（电力电子与电力传动专业论文）全数字化感应加热电源的设计.pdf

山东大学硕士学位论文 本文是在q l i a r h 璐开发平台上利用d l 硬件描述语言实现的软件设计。 针对感应加热电源中的启动问题，设计了软件扫频实现从它激到自激的转化； 针对传统感应加热电源使用的模拟锁相环的缺点，利用q l 班t 璐i i 软件中的模块 7 4 l s 2 9 7 设计了数字锁相环，弥补了模拟锁相环的缺陷，实现了频率跟踪。 本课题研究的感应加热电源的主回路及控制系统，电路结构简单，不仅节 省能源而且不易受到干扰，功率因数达0 9 5 控制方式简单，容易实现软开关 并且功率调节范围很宽。 关键词：感应加热；串联谐振；混合控制；数字锁相环；功率调节。 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t r 师娥c l l r r e n ts i d cp o w 盯删灿l a t i i su s i l a l l y 璐e dt o i d a yi no 盯u n 虹y 0 n e w a y i sc o n t m l l a b l er t i f i 盯o f t h y r i s t o 】鸭t h i sp a w e rh 嗣瞎al o w p d w 盱f a c t o rw h e ni t w o r l 【e dj nd e e pc 仃d l ，弛dt h ee 伍c i 船c yi sa l 1 0 w 盯b a u 辩o fb 谵c l m n t h a 珊o n i co f n e lt h eo n 埘i s d c 咖t h i s p 娟惯h 弱ab i g 洲i t c l l i l l g l o 豁a n d p o 凹d 五c i c y ，b a u s et h ep i md e v i c eo f b u c kc i r c i l i tw o r l 娼i nh a r d 鲫t c ht h e p h a 睁s h i f i i 。d f is 丽t c hh 勰as h 饥t o 嘟i n gt h a tt h ep o w 盯m o d l l l 撕帆船i i g ei s 蛐w s o ，w ed 船i g nan e w - s t y l es c r i a lr 豁o m mm a i nc i r c i l i t t o p o l o g y f h e c 0 删e r t 盯c i r c 毗i sd i o d e 根湎丘m e 曲，e r t 日c i r c 咄a d o p 协b r i d g es t r u c t l 谢b i c h c o 璐i s t s 咖p a n s ，州c h i s n 坞l c a d i n ga m s 锄d t h e l 嘲咖g 砌s i k k a d | m ga 加s a 咒p a r a l l c l e d 丽t h c a p i t o r 锄d 协b t h e m o d e o f p w m ，峙l 蟛n g 锄s 1 ) l r i 也 t h i n g 锄dd td op w mm o d u l a l 岛t h et w da 鼬sw m ka l t a _ n a t c l 弘叻eo u q ) m p o w 盯d c p d s d u t yc i r c l eo ft h el e a d i l l ga m s 锄dl h el a g g i n g 删a r en o t g l l l a t o 正 t h ec h a r t c r i s t i c ，p i i n l a r yp r i n c i p l e ，h i s t o r y a c t i l a l i t ya n df 0 g 岫do ft h e 缸d u c t i o n h 础n ga r e j n 昀d u c c d i n t l l e f i r s t p a r to f t h i s p 印鸡t e n t h cd c 、，e l o p c i l a m c t 盯o ft h es 髓l i c o n d u c t o rd e 、，i c e s 锄d 也ei m p o r c a mf 诎。