（控制理论与控制工程专业论文）高性能高频感应加热电源研究.pdf

哈尔滨理t 入学工学硕i ：学位论文 高。i i , 土f l _ 厶月匕l f , 高频感应加热电源研究 摘要 感应加热电源具有高效、清洁、控制灵活及加热速度快等优点，在工业 领域中有着广泛而重要的应用。提高感应加热电源的频率、功率并减小网侧 电流谐波是目前感应加热电源技术的研究热点和难点。由此本文确定了高性 能高频感应加热电源的系统方案，并分别对构成此系统的三相电流型p w m 整流器( c s r ) 、l l c i 皆振逆变器及逆变器分时控制方式行了理论研究和仿真 验证。 建立了三相电流型p w m 整流器在三相静止坐标系下的时域模型和频域 模型，给出s p w m 调制信号的产生与分配方式：分析了三相电流型p w m 整流器的控制策略，着重研究了间接电流控制，完成了控制系统的设计，给 出了网侧单位功率因数控制的可行性条件。 通过分析l l c 谐振逆变器的结构与特性，研究了l l c 谐振电路的电流 变换能力及对故障的适应能力；通过对逆变器并联时各逆变单元输出电压的 幅值、相位、触发不同步等差异进行分析，证明了采用l l c 谐振电路会使 逆变器的并联变得相对容易，更容易实现分时控制；给出了l l c 谐振逆变 器中各个参数选择的原则，完成了电路的参数计算。 最后通过仿真，验证了电路拓扑的可行性、控制方法的正确性以及参数 设计的合理性。 关键词感应加热；p w m 整流；分时控制；谐振电路 哈尔滨理丁大学t 学硕 j 学位论文 1 2 = ! = ! g ! = ! = ! ! ! ! ! ! ! e g - - _ - - - - - - - = = = = = = = = 2 = ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! 1 2 1 目目g 目l = 自! e 自e ! 自目自! ! = ! e = e e 搴 r e s e a r c ho nh i g hp e r f o r m a n c ea n d h i g h f r e qu e n c yi n d u c t i o n -h e a t i n gp o w e rs u p p l y a b s t r a c t i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l i e sw i t ht h em e r i t so fh i g h l ye f f i c i e n c y , c l e a n n e s s ，f l e x i b l ec o n t r o la n dh i 曲h e a t i n gs p e e dh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e di n i n d u s t r y a tp r e s e n t ，i m p r o v i n gf r e q u e n c y , p o w e ra n dr e d u c i n gl i n e s i d e c u r r e n t h a r m o n i co fp o w e rs u p p l yi st h er e s e a r c hh o t s p o ta n do p e nq u e s t i o n t h et h e s i s f i x e do nt h es y s t e m a t i cp r o j e c to fh i 曲p e r f o r m a n c ea n dh i g l l 仔e q u e n c y i n d u c t i o mh e a t i n gp o w e rs u p p l y , m e a n w h i l e ，c o n d u c t e dat h e o r e t i c a la n d e m u l a t i o n a lv a l i d a t i o nf o rp a r t so ft h es y s t e m ，i n c l u d i n gt h r e e - p h a s ec u r r e n t s o u r c ep w mr e c t i f i e r ( c s r ) ，l l cr e s o n a n ti n v e r t e ra n da l t e r n a t ec o n t r o ls c h e m e o fi n v e r t e r s i nt h et h e s i s ，t i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i nm o d e l so ft h r e e p h a s e c u r r e n ts o u r c ep w mr e c t i f i e rw e r ef o u n d e di nt h r e e p h a s es t a t i cc o o r d i n a t e s y s t e m ，t h eg e n e r a t i o na n dd i s t r