【正文】 輸出功率控制。本文在編寫過程中的到了長江大學(xué)葉獻(xiàn)方副教授的幫助和支持，在此表示衷心的感謝！XXXI第一章 緒論第一章 緒論感應(yīng)加熱電源是一種將三相工頻（50Hz）交流電轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嘀蓄l交流電的裝置。交直交變頻電路的特點是有直流環(huán)節(jié)，通過整流電路先將工頻交流電整流成直流電，再通過逆變電路將將他變成頻率為f的交流電。感應(yīng)加熱電源逆變電路輸出的中頻電能，通過感應(yīng)線圈施加到負(fù)載上，進(jìn)行感應(yīng)加熱。本文設(shè)計的加熱電源采用的是交直交變頻電路，先將工頻交流電整流成為直流電，再通過逆變轉(zhuǎn)化為所需要的電能形式和要求。圖1為電路主電路原理圖圖1. 并聯(lián)諧振式交直交變頻電路原理圖如圖所示，A為電路的三相橋式整流電路部分，將三相工頻（50Hz）交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動的直流電。B為整流輸出直流的濾波電路，將整流輸出的脈動直流過濾成平滑的直流電，而且可以起到隔離50Hz工頻網(wǎng)絡(luò)與中頻網(wǎng)絡(luò)的作用。逆變輸出交流電被送到負(fù)載電路D,D是由電容器和感應(yīng)器組成的并聯(lián)諧振電路對工件進(jìn)行感應(yīng)加熱。它他的輸入為整流器輸出做平波處理后的直流電壓，由于平波電感的存在，可以認(rèn)為逆變器的輸入為恒流源。而輸出電壓的幅值和相位由負(fù)載決定。并聯(lián)逆變電路對負(fù)載的適應(yīng)能力強，目前這種電路應(yīng)用十分的廣泛，主要用于中頻熔煉和透熱的電源。50年代末半導(dǎo)體硅晶閘管的出現(xiàn)標(biāo)志著以固態(tài)半導(dǎo)體器件為核心的現(xiàn)代電力電子學(xué)的開始。目前, 在低頻(=150Hz)范圍內(nèi)時感應(yīng)加熱電源普遍采用傳統(tǒng)的工頻感應(yīng)爐。在中頻(150Hz~l0kHz)范圍內(nèi),因為晶閘管的出現(xiàn),歐洲各國先后開始研制晶閘管中頻裝置。在超音頻(l0kHz~l00kHz)范圍內(nèi),八十年代開始隨著一系列新型功率器件的相繼出現(xiàn),主要有 GTO、GTR、IGBT,以這些新型器件構(gòu)成的結(jié)構(gòu)簡單的全橋型超音頻固態(tài)感應(yīng)加熱電源逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位,其中以 IGBT 應(yīng)用最為普遍。60 年代末開始研制晶閘管中頻電源。 在中頻領(lǐng)域,晶閘管中頻電源裝置基本上取代了旋轉(zhuǎn)發(fā)電機。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。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。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。在容量上，中頻電源國外最高容量為 10MW，而國內(nèi)為 2MW。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。第二類，功率器件的串并聯(lián)。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(jìn)行測試、篩選、配對使用。第三類，多橋的串并聯(lián)。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。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。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。電源并聯(lián)工作擴(kuò)容，應(yīng)該保證各臺電源均勻輸出，并有冗余設(shè)計。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。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。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(jìn)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(jìn)一步促進(jìn)高頻感應(yīng)加熱電源的發(fā)展。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。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。d. 應(yīng)用范圍擴(kuò)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。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。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。包括過電壓、欠電壓、過電流、過熱等檢測與保護(hù)功能。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(yuǎn)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)。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(fù)載的影響以及減少電能的浪費。CortexM4內(nèi)核。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。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(jìn)行仿真，并做出實物來驗證方法的可行性。 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(hù)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。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(fù)載電感器形成互感器，將能量傳遞到負(fù)載，負(fù)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。感應(yīng)加熱電源是通過負(fù)載線圈將能量傳遞給負(fù)載的，負(fù)載線圈一般可以等效成電感和電阻串聯(lián)的形式。