【文章內(nèi)容簡介】 于頻繁起動的串聯(lián)諧振逆變中頻電源也是中頻領域有待解決的問題。目前，國內(nèi)的感應加熱技術的發(fā)展與國外相比相對比較落后?？v觀我國感應加熱用中頻電源的發(fā)展歷史，我們可把其發(fā)展概括為 70 年代的開發(fā)研究期、80年代的成熟應用期、90年代的大范圍推廣期、20 世紀末期的提高性能期。在中頻段，國內(nèi)已經(jīng)形成 200Hz～8000Hz，功率為 100kw～3000kw 的系列化產(chǎn)品。但是總的來說,在容量、頻率和控制手段等方面國內(nèi)與國外的水平有一定的差距。近年來，數(shù)字式感應加熱電源成為感應加熱電源發(fā)展的熱點。在這方面，和國外相比，國內(nèi)還有不少差距。在容量上，中頻電源國外最高容量為 10MW，而國內(nèi)為 2MW。在控制技術手段上，國外大量采用集成電路，數(shù)字顯示，微機控制，國內(nèi)則大部分是分立元件和繼電器控制，只有少部分采用集成電路控制，采用微機控制的則更少。感應加熱電源技術的發(fā)展與功率半導體器件的發(fā)展密不可分，隨著功率器件的大容量化、高頻化發(fā)展，感應加熱電源必將向著如下方向發(fā)展： a．大容量化根據(jù)加熱物質(zhì)對象及噸位不同，電源的功率容量可以從數(shù)百伏安到幾十兆伏安不等。從擴展感應電源的功率容量角度來考慮感應加熱電源的大容量化，可將大容量技術分為四大類: 第一類，提高單體半導體功率器件的容量。第二類，功率器件的串并聯(lián)。采取功率器件串、并聯(lián)的工作方式，來提高輸出電壓或電流，提升加熱電源的功率容量。功率器件串聯(lián)使用時，必須妥善解決好器件間均壓問題；而并聯(lián)使用時，必須妥善解決好器件間均流問題，同時還需要對器件的參數(shù)進行測試、篩選、配對使用。用于串、并聯(lián)的功率器件還應根據(jù)串、并聯(lián)個數(shù)實行降額使用，以提高電源的可靠性。第三類，多橋的串并聯(lián)。電源多整流橋路的串聯(lián)可增大整流器輸出電壓，而并聯(lián)則可加大電源的電流輸入，這兩者均有利于改善諧波，且串并聯(lián)數(shù)目越多，越有利于改善諧波。類似于功率器件的串并聯(lián)，多整流橋路串聯(lián)時仍需解決各橋間的均壓問題，并聯(lián)時解決各橋的均流問題。此外，多逆變橋的串并聯(lián)也是一種常用的提高功率的方法，相比于功率器件的串并聯(lián)，更具實際意義。例如，超大功率感應電源運用該技術，把原來的逆變橋作為一個單元或者模塊，通過這些模塊的串并聯(lián)組成一個新的逆變橋。第四類，多臺獨立電源的并聯(lián)擴容。功率器件的串、并聯(lián)數(shù)目受器件參數(shù)離散型導致可靠性下降及控制驅(qū)動復雜的制約。在器件串、并聯(lián)不能滿足功率容量時，采用多臺加熱電源并聯(lián)工作擴充電源的總容量。電源并聯(lián)工作擴容，應該保證各臺電源均勻輸出，并有冗余設計。并聯(lián)均流可以采用簡單的軟連接方式，也可以采用專用均流控制芯片，電流不均勻性控制在 5%以下，以保證各并聯(lián)電源組件的安全運行。目前超音頻以上的小功率電源，可以通過多個獨立電源的串并聯(lián)來提高功率，具有很大的市場前景。 b．高頻化目前，感應加熱電源在中頻頻段主要采用晶體管，超音頻頻段主要采用IGBT，而高頻段，由于 SIT 存在高導通損耗等缺陷，國際上主要發(fā)展 MOSFET 電源。加熱頻率主要與加熱工藝要求和性質(zhì)有關，頻率越高，功率密度越集中，表面加熱深度淺。感應加熱電源諧振逆變器中采用的功率器件有利于實現(xiàn)軟開關，但是，感應加熱電源通常功率較大，對功率器件、無源器件、電纜、布線、接地、屏蔽等均有許多特殊要求，尤其是高頻電源。因此實現(xiàn)感應加熱電源高頻化仍有許多應用基礎技術需進一步探討，特別是新型高頻大功率器件(如 MCT. IGCT 及 SIC 功率器件等)的問世將進一步促進高頻感應加熱電源的發(fā)展。