頻率、相位的負(fù)載電流信號(hào)I H。壓控振蕩器的輸出信號(hào)Vf經(jīng)過(guò)死區(qū)形成電路和隔離驅(qū)動(dòng)電路后，通過(guò)控制功 率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通與掛斷來(lái)控制負(fù)載電壓的頻率與相位，使負(fù)載電壓的頻率和相位隨負(fù)載 電流的頻率和相位變化。由于電流采樣、隔離驅(qū)動(dòng)、逆變功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通與掛斷都需要 時(shí)間，導(dǎo)致鎖相環(huán)輸入輸出信號(hào)的相位關(guān)系并不代表負(fù)載電壓電流的相位關(guān)系，需加入相位 補(bǔ)償環(huán)節(jié)，分析如圖2所示。
IH為主電路中負(fù)載電流波形，IH1為由電流互感器取出的負(fù)載電流信號(hào)，由于電 流互感器原邊與副邊信號(hào)間存在延時(shí)Δt1，則 IH1滯后IH的時(shí)間為Δt 1。從壓控振蕩器輸出到功率開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通，延時(shí)為Δt2，則UH滯后Vf的時(shí)間 為Δt2。鎖相環(huán)鎖定狀態(tài)即Iin與Vf同頻同相時(shí)，若不加入相位補(bǔ)償環(huán) 節(jié)， 即
則負(fù)載電壓滯后負(fù)載電流的時(shí)間為Δt1＋Δt2，相位差φ＝ f×(Δt1＋Δt2）×360°。可見(jiàn)，由于延時(shí)的存在，鎖定狀態(tài)下逆變器工 作在容性不安全狀態(tài)。為彌補(bǔ)因控制信號(hào)延時(shí)引起的控制偏差，鎖頻鎖相控制電路一般加入 相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)，當(dāng)相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)完全補(bǔ)償控制電路信號(hào)延時(shí)，即補(bǔ)償時(shí)間Δt＝Δt 1＋Δt2時(shí)，鎖相環(huán)輸入輸出信號(hào)的相位關(guān)系等于負(fù)載電壓電流的相位關(guān)系，鎖相 環(huán)鎖定狀態(tài)下負(fù)載功率因數(shù)角為0。為避免因負(fù)載參數(shù)變化使逆變器工作狀態(tài)偏移到容性不 安全狀態(tài)，一般控制逆變器工作在感性準(zhǔn)諧振狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)方法是在相位補(bǔ)償電路完全補(bǔ)償控 制信號(hào)延時(shí)Δt1＋Δt2基礎(chǔ)上加入額外補(bǔ)償時(shí)間Δt3，即相位補(bǔ)償環(huán)節(jié) 總延時(shí)為Δt＝Δt1＋Δt2＋Δt3，使得鎖定狀態(tài)下逆變器負(fù)載電 壓相位超前負(fù)載電流Δt3，負(fù)載功率因數(shù)角φ＝f×Δt3×360°，從而保 證了逆變器工作在感性狀態(tài)。
1.2鎖頻鎖相方法存在的弊端
感應(yīng)加熱負(fù)載為導(dǎo)磁材料時(shí)，其導(dǎo)磁率與磁場(chǎng)強(qiáng)度和溫度有關(guān)。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí)，導(dǎo)磁率 隨溫度升高而下降，且在居里點(diǎn)附近變化劇烈。負(fù)載從冷態(tài)被加熱到熱態(tài)過(guò)程中，磁性材料 負(fù)載的導(dǎo)磁率下降引起負(fù)載與線(xiàn)圈耦合電感減小、負(fù)載諧振頻率上升。鎖頻鎖相方法中反饋 回路相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)固定延時(shí)Δt3雖可使逆變器工作在感性狀態(tài)，但負(fù)載頻率變化時(shí)， 由Δt3所形成的負(fù)載功率因數(shù)角（φ＝f×Δt3×360°）將隨之變化 ，頻率上升、功率因數(shù)角增加、頻率下降、功率因數(shù)角減小。若相位補(bǔ)償電路補(bǔ)償時(shí)間按頻 率較低時(shí)設(shè)定，則負(fù)載諧振頻率升高后會(huì)引起負(fù)載功率因數(shù)角增加、逆變器效率降低。若補(bǔ) 償時(shí)間按負(fù)載諧振頻率較高時(shí)設(shè)定，則負(fù)載諧振頻率低時(shí)負(fù)載功率因數(shù)角較小，逆變器安全 性降低。
綜上所述：對(duì)于磁性材料負(fù)載，鎖頻鎖相方法中相位補(bǔ)償電路只能針對(duì)某一頻率進(jìn)行靜態(tài)補(bǔ) 償，無(wú)法在負(fù)載諧振頻率變化前后實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載功率因數(shù)角的恒定控制。
2復(fù)合鎖頻鎖相控制方法
針對(duì)串聯(lián)型逆變器鎖頻鎖相控制方法在負(fù)載諧振頻率變化前后不能實(shí)現(xiàn)定角控制的缺點(diǎn)， 本文提出了一種改進(jìn)的鎖頻鎖相控制方法——按負(fù)載電流擾動(dòng)大小實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償?shù)膹?fù)合鎖頻 鎖相方法。控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。