這種負(fù)載都是功率因數(shù)很低的感性負(fù)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。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)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(fù)載兩端的電壓接近正弦波。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。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。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)。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(fù)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。 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(fù)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。 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。 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(fù)載電流提供續(xù)流通路。 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。 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)。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。而并聯(lián)逆變器短路保護(hù)容易，開路保護(hù)困難。它主要由一、二次線圈、鐵圖7 電壓互感器心和絕緣組成。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。電壓互感器和變壓器很相像，都是用來變換線路上的電壓。線路上變換電壓是因為根據(jù)發(fā)電、輸電和用電的不同情況，線路上的電壓大小不一，而且相差懸殊，有的是低壓220V和380V，有的是高壓幾萬伏甚至幾十萬伏。這樣不僅會給儀表制作帶來很大困難，而且更主要的是，要直接制作高壓儀表，直接在高壓線路上測量電壓，那是不可能的，而且也是絕對不允許的。兩個繞組都裝在或繞在鐵心上。電壓互感器在運行時，一次繞組N1并聯(lián)接在線路上，二次繞組N2并聯(lián)接儀表或繼電器。二．過零比較器圖8 過零比較器電路圖對兩個或多個數(shù)據(jù)項進(jìn)行比較，以確定它們是否相等，或確定它們之間的大小關(guān)系及排列順序稱為比較。 比較器是將一個模擬電壓信號與一個基準(zhǔn)電壓相比較的電路。過零電壓比較器是一種典型的幅度比較電路，它是閥值電壓UT=0V。集成運放工作在開環(huán)狀態(tài)，其輸出電壓有兩個穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值決定，上圖中分別為+UM1和UM2,當(dāng)輸入電壓UI0V是輸出電壓UO=+UM1, 當(dāng)輸入電壓UI0V是輸出電壓UO=UM2。再將電路的輸出通入STM32的AD轉(zhuǎn)換通道，可以準(zhǔn)確測量輸出電壓的有效值。CortexM4在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的增強,讓STM32受益無窮。通過緊耦合的嵌套矢量中斷控制器,對終端時間的響應(yīng)比以往更迅速。具業(yè)界領(lǐng)先架構(gòu)的CortexM4內(nèi)核哈佛結(jié)構(gòu)(1) (2)Thumb2指令集以16位的代碼密度帶來了32位的性能(3)單周期乘法指令和硬件除法指令(4)內(nèi)置了快速的中斷控制器,中斷間的延遲時間降到只需6個CPU周期,從低功耗模式喚醒的工作時間只需6個CPU周期(5)與ARM7TDMI相比運行速度最多可快35%且代碼可節(jié)省45%與傳統(tǒng)單片機相比,STM32的主頻和定時器的頻率可以通過PLL倍頻高達(dá)168MHZ,高分辨率的定時器為高精度的測量提供了保證。STM32F407其內(nèi)部還有硬件除法器,在計算時大大節(jié)約了時間。圖13 感應(yīng)加熱單元感應(yīng)電勢和發(fā)熱功率與頻率高低和磁場強弱有關(guān)。另外，渦流的大小與金屬的截面大小、截面形狀、導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率以及透入深度有關(guān)。 集膚效應(yīng)：當(dāng)交流電通過導(dǎo)體時，沿導(dǎo)體截面上的電流分布是不均勻的，最大電流密度出現(xiàn)在導(dǎo)體的表面層，這種電流集聚的現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。 圓環(huán)效應(yīng)：若將交流電通過圓環(huán)形線圈時，最大電流密度出現(xiàn)在線圈導(dǎo)體的內(nèi)側(cè)，這種現(xiàn)象稱為圓環(huán)效應(yīng)。在感應(yīng)線圈中置以金屬工件，感應(yīng)線圈兩端加上交流電壓，產(chǎn)生交流電流 i1，在工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流 i2。 相關(guān)參數(shù)分析為了能夠滿足負(fù)載變化的要求，逆變器的工作頻率需要很寬，故相關(guān)的硬件參數(shù)也會有比較大的變化，下面主要分析在不同頻率范圍時反饋通道（測量通道）延遲時間、前向通道（控制通道）延遲時間和IGBT換相重疊時間三個參數(shù)變化情況。通過查看IGBT數(shù)據(jù)手冊并結(jié)合實際測量，得到不同頻率范圍時上訴參數(shù)的取值如表1所示表1門極控制信號頻率KHz門極控制信號周期uS反饋通道延遲時間時間下限uS前向通道延遲時間uSIGB換相重疊時間uS166 ～ 150150 ～ 135135 ～ 122122 ～ 110110 ～ 10010100 ～ 9090 ～ 8181 ～ 7373 ～ 6666 ～ 6060 ～ 5454 ～ 4949 ～ ～ 4025.40 ～ 3434 ～ 3131 ～ 2828 ～ ～ 2323 ～ 2121 ～ 1919 ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ 77 ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ 3