辐o f 也ei n d u c 廿o n h c a 6 l 唱p o w e r t l l i sp a p e rc 伽叩a 螂t h ed i 妊b 瑚c 铭b e t w e e nt l l ec u r r 髓ts o l l r c e 曲c n 盯锄d m e v o l t a g cs o u r c c 如e n c r m e d i n 洲o n h e a t 沁p o w t h 髓s 啪印 s e v 哪ln o m a lp o w 盯r e g i l l a t i m e m c l d so ft h es e r i 鹤崩加锄ti n v e n c r 锄d c o m p a r c st h ec h 獬衄i s d co ft h e 8 em e t h o d s ，a n do t i rd e s i g n 鲇h 黜i sd c c i d e d 蚰 t h i s b a s e t l l i sp 印盯d e s i g 雌am a i nc 疵疵o f 也es e r i 韶啪c ei i l d u c t i o nh e a t i n g 谢t h i g b ts 哦hd e v i c e ，p r o p o s e daw a yt o 聆a l i z es 丽t c hd e v i c ew o r k i n g m 鲫蛐岛缸d 眦a l y z et h em l a t i o 璐o f 也eo 吨 u tp o 啊l o a d 丘鹎u 曲c y 衄d “v cp l l l w i d m ，m e a n w h i l e ，t l l i sp 印e ra n a l y z et h e8 h u t d o w n 印矾m to f t h el e a d i n g 舭n s 触ga t 廿l e 崩e s to f 丘蜘u c y 嘁f o r t 量地v o n a g e u r c e d i n d u 硎 h 鲋胁g 鲫p p l y an o v e lc o l l 们lg 昀t e g yi sp r o p o s c di nt l l ep a p 盯，趾dak i n do f p w m 山东大学硕士学位论文 锄dp f m 州dc 蜘lm e t h o df b rv o l t a g e 聊s 谢豁s 锄i n d u c t i v eh e a t i n gi s 出 s c r i b e d w h i c hh 鹪t h ea d v 趾t a g 鹤g u c h 勰w i d e 引e 勰o fp o 、w fm “l u l a d o n 粕d n n l ec h 觚g 鼯o f 丘鹎u c y t h i sm e m o dc 缸b eu s e di n 血l u c t i o nh 础n go fa n y p 删e r b 鹤e d 锄a l y z i n g 也em a t l lm o d e lo f p u 血ep 印盯觚a l y z 船m es t a b i n 哆o f t h ew h o l es y s o e 札w ed o 也es y s t e m 8s i i 咖l a l i 1 ，i 也m a 瓢一删s m 几k ，a l l d t h e 仪h 蛐lm e t h o d sw b i c hw ec h 0 0 a 坞托锄畸b l e 锄de 伍酏吐、怕，锄dg i v et h e c a l c u l a t i o n ，d 髓i g nt c 倒q 嘲 锄d t e c h i l o l o g y o fi n d l 坩瞳、他 p 矾s u c ：h 勰 h i g h 舭q u e n c yi l a t i i l g 仃孤s f 0 n e f ，i n d w 喊c o i la 璋删d e d a tl a s t ，出蛐e d l h ew h o l cc 蛐昀lc i r c l l i tt b i n l d l 瑶a n d 趾m d u c t i h 枷n gp o w 盱g i l p p l yi sm a d e 诵也i t s 州m s i 】r e d a n d w a v e 搬橱iw l l m c 咖i s h c a 删j l ld i 触l o 札 w c 眦d ll a n g u a g e q i 劬璐t o 删i i z e 叫f t 、躺d e s i 皿 a c ：o 】r d i n gt o 伍e 砒a r n 】pq u 嚣t i o no f t h ei n d l i c 如nh e 确n gp 叫阳毛w ed e s i 弘f 研哦 a n n i n gf e q u e n c yt o 托a i i z e l f e x c i t a 虹o na c c o r d i n gt ot h ed i 鼢d 、馆n t a g eo ft h e 缸d l o gp l l 1 ：h i c hw e u s e di nt