提高感應加熱電源的頻率除了可以選用工作頻率高的電力半導體器件外，還有另外兩個途徑：采用軟開關技術和倍頻式逆變橋電路拓撲提高工作頻率。c．高功率因數(shù)、低諧波電源 新型功率器件的通態(tài)電阻很小，通態(tài)壓降小，所以損耗首先表現(xiàn)在基極或門極驅(qū)動電路的損耗上。隨著功率器件的發(fā)展，再加上驅(qū)動電路的不斷完善和優(yōu)化，使得整個裝置的損耗明顯降低。另外，由于感應加熱電源一般功率都很大，隨著對電網(wǎng)無功要求的提高，具有高功率因數(shù)的電源是今后的發(fā)展趨勢。目前諧振技術的引入，一方面降低了電源中開關器件的開通和關斷損耗，同時利用鎖相技術將逆變器的工作頻率鎖定在槽路的固有諧振頻率內(nèi)，使得該電源始終運行在負載功率因數(shù)接近 1 的狀態(tài)。d. 應用范圍擴大化 采用感應加熱方法對鍛造鋼坯透熱,節(jié)水節(jié)電,無污染。鑄造熔煉方面可以實現(xiàn)普通鋼、特種鋼、非鐵金屬材料的精細熔煉,同時可提高效率、無污染、金屬成份可控。感應釬焊效率高,對被焊母材無損傷,適用于精度高、批量大的工件和體積大、難移動的母材局部釬焊及各類金屬管材的焊接。各類零部件的表面熱處理大量采用感應加熱方法。鋼塑材料制造、鋁塑薄膜加工以及食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)的封口工藝也大量地采用感應加熱的方式。 e. 數(shù)字化、智能化控制 智能化指的是功率半導體集成電路本身。包括過電壓、欠電壓、過電流、過熱等檢測與保護功能。隨著數(shù)字集成芯片,單片機,DSP,FPGA 的發(fā)展,電源的控制已經(jīng)由模擬控制,模數(shù)混合控制,進入到全數(shù)字控制階段。且隨著感應加熱處理生產(chǎn)線自動化控制程度及對電源可靠性要求的提高,感應加熱電源正向智能化控制方案發(fā)展,具有計算機智能接口遠程控制、故障自動診斷等控制性能的感應加熱電源正成為下一代發(fā)展目標。本課題主要研究了感應加熱電源逆變部分、基于STM32F4單片機的控制器設計、基于IAR開發(fā)環(huán)境的STM32軟件的設計3個方面的內(nèi)容。實現(xiàn)逆變部分在穩(wěn)定運行過程中輸出電壓、電流的幅值、相位、頻率等數(shù)據(jù)的檢測，并通過變頻控制逆變部分的輸出，確保輸出功率因數(shù)在符合要求的范圍內(nèi)，并在錯誤運行時對外界做出報警，并立即采取相應的應急處理措施，防止對器件的損壞、減小對負載的影響以及減少電能的浪費。STM32F4系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的32位ARMCortexM4內(nèi)核。STM32F407VGT6片內(nèi)有1024KB FLASH，192 KB RAM，采用LQFP封裝，有100個引腳。對于PWM控制，STM32具有獨特的優(yōu)勢，即定時器可產(chǎn)生6路PWM輸出，具有互補輸出和死區(qū)控制；具有硬件上的乘法和除法單周期指令；STM32的嵌套向量中斷控制器把中斷之間延遲降到6個CPU周期等。在程序中應完成3個內(nèi)容，第一、初始起振，在開始運行時是，較快而且較準確的找到負載的起振頻率；第二、輸出電壓相位檢測，利用定時器檢測輸出電壓與輸出電流的的時間差，結合周期算出相位差，來確定輸出功率因數(shù)；第三、與整流上位機的通信以及出錯時的應急處理。第二章 STM32數(shù)字逆變系統(tǒng)的硬件設計本章主要討論感應加熱電源的逆變部分的總體結構，根據(jù)總體結構來設計出基于STM32的逆變電源的方案，在此基礎上進行仿真，并做出實物來驗證方法的可行性。以下將主要從三個方面進行闡述：一，感應加熱電源逆變部分的總體結構；二，感應加熱電源逆變部分主要結構的詳細介紹；三，感應加熱電源逆變部分與其他部分的配合使用。 