i b u t i o nm o d eo fs p w mm o d u l a t i o ns i g n a lw a s p r e s e n t e d ；a n do nt h eb a s i so fa n a l y z i n gc o n t r o ls t r a t e g i e sf o rt h r e e p h a s ec u r r e n t s o u r c ep w mr e c t i f i e r , i n d i r e c tc u r r e n tc o n t r o ls t r a t e g yw a se m p h a t i c a l l ys t u d i e d ， c o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e da n df e a s i b i l i t yc o n d i t i o no fu n i t yp o w e rf a c t o ro n l i n e - s i d ew a sp r e s e n t e d t h ec u r r e n tt r a n s f o r m a t i o nc a p a c i t ya n da d a p t a b i l i t yf o rm a l f u n c t i o no fl l c r e s o n a n ti n v e r t e rw e r er e s e a r c h e db ya n a l y z i n gi t ss t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s a n d i tw a sp r o v e dt h a tt h eu s eo fl l cr e s o n a n tc i r c u i tc o u l dm a k ei n v e r t e r sp a r a l l e l e d e a s i l ya n da l s om a k ea l t e r n a t ec o n t r o ls c h e m ei m p l e m e n t e de a s i l yb yc o m p a r i n g t h eo u t p u td i f f e r e n c eo ft w oi n v e r t e ru n i t ss u c ha so u t p u tv o l t a g ea m p l i t u d ee r r o r , p h a s ee r r o r , a n dt r i g g e ra s y n c h r o n yw h e nt h ei n v e r t e r sw e r ep a r a l l e l e d t h e nt h e p a r a m e t e rs e l e c t i v ep r i n c i p l e so fl l cr e s o n a n ti n v e r t e rw e r es u m m a r i z e da n dt h e p a r a m e t e r sc a l c u l a t i o nw a sc o m p l e t e d f i n a l l y , t h ef e a s i b i l i t yo fc i r c u i tt o p o l o g y , t h ev a l i d i t yo fc o n t r o ls c h e m ea n d 哈尔滨理t 人学丁学硕i ：学位论文 t h er a t i o n a l i t yo fp a r a m e t e r sd e s i g n a t i o nw e r ev e r i f i e db ys i m u l a t i o n k e y w o r d s i n d u c t i o nh e a t i n g ，p w mr e c t i f i e r , a l t e r n a t ec o n t r o l ，r e s o n a n tc i r c u i t 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文高性能高频感应加热电源 研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人 已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均在 文中以明确方式注明。本声明的法律结果将由本人承担。 