h e 仃a d i t i a l 缸d u c d h e 撕n gp o w w ed e s i 弘 d i g i t a lp l lb 锄d 7 4 l s 2 9 7i nq 叫t l l s ，c o m p 娜a t em ed i s a d v 锄t a g eo f 血e 趾a l o gp u 粕d a l i 姻u c yh 祁i n 辱 t h em a i l lc i r c i m 弛dc 们l 掣哦e mo f 也ep a p 凹si n d l l c t i o nh 翰矗n gp y w 盯a s i r n p k t h ei n d l l c t i o nh 蒯n gp 口w 盯n o t 砌ys a v 伪t h e 豇i e 理y u r c 髓b u ta l s oi 8 d i 伍c m tt ob ed i s t i | r b c d ，也ep o 附舭t o r 锄瑚c ho 9 5 t h eo o n 仃o ls 眦g yi 8 s i l n p l e ，i ti s 龆s yt o 托a i i z c n 刚i t c l l i 】唱锄dp 0 1 w 盯m o d l l l a t i r 锄g ci s 砸d e i e yw o r d s ：砌u c t i h e a t i n g ；s 商e s 崩啪舳c c ；i i ) i b mc 讲l 仃o l ；d i 班a lp h a l k e d 娜；p o w e r m o d l l l a t i c n i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：蕴垒鱼 日期：珥童：超 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：垄丝导师签名：# 丝l 日期：举加 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 感应加热的基础知识 1 1 1 电磁感应与感应加热 m i c h if a r a d a y 于1 8 3 1 年建立的电磁感应定律说明，如果在一个电路围绕 的区域内存在交变磁场，电路两端就会产生感应电势，当电路闭合时则产生电 流。这个定律就是感应加热技术的理论基础。感应加热原理图如图卜1 所示【3 川： 夕f 图卜l 感应加热原理图 当感应线圈通以交变的电流f 时，线圈内部会产生相同频率的交变磁通， 交变磁通又会在金属工件中产生感应电势p 。根据m a ) ( w e l l 电磁方程式【l 】， 感应电动势的大小为：p ：一皇兰( 卜1 ) 式中是线圈匝数，假如是按正弦规律变化的，则有：妒= 九s i n 研 ( 卜2 ) 那么可得到感应电动势为；p = 一丸m s 耐 ( 卜3 ) 因此感应电动势的有效值为：e = 警= 4 4 4 城 ( 1 4 ) 感应电势在工件中产生感应电流( 涡流) f ，使工件加热。其焦耳热为： q = o 2 4 ，2 船 ( 卜5 ) 式中，q ：电流通过电阻产生的热量( j ) ； 电流有效值( a ) ； 山东大学硕士学位论文 置：工件的等效电阻( q ) ； ，。工件通电的时间( s ) 。 由公式( 卜4 ) 可以看出，感应电势与频率高低及磁场强弱有关，感应线圈中 流过的电流越大，其产生的磁通也就越大，因此提高感应线圈中的电流可以使 工件中产生的涡流加大；同样提高工作频率也会使工件中的感应电流加大，从 而增加发热效果，使工件升温更快。另外，涡流的大小还与金属的截面大小、 截面形状、导电率、导磁率以及透入深度有关。 由此可见，感应加热是靠感应线圈把电能传递给要加热的金属，然后电能 在金属内部转变为热能。感应线圈与被加热金属并不直接接触，能量是通过电 磁感应传递的。另外需要指出的是，感应加热的原理与一般电气设备中产生涡 流以及涡流引起发热的原理是相同的，不同的是在一般电气设备中涡流是有害 的，而感应加热却是利用涡流进行加热的。 1 1 2 透入深度与集肤效应 在感应加热过程中存在着三种效应1 l 【3 】【3 3 1 ：集肤效应、邻近效应和圆环效应， 下面分别介绍这三种效应。 集肤效应：当交流电通过导体时，沿导体截面上的电流分布不是均匀的， 最大的电流密度出现在导体的表面层，我们称这种电流集聚的现象为集肤效应。 邻近效应：两根通有交流电的导体距离很近时，导体中的电流分布会受彼 此的影响而有所变化。若两导体中电流方向相反，则最大的电流密度出现在两 导体的内侧，反之若导体中电流方向相同，则最大电流出现在导体外侧，这种 现象就称作邻近效应。 圆环效应：将交流电通过圆环形线圈时，最大的电流密度出现在线圈导体 的内侧，这种现象称作圆环效应。 