STM32數(shù)字逆變系統(tǒng)的總體結構單相橋式逆變電路并聯(lián)型諧振電路STM32主控制系統(tǒng)電壓互感器過零比較器有效值檢測電路圖4 STM32數(shù)字逆變系統(tǒng)結構框圖 STM32數(shù)字逆變系統(tǒng)結構框圖的主要組成從圖3可以看出，感應加熱電源逆變部分結構框圖主要包括四部分：（1）逆變主電路—單相橋式逆變電路；（2）總電路的控制、驅(qū)動及保護部分—STM32主控制系統(tǒng)；（3）總電路的檢測反饋部分—電壓互感器、過零比較器和有效值檢測電路；（4）能量傳遞部分—并聯(lián)型諧振電路 STM32數(shù)字逆變系統(tǒng)工作原理說明圖3為STM32數(shù)字逆變器的工作流程圖，STM32主控制系統(tǒng)通過內(nèi)部定時器為單相橋式逆變電路的4個IGBT管提供穩(wěn)定的觸發(fā)脈沖，驅(qū)動逆變主電路穩(wěn)定工作。由電壓互感器和過零比較器組成的輸出電壓檢測電路，將逆變輸出的正第39 頁 共38頁弦波形轉(zhuǎn)化為相同頻率的方波，在將方波信號傳遞給STM32進行相位檢測，通過檢測輸出電流與電壓的相位差來確定輸出的功率因數(shù)，如果輸出功率因數(shù)不滿足要求，再通過STM32改變輸出觸發(fā)脈沖的頻率，讓其接近并聯(lián)諧振電路的諧振頻率（準諧振狀態(tài)），從而提高輸出功率因數(shù)。電路的能量傳遞部分為一個并聯(lián)諧振電路，能量通過電路中的電感器與負載電感器形成互感器，將能量傳遞到負載，負載互感器根據(jù)渦流原理將電能轉(zhuǎn)化為加熱所需的熱能。 STM32數(shù)字逆變系統(tǒng)的主要結構詳細介紹本節(jié)主要介紹了單相橋式逆變電路、STM32控制部分、輸出電壓有效值和相位檢測部分、能量傳遞及轉(zhuǎn)化部分。STM32通過采集逆變輸出電壓幅值和相位確定逆變輸出電能的功率因數(shù)，同時控制IGBT驅(qū)動的頻率來實時保證輸出電能功率因數(shù)的穩(wěn)定；并聯(lián)諧振部分起到能量傳遞的作用。 單相橋式并聯(lián)諧振逆變電路圖5 單相橋式并聯(lián)諧振逆變電路電路圖一 . 并聯(lián)諧振逆變電路的概念逆變電路是指將直流電壓或電流變?yōu)榻涣麟妷夯螂娏鞯碾娐罚虼丝煞譃殡娏餍湍孀兤骰螂妷盒湍孀兤?；本設計中為電流型單相橋式逆變電路，將整流器（上位機）輸出的直流電流逆變?yōu)榭煽氐慕涣麟娏?。感應加熱電源是通過負載線圈將能量傳遞給負載的，負載線圈一般可以等效成電感和電阻串聯(lián)的形式。等效的電感、電阻是感應器和負載耦合的結果，其值受耦合程度的影響。這種負載都是功率因數(shù)很低的感性負載，為了提高功率因數(shù)，常采用連接電容法以補償無功功率。根據(jù)補償電容與負載線圈的連接方式不同，一般有串聯(lián)補償和并聯(lián)補償兩種方式，從而形成兩種基本的諧振電路：串聯(lián)諧振電路、并聯(lián)諧振電路。二 . 單相橋式并聯(lián)諧振逆變電路的原理（一）單相橋式逆變電路工作原理簡述如圖3中所示，電路由4個IGBT管組成，其中T1與TT2與T3為一組，同一組中兩個IGBT管（如T1與T4）同時導通、同時關閉；另一組（T2與T3）與其互補導通，當前一組導通時這一組關閉，前一組關閉時這一組導通。當T1與T4導通時諧振電路的電流從上至下，當T2與T3導通時諧振電路的電流從下至上，故輸出電流波形為頻率可控的方波。當電路穩(wěn)定運行時，為得到更高的能量利用率，希望得到較高的功率因數(shù)，故會通過改變觸發(fā)脈沖的頻率來時并聯(lián)諧振電路工作在準諧振狀態(tài)，由于處于諧振狀態(tài)時具有最大阻抗，對于基波電流呈現(xiàn)高阻抗，而對高次諧波電流呈現(xiàn)低阻抗，高次諧波分量電壓都被衰減，所以負載兩端的電壓接近正弦波。由于并聯(lián)逆變器是恒流源供電，為了防止逆變器上、下橋臂開關器件同時關斷，造成開路，換流時必須遵循先開通后關斷的原則，即有一段時間所有的開關期間都是導通的，這段時間稱為重疊時間。