作者签名：豸1 春易在军日期：之婚彳年亏月日 7 if 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 高性能高频感应加热电源研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工 大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈 尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门 提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内 容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密口 ( 请在以上相应方框内打) 名：雪- 1 研 刷程轹力r 、 帆1 年罗月叫同 日期：卅年尹月徊 哈尔滨理t 人学t 学硕f - q ：位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 感应加热是利用电磁感应原理把电能转化为热能的一种加热方式，是非接 触式加热。与传统的使用煤气或石油为能源的直接加热装置相比较，感应加热 具有诸如速度快，效率高，向外界空气散发的热量少，加热品质好，受环境制 约小，易于进行局部加热，自动化程度高，节能环保，等等优点【i , 2 1 。迄今为 止，感应加热己经广泛用于金属熔炼、透热、焊接、弯管、表面淬火等热加工 和热处理行业。对于不同工件，不同工艺，需要要不同的电源工作频率和输出 功率。在某些应用场合：如淬火、热处理等，希望工件的发热层即透入深度越 薄越好【3 】。透入深度是由电磁场的集肤效应决定的，交流电流的频率越高，产 生的集肤效应越严重。这就要求感应加热电源的频率要提高，所以，研究感应 加热电源的高频化具有实际意义。 目前国内外高频感应加热电源产品主要是以m o s f e t 、s i t 和i g b t 为功 率器件。m o s f e t 开关速度快，虽然可以实现高频工作，但其电压、电流容量 等级低，大功率电源需采用串、并联技术，影响了电源运行的可靠性，因此使 大功率m o s f e t 高频电源的发展受到限制。s i t 器件具有大电流、高耐压、大 的输出功率和高的工作频率，但其通态压降相对较大，制造工艺复杂、成本 高，难以向市场进一步推广1 4 5 】。i g b t 是8 0 年代初出现的新一代全控型电力半 导体器件，具有m o s f e t 的高速、易驱动和功率晶体管g t r 的低通态压降等 综合性能【6 】。技术相对成熟，同容量i g b t 价格低于m o s f e t ，在功率和频率 方面具有较好的协调性，在功率大的同时工作频率相对较高，非常适于研制大 功率高频逆变电源。i g b t 高频逆变电源的研制成功，将可以代替目前普遍占 主导地位的m o s f e t 高频逆变电源，克服m o s f e t 高频逆变电源单桥容量小 的缺点，为高频感应加热逆变电源的大容量化开辟一条新途径。 i g b t 高频感应加热电源在现代工业中有着广泛的应用和很大的市场需 求，提高i g b t 高频感应加热电源的综合性能对于提高加热效率、节约能源、 提高产品质量有着非常重要的意义。虽然国内外学者对高频感应加热电源的拓 扑结构、控制技术等方面进行了广泛而深入的研究并取得了大量研究成果，但 还是有许多问题尚未解决，在理论上和技术上仍存在很大的研究空间。i g b t 哈尔滨理t 大学t 学顾。 ：学位论文 高频感应加热电源是由整流器、谐振逆变器、谐振电路及控制电路构成的统一 有机整体。目前大功率感应加热电源的整流器普遍采用晶闸管相控整流器，不 仅电网侧功率因数低、谐波污染严重，而且其动态响应能力较差，己成为制约 大功率感应加热电源推广应用的主要原因，所以研究具有单位功率因数、低谐 波、快速响应能力的p w m 整流器以取代晶闸管相控整流器具有非常紧迫的现 实意义。感应加热电源谐振逆变器的锁相控制策略也难以保证逆变器开关器件 的z v s ( z e r o v o l t a g es w i t c h i n g ) 或z c s ( z e r oc u r r e n ts w i t c h i n g ) 换流条件，这导 致器件的开关损耗增加、工作频率提升困难，并严重影响电源的高效可靠运 行，所以研究采用新的控制策略并采用大规模可编程集成电路来优化电源的控 制也是非常迫切的【6 。常规的l c 二阶谐振电路存在阻抗匹配方式不够灵活、 抗负载故障能力较低等问题，非常需要一种新型的谐振电路拓扑来改善这些缺 陷【8 ，1 。此外，高频感应加热电源在器件的工艺布局、故障保护等方面也仍有一 些亟待解决的问题。总之，对高频感应加热电源从结构上和控制上继续做进一 步的深入研究以提高整个电源系统的综合性能具有非常现实的理论意义和实用 价值，对缓解高质量热加工产品的需求和电力能源紧张之间的矛盾也有着深远 的影响。 1 2 感应加热电源的发展现状 感应加热电源技术的发展与功率半导体器件的发展密切相关，功率器件的 大容量化、高频化带动感应加热电源的大容量化和高频化。早期的晶闸管和晶 体管由于受到容量与频率互相制约的影响，不能达到同时获得大功率、高频率 的效果。随着新型器件的发展，如m o s f e t 、s i t 、i g b t 等的研制成功，使 感应加热电源向高频与大功率相统一的方向迈进一大步。 八十年代开始，以i g b t 构成的全桥型超音频感应加热电源逐渐受电路设 计者的欢迎。同本已经采用i g b t 研制出了1 2 0 0 k w 5 0 k h z 的电流型感应加热 电源，逆变器工作于零电压开关状态，实现了微机控制。