【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(lǐng)域有待解決的問題。目前，國內(nèi)的感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展與國外相比相對比較落后。縱觀我國感應(yīng)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(yīng)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(yīng)加熱電源成為感應(yīng)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(shù)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(yīng)加熱電源技術(shù)的發(fā)展與功率半導(dǎo)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(yīng)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(yīng)電源的功率容量角度來考慮感應(yīng)加熱電源的大容量化，可將大容量技術(shù)分為四大類: 第一類，提高單體半導(dǎo)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(yīng)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(yīng)電源運用該技術(shù)，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(dǎo)致可靠性下降及控制驅(qū)動復(fù)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?cè)萘俊ｋ娫床⒙?lián)工作擴容，應(yīng)該保證各臺電源均勻輸出，并有冗余設(shè)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(yīng)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(dǎo)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(guān)，頻率越高，功率密度越集中，表面加熱深度淺。感應(yīng)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(guān)，但是，感應(yīng)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(yīng)加熱電源高頻化仍有許多應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)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(yīng)加熱電源的發(fā)展。提高感應(yīng)加熱電源的頻率除了可以選用工作頻率高的電力半導(dǎo)體器件外，還有另外兩個途徑：采用軟開關(guān)技術(shù)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(yīng)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(shù)的引入，一方面降低了電源中開關(guān)器件的開通和關(guān)斷損耗，同時利用鎖相技術(shù)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(yīng)用范圍擴大化 采用感應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(yīng)加熱電源正成為下一代發(fā)展目標(biāo)。本課題主要研究了感應(yīng)加熱電源逆變部分、基于STM32F4單片機的控制器設(shè)計、基于IAR開發(fā)環(huán)境的STM32軟件的設(shè)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(yīng)的應(yīng)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(yīng)用專門設(shè)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(yīng)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(zhǔn)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(jié)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(yīng)急處理。第二章 STM32數(shù)字逆變系統(tǒng)的硬件設(shè)計本章主要討論感應(yīng)加熱電源的逆變部分的總體結(jié)構(gòu)，根據(jù)總體結(jié)構(gòu)來設(shè)計出基于STM32的逆變電源的方案，在此基礎(chǔ)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(yīng)加熱電源逆變部分的總體結(jié)構(gòu)；二，感應(yīng)加熱電源逆變部分主要結(jié)構(gòu)的詳細介紹；三，感應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)框圖 STM32數(shù)字逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖的主要組成從圖3可以看出，感應(yīng)加熱電源逆變部分結(jié)構(gòu)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(zhǔn)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(jié)構(gòu)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?，因此可分為電流型逆變器或電壓型逆變器；本設(shè)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?yīng)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(yīng)器和負載耦合的結(jié)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(dǎo)通、同時關(guān)閉；另一組（T2與T3）與其互補導(dǎo)通，當(dāng)前一組導(dǎo)通時這一組關(guān)閉，前一組關(guān)閉時這一組導(dǎo)通。當(dāng)T1與T4導(dǎo)通時諧振電路的電流從上至下，當(dāng)T2與T3導(dǎo)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(dāng)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(zhǔn)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(guān)器件同時關(guān)斷，造成開路，換流時必須遵循先開通后關(guān)斷的原則，即有一段時間所有的開關(guān)期間都是導(dǎo)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(dāng)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(dāng)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(yīng)加熱電源的要求，故本設(shè)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(yīng)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(yīng)線圈的電流等于逆變器的輸出電流。并聯(lián)逆變器的感應(yīng)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(guān)器件需反并聯(lián)快恢復(fù)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(fù)二極管，以承受反壓。 5）為避免上、下橋臂開關(guān)器件直通短路，串聯(lián)逆變器的開關(guān)器件必須保證先關(guān)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(guān)器件必須保證先開通，后關(guān)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(guān)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(guān)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(dāng)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(yīng)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(cè)接在一次系統(tǒng)，二次側(cè)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(yīng)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(shè)備、電機和變壓器，因此電壓互感器的容