觸發(fā)脈沖如下圖5所示：圖6 逆變電路觸發(fā)脈沖（二）并聯(lián)諧振電路原理簡述在圖3電感和電容并聯(lián)的電路中，當容抗的大小恰恰使電路中的電壓與電流同相位（容抗與感抗抵消，電路呈現(xiàn)電阻性），即電源電能全部為電阻消耗，成為電阻電路時，稱為并聯(lián)諧振。并聯(lián)諧振是一種完全的補償，電源無需提供無功功率，只提供電阻所需要的有功功率。諧振時，電路的總電流最小，而支路的電流往往大于電路的總電流，因此，并聯(lián)諧振也稱為電流諧振。發(fā)生并聯(lián)諧振時，在電感和電容元件中流過很大的電流。當負載變化是，會改變電路中電抗器的值，使電路偏離諧振狀態(tài)，功率因數(shù)降低。故此時需要調(diào)整電流電壓頻率（與觸發(fā)脈沖相同）來時容抗與感抗匹配，使電路重新回到諧振狀態(tài)。與串聯(lián)諧式振逆變器先比，并聯(lián)諧振式振逆變器更符合感應加熱電源的要求，故本設計用選用并聯(lián)諧振式逆變器。并聯(lián)諧振式逆變器與串聯(lián)諧振式逆變器的區(qū)別：1）串聯(lián)逆變器的負載電路對電源呈現(xiàn)低阻抗，要求由電壓源供電，所以經(jīng)過整流的直流電源末端要并聯(lián)一個大的濾波電容。而并聯(lián)逆變器的負載電路對電源呈現(xiàn)高阻抗，要求由電流源供電，所以經(jīng)過整流后的直流電源末端要串聯(lián)一個大的電抗器。 2）串聯(lián)逆變器輸入端的電壓恒定，逆變器輸出電壓為方波，由于負載電路是 L、R、C 串聯(lián)，諧振時對基波電壓呈現(xiàn)低阻抗，所以輸出電流近似正弦波。而并聯(lián)逆變器輸入端的電流恒定，逆變器輸出電流為方波，由于負載是 L、R 和 C 并聯(lián)，諧振時對基波電流呈現(xiàn)高阻抗，所以輸出電壓近似正弦波。 3）串聯(lián)逆變器感應線圈上的電壓和電容器上的電壓，都為逆變器輸出電壓的 Q倍，流過感應線圈的電流等于逆變器的輸出電流。并聯(lián)逆變器的感應線圈和槽路電容器上的電壓，都等于逆變器的輸出電壓，而流過的電流都是逆變器輸出電流的 Q倍。 4）串聯(lián)逆變器的開關器件需反并聯(lián)快恢復二極管，為負載電流提供續(xù)流通路。并聯(lián)逆變器的每一橋臂需串接快恢復二極管，以承受反壓。 5）為避免上、下橋臂開關器件直通短路，串聯(lián)逆變器的開關器件必須保證先關斷，后開通的原則，即包含一段死區(qū)時間。為避免開路，并聯(lián)逆變器的開關器件必須保證先開通，后關斷的原則，即包含一段重疊時間。 6）為保證逆變器的安全運行，串聯(lián)逆變器一般工作在小感性狀態(tài)，而并聯(lián)逆變器一般工作在小容性狀態(tài)。 7）串聯(lián)逆變器中的開關器件由于承受矩形波電壓，故 du/dt 值比較大，吸收電路起著關鍵作用，而對 di/dt 要求較低。并聯(lián)逆變器的電流為矩形波，因而要求較大的 di/dt，而對 du/dt 要求則相對低一些。 8）串聯(lián)逆變器短路保護困難，開路保護容易。而并聯(lián)逆變器短路保護容易，開路保護困難。 一．電壓互感器如圖6電壓互感器是一個帶鐵心的變壓器。它主要由一、二次線圈、鐵圖7 電壓互感器心和絕緣組成。當在一次繞組上施加一個電壓U1時，在鐵心中就產(chǎn)生一個磁通φ，根據(jù)電磁感應定律，則在二次繞組中就產(chǎn)生一個二次電壓U2。改變一次或二次繞組的匝數(shù)，可以產(chǎn)生不同的一次電壓與二次電壓比，這就可組成不同比的電壓互感器。電壓互感器將高電壓按比例轉(zhuǎn)換成低電壓，電壓互感器一次側接在一次系統(tǒng)，二次側接測量儀表、繼電保護等；主要是電磁式的（電容式電壓互感器應用廣泛），另有非電磁式的，如電子式、光電式。電壓互感器和變壓器很相像，都是用來變換線路上的電壓。但是變壓器變換電壓的目的是為了輸送電能，因此容量很大，一般都是以千伏安或兆伏安為計算單位；而電壓互感器變換電壓的目的，主要是用來給測量儀表和繼電保護裝置供電，用來測量線路的電壓、功率和電能，或者用來在線路發(fā)生故障時保護線路中的貴重設備、電機和變壓器，因此電壓互感器的容