而西班牙也己经报道 了6 0 0 k w 1 0 0 k h z 的i g b t 电流型感应加热电源【1 0 1 ，欧、美地区的其它一些国 家如英国、法国、瑞士等系列化超音频感应加热电源己达数百千瓦】。而我国 从九十年代也开始引进并研制i g b t 超音频电源。浙江大学研制开发的 5 0 k w 5 0 k h z 的超音频电源己经通过浙江省技术鉴定【1 2 i 。表1 1 表明了目前感 应加热电源的发展情况，总的来说，国内目前的超音频电源的研制水平大致为 4 5 0 k w 5 0 k h z ，与国外的水平相比还有一定的差距。国内外的i g b t 电源研制 哈尔演理t 入学_ 1 ：学硕i j 学位论文 水平大致为1 0 0 0 k w 5 0 k h z ，频率上难有更大的提高，因此研制更高频率的 i g b t 电源具有很大的意义。 表1 - 1i g b t 感应加热电源发展简况 t a b l e1 1d e v e l o p m e n to fi g b ti n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y 逆变电路器什 频率( k n z )功率( k w ) 报道时间研制单位 并联谐振 i g b t2 5l o o1 9 9 6 本溪厂 串联谐振 i g b t 3 0 3 01 9 9 3 浙江人学 串联谐振 i g b t5 02 0 01 9 9 l 曲班牙 串联谐振 i g b t 5 05 0 01 9 9 1 日本 并联谐振 i g b t5 05 01 9 9 5 浙江人学 并联谐振 i g b t 5 0 5 0 02 0 0 2 保定红星 并联谐振 i g b t5 01 2 0 01 9 9 4 日本 并联谐振 i g b t1 0 01 0 02 0 0 3浙人_ 伊 并联谐振 i g b t1 0 06 0 01 9 9 3 两班牙 目前已有许多文献报道了超音频和高频i g b t 感应加热电源的研究，文献 1 l 】设计了一个频率为1 0 0 k h z 的i g b t 并联谐振型感应加热电源，但是该文采用 模拟器件搭建控制电路，存在元件老化、线路复杂等一些固有的缺点，而且在 现有的i g b t 器件水平下，单桥频率和功率都难有大幅度提升。文献【1 3 设计了 一个频率为1 0 0 k h z 的i g b t 串联谐振型感应加热电源，同样存在上述的问题， 而且l c 谐振电路阻抗匹配方式不够灵活、抗负载故障能力较低。文献 1 4 】研究 了5 桥分时控制中e u p e cf f 2 0 0 r 1 2 k s 4 和s e m i k r o n1 5 0 g b l 2 5 d 的开关损耗和通 态损耗与频率和电流的关系，旨在高频( 3 0 0 k h z ) 大功率( 1 m w ) 应用范围内，用 i g b t 多桥分时控制取代m o s f e t 。但是对多桥分时控制如何实现及工程应用 的实际问题没有涉及。文献 1 5 】采用i g b t 设计了8 0 k h z 并联谐振型感应加热电 源，采用双桥并联分时控制。但是该文没分析输出联结方式，环流，故障处理 等问题。文献【1 6 】研究了i g b t 在分时控制和传统并行控制的损耗对比，得出分 时控制中i g b t 的损耗明显减小，加强了分时控制应用的意义，但采用采用晶 闸管全控整流方式调功，电路的功率因数很低，对于电网的污染较为严重。针 对上述问题，确定了本文的主要工作和研究内容。 1 3 本论文的主要研究内容 本文以i g b t 感应加热电源为研究对象，以研制低谐波、高性能的高频感 应加热电源为目的，主要研究内容如下： 哈尔滨理- t 人学丁学顾l ：学位论文 1 根据研究现状与存在问题，分别研究感应加热电源的整流器、谐振逆 变器、谐振电路及控制方式，确立高性能高频感应加热电源的方案。 2 建立三相电流型p w m 整流器( c s r ) 在三相静止坐标系下的时域模型和 频域模型，研究整流器的调制策略，给出s p w m 调制信号的产生与分配的方 式，并针对s p w m 调制策略分析三相电流型p w m 整流器的直接电流控制和 间接电流控制方式。 3 研究l l c 三阶谐振逆变器的自身特点及其分时控制时的特性，并对分 时控制时l l c 谐振逆变器进行参数计算。 4 在分析和设计的基础上，通过仿真验证理论分析的正确性、控制方案 的可行性及参数选择的合理性。 4 哈尔滨理t 大学工学硕f - q ：位论文 第2 章感应加热电源系统方案的确定 感应加热电源的发展与电源控制技术、拓扑结构和功率器件的发展密切相 关。目前，感应加热电源技术已有长足的发展，但是提高感应加热电源功率、 频率和功率因数仍是目前感应加热电源技术的研究热点和难点。本章将研究电 源原理、控制技术和拓扑结构，确定高性能高频感应加热电源的系统方案。 2 1 感应加热原理 依靠感应线圈，电能通过电磁感应传递给要加热的金属，在金属内部转变 为热能，这就是感应加热技术。如图2 1 所示，当感应线圈通入一个正弦交变 电流f ，根据电磁感应定律在金属中产生按照右手螺旋定则方向的磁通量。 加热 ( 电源 厶时，负载 支路的电压u 。超前负载支路的电流“，为感性状态；当f 厶时，其换流过程是：当功率管“、 圪关断后，负载电流换至另外两只功率管的反并二极管v d ，、v d 。