復(fù)合鎖頻鎖相方法是鎖頻鎖相閉環(huán)控制與定角開(kāi)環(huán)控制相結(jié)合的控制系統(tǒng)，他在鎖頻鎖相控 制電路基礎(chǔ)上由動(dòng)態(tài)相位補(bǔ)償電路替代了目前所普遍采用的固定延時(shí)相位補(bǔ)償電路，在負(fù)載 頻率變化后自動(dòng)調(diào)節(jié)功率因數(shù)角，從而提高鎖頻鎖相環(huán)節(jié)的控制精度和動(dòng)態(tài)性能，在逆變器 負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，既實(shí)現(xiàn)了頻率跟蹤，又實(shí)現(xiàn)了定角控制，保持逆變器功率因數(shù)角恒 定。
2.1動(dòng)態(tài)相位補(bǔ)償電路
理論分析及大量研究試驗(yàn)證明，串聯(lián)型感應(yīng)加熱電源鐵磁材料負(fù)載從冷態(tài)過(guò)渡到熱態(tài)或從重 載變?yōu)檩p載的過(guò)程中，負(fù)載電流頻率（代表負(fù)載固有諧振頻率）上升、負(fù)載電流幅值隨之增 加，負(fù)載從熱態(tài)過(guò)渡到冷態(tài)或從輕載變?yōu)橹剌d的過(guò)程中，負(fù)載電流頻率下降、負(fù)載電流幅值 隨之減小。在加熱過(guò)程中，負(fù)載電流頻率和幅值是受負(fù)載參數(shù)變化影響的變量，本文在鎖頻 鎖相控制電路基礎(chǔ)上以電流擾動(dòng)作為控制信號(hào)，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)相位補(bǔ)償電路，使相位補(bǔ)償時(shí)間 跟隨負(fù)載諧振頻率變化，實(shí)現(xiàn)定角控制。動(dòng)態(tài)相位補(bǔ)償電路圖和相位補(bǔ)償電路波形如圖4， 圖5所示。
圖4中，IH1，IH2為電流互感器取出的負(fù)載電流信號(hào)，IH1經(jīng)電阻轉(zhuǎn)換 成電壓信號(hào)U-，IH2經(jīng)整流濾波環(huán)節(jié)變?yōu)槠街彪娏餍盘?hào)
三極管T1工作在 放大區(qū)。負(fù)載冷態(tài)或重載時(shí)，頻率較低，電壓比較器閥值電壓U+=U1,補(bǔ)償時(shí)間Δt＝Δt1（見(jiàn)圖5），負(fù)載功率因數(shù)角φ＝f1×Δt1×360°。負(fù)載 溫度 上升進(jìn)入熱態(tài)或發(fā)生輕載時(shí)，負(fù)載電流頻率上升，同時(shí)負(fù)載電流幅值增加使增加 ，引起T1基極電流增加，發(fā)射極電位上升，電壓比較器閥值電壓U+=U2，U2> U1，補(bǔ)償時(shí)間Δt＝Δt2，Δt2 <Δt1，負(fù)載功率因數(shù)角φ ＝f2×Δt2×360°，補(bǔ)償時(shí)間減小限制頻率上升過(guò)程中負(fù)載電壓電流相位差增 加，控制功率因數(shù)角基本不變，實(shí)現(xiàn)了定角控制。
在動(dòng)態(tài)相位補(bǔ)償電路中，負(fù)載功率因數(shù)角隨負(fù)載參數(shù)變化而動(dòng)態(tài)調(diào)整，確保逆變器具有穩(wěn)定 的工作效率。另外，逆變器負(fù)載電流很大時(shí)，T1完全導(dǎo)通，動(dòng)態(tài)相位補(bǔ)償電路最小補(bǔ) 償時(shí)間可以通過(guò)選擇R4與R5的比值決定，R4的存在使逆變器嚴(yán)格工作在感性狀 態(tài)，保證了逆變器具有較高的安全性能。
2.2仿真
基于目前普遍采用的鎖頻鎖相控制方法和復(fù)合鎖頻鎖相控制方法，本文利用Matlab/Simulin k建立了主電路和控制電路模型，并進(jìn)行了仿真、比較。
圖6，7分別給出了采用目前普遍應(yīng)用的鎖頻鎖相控制和復(fù)合鎖頻鎖相控制時(shí)負(fù)載電 壓、電流仿真波形。仿真電路負(fù)載參數(shù)在2 ms時(shí)刻發(fā)生變化，以模擬加熱過(guò)程中負(fù)載變化情 況。圖6中，負(fù)載參數(shù)變化前，負(fù)載諧振頻率為195 kHz，負(fù)載功率因數(shù)角為14°；負(fù)載參數(shù) 變化后，負(fù)載諧振頻率為230 kHz，其變化率為17.9％，此時(shí)負(fù)載功率因數(shù)角為16.6°， 其變化率為18.6%，變化較大。圖7中，負(fù)載參數(shù)變化前，負(fù)載諧振頻率為180 kHz，負(fù)載功 率因數(shù)角為14°；負(fù)載參數(shù)變化后，負(fù)載諧振頻率為210 kHz，其變化率為18％，此時(shí)負(fù)載 功率因數(shù)角為14.2°，其變化率為1.4%，負(fù)載功率因數(shù)角基本不變，可以達(dá)到定角控制 的效果。
3結(jié)語(yǔ)
本文分析了目前普遍應(yīng)用的鎖頻鎖相控制方法在實(shí)現(xiàn)逆變器工作狀態(tài)控制時(shí)存在的 不能實(shí)現(xiàn) 定角控制的缺陷，在此基礎(chǔ)上提出了一種復(fù)合鎖頻鎖相控制方法，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)相位補(bǔ)償電路 ，實(shí)現(xiàn)了定角控制，有效地解決了加熱負(fù)載由冷態(tài)到熱態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中以及發(fā)生重載或輕載時(shí) 功率因數(shù)變化較大的問(wèn)題，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了其正確性和有效性。