中，在滞后 一个死区时间后，功率管、圪加上开通脉冲，等待电流自然过零后电流从 v d ：、阳。换至、中。由于功率管中的电流是从零开始上升的，因而基本 实现了零电流丌通，其开关损耗很小，而目二极管中不存在反向恢复电流。另 一方面，功率管关断时电流尚未过零，此时仍存在一定的关断损耗，但由于功 率管关断时问很短，预留的死区不长，而且死区所占时间对应的功率因数角不 大，所以适当地控制逆变器的工作频率f ，使之略高于负载电路的固有谐振频 率厶，可以使功率管向二极管换流时，瞬间电流很小，即功率管的关断和二极 管的丌通在小电流下发生，这样可以减小功率器件的关断损耗。 1 2 哈尔演理t 大学t 学硕f j 学位论文 l d o 厂rii jl ， l f y 1 3 2 41 3 v d1 3 2 41 32 4 a ) 感性工作状态 a ) i n d u c t i v es t a t e “0 |弋j 弋 i j 1 1 0 y 1 32 4 1 3 l 如 2 4 1 32 4 1 3 b 1 容性r 丁作状态 b 1c a p a c i t i v es t a t e 图2 1 0 电压型逆变器输出波形及开关过程 f i g 2 - 1 0o u t p u tw a v e f o r ma n ds w i t c h i n gp r o c 舒so f v o l t a g es o u r c ei n v e r t e r 容性状态即电压型逆变器工作在f t p ，( 三值逻辑开关函数基波分量初始相位角滞后于电网电动势初 始相位角) ，单位功率因数方能实现。不过当6 0 。 1 ，所以两个谐振频率点非常接近。当 工作频率处于缈 区域，l l c 电路都呈现感性，当工作频率处于 劬 缈 ，电路为容性。iz ( o 。) i fz ( o ，) l ，对于电压型谐振逆变器来说， 电路的工作频率点应该为以使逆变器获得高的功率输出和高的功率因数。 仔细观察式( 4 1 ) ，会发现不同电路设计当满足式( 4 4 ) 的谐振频率表达式时 不一定会使x 。= 0 ，也就是说l l c 谐振电路呈阻性是有条件的，当t a n ( z ( 缈) ) 在全频域范围内都大于零时，l l c 电路会一直呈现感性，如式( 4 5 ) 。 当满足式( 4 5 ) 的条件后，l l c 谐振电路在整个频域内都呈现感性，当其处 于谐振状态时，电路的等效阻抗不再像二阶l c 谐振电路那样呈现阻性，而是 呈现感性，且在谐振点处有局部极大或极小值。所以准确地描述谐振的概念应 该为：l l c 谐振电路处于谐振时，其等效阻抗为该区间内的极值。 由于l l c 谐振电路增加了两个设计自由度，所以设计要比l c 谐振电路复 杂的多，但同时也使电路的设计更灵活了。合理的电路设计应该使l l c 电路 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 在谐振点处呈现阻性或小感性以使谐振逆变器的换流条件最佳。当感应器出现 短路或开路时，谐振电路的固有谐振频率会发生大范围变化c o 国。，谐振逆变器不会滑落到危险的容性工作状态，保证了电源在负载故 障时的运行安全，这是l l c 三阶电路比l c 二阶电路优越的一个重要方面。 t a n ( z ( c o ) ) =竺! 墨! 墨! ：! ：竺：! 墨! 墨：竺：二! 墨! 墨! 竺! 竺：! 墨! 墨! 二墨：曼堕 o r j ( l r 2 c 2 一三2 2 c 一2 l i l 2 0 2 4 l l l 2 2 c 2 ( 三i + 三2 一r 2 c ) 0 ( 缆1 - - 乓l i l 2 + l 2 2 ) 警 h 5 j 胁堕 z 鱿一1 下面研究l l c 谐振电路各变量之间的关系，并从中得到l l c 的一些特 性。 1 l l c 电路的阻抗z 和相位角9 将( 4 5 ) 式带入( 4 - 1 ) 式，可得l l c 电路在综合串联谐振点处： z c ，= l 2 ( 0 0c d ， z ( 圳= 尺告 ( 4 6 ：1 1 矿+ 歹 缈= a r g ( z ( ) ) = a r c t a n ( 等) 可见负载在处时并不呈阻性，而是呈现小感性，这是由于的表达式 是在负载品质因数线较高时得出的近似结果。当负载品质凶数皱较高，而 较小时，上两式可以得出下列近似结果： z ( c o o ) 础芦2 ( 4 7 ) 缈0 式( 4 6 ) 、( 4 - 7 ) 表明，l l c 谐振电路对负载等效电阻有阻抗变换作用，其变 换效果类似于变压器。 2 l l c 电路的负载电流i ，和输入电流f 。的关系 3 6 哈尔滨理t 人学丁学硕l j 学位论文 考虑负载电流f ：和输入电流i 。的关系： = l ( 1 ( 寺2 每缈c o 。n 箍广 容易分析当0 9 = 0 9 。时lh ，( 国) i 有最大值，即： h 。( c o ) i o o , 0 0 = ( 4 - 8 ) ：氅 ( 4 9 ) = = = = = = = = = = = = = = = i | 一y - , l + ( q ) 2 。 对于高负载品质因数的电路，上式可化简为： 1 日f ( c o ) i 。；= l l l 2 ( 4 一l o ) 由式( 4 9 ) 、( 4