感应加热电源就是综合利用此三种效应的设备。交变磁场在导体中感应出 的交变涡流由于集肤效应的影响，其沿横截面由导体表面至中心按指数规律衰 减，工程上规定，当涡流强度由表面向内层衰减到其最大值的o 3 6 8 ( 1 知) 时， 此处与表面的距离万称为电流透入深度。由于由涡流产生的热量与涡流的平方 山东大学硕士学位论文 成正比，因此热量由工件表面至芯部的下降速度比涡流的下降速度快的多，我 们可以近似认为感应加热的热量集中在厚度为电流透入深度万的薄层中。工程 上，透入深度可由下面表达式确定： 扣5 0 3 0 j 寿 ( 1 - 6 ) 其中：p ：导体材料的电阻率( q 硎) ； ，：导体材料的相对磁导率； ，：感应涡流的频率( h z ) 。 由公式( 卜6 ) 可以看出，当被加热工件、材料的电阻率及相对磁导率确定以 后，透入深度只与感应涡流的频率的平方根成反比，因此我们可以通过改变频 率控制它。因为在某些金属热处理中，工艺要求工件的透入深度要在一定的范 围之内【3 】，如此以来我们就可以很好的满足工艺要求。 1 1 3 感应加热技术的特点和应用 自工业上开始应用感应加热技术以来，已经过去将近9 0 年了。在这期间， 感应加热理论和感应加热装置都有很大发展，感应加热的应用领域亦随之扩大， 其应用范围越来越广。究其原因，主要是感应加热技术具有如下一些特点【1 】【3 5 】： ( 1 ) 加热温度高，而且是非接触加热； ( 2 ) 加热速度快并且效率高； ( 3 ) 温度容易控制( 产品质量稳定，省能) ； ( 4 ) 容易实现自动控制，可以局部加热； ( 5 ) 作业环境好( 几乎没有热、噪声和灰尘) 且占地少( 生产效率高) ； ( 6 ) 能加热形状复杂的工件并且工件容易加热均匀 在应用方面，感应加热可用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等过程，已 成为冶金、国防、机械加工等部门及铸、船舶、飞机、汽车制造业等不可缺少 的技术。此外，感应加热也已经并且不断地进入到人们的家庭生活中，例如： 微波炉、电磁炉都是利用感应加热技术的产品。 山东大学硕士学位论文 1 2 感应加热技术的发展与现状【5 2 】 感应加热技术从诞生至今，经过近百年的发展，取得了令人瞩目的成果。 2 0 世纪5 0 年代以前，感应加热电源主要有；工频感应熔炼炉、电磁倍频器、中 频发电机组和电子管振荡式高频电源，我们称为传统电源。五十年代末，固态 电力电子器件的出现与发展，使感应加热技术和现代化生产许多方面密切相关， 发挥了很大的生产力的作用，因此世界各国都十分关注感应加热技术的发展， 并投入了相当的经济支持和技术力量，使得传统感应加热电源与固态感应加热 电源取长补短，互补共存。 1 2 1 国外感应加热技术发展与现状 1 9 世纪末期，f o u c a l l l t 和n 等人对感应涡流理论和能量进行系统研 究后，人们建立了感应加热的理论基础，开始认识到感应涡流效应的积极的可 利用价值【3 1 二十世纪初期，法国、意大利和瑞典等国的技术人员开始研究使 用感应加热技术。 低频( 1 0 0 l m z ) ，国外目前正处于从传统的电子管振荡器向固态电源 的过渡阶段p 4 】【3 5 】。西班牙采用模块化、大容量化、m o s h 强的电流型感应加热 电源制造水平达6 0 0 k 1 ，4 0 0 k h z ，大功率高速i g b t 已经成为众多加热电源的首 选器件，频率高达1 0 0 乜，功率高达m w 级电源已可实现。 1 2 2 国内感应加热技术发展与现状 我国感应加热技术从5 0 年代开始就被广泛应用于工业生产当中，6 0 年代末 开始研制晶闸管中频电源，到目前已经形成了一定范围的系列化产品，并开拓 了较为广阔的应用市场。 在中频领域，晶闸管中频电源装置基本上取代了旋转发电机但国产中频 电源大多采用并联谐振逆变器结构，因此在开发更大容量的并联逆变中频感应 加热电源的同时，尽快研制出结构简单，易于频繁启动的串联谐振逆变中频电 源也是中频领域有待解决的问题。 在超音频领域的研究工作八十年代已经开始。浙江大学采用倍频电路已经 研制出了5 0 k w 5 0 i ( i zi g b t 超音频电涮5 2 1 。总的来说，国内目前的超音频电 源与国外的水平相比还有一定的差距。 1 2 3 感应加热电源的发展趋势 随着技术的发展和应用场合的要求，感应加热电源主要有以下几种发展趋 势【4 l 】： ( 1 ) 智能化控制。随着感应加热处理生产线自动化控制程度及对电源可靠 性要求的提高，感应加热电源正向智能化控制方向发展。具有计算机接口、远 程控制、故障白诊断等控制性能的感应加热电源正成为下一代发展目标。 ( 2 ) 高功率因数，低谐波电源。由于感应加热电源一般功率都很大，目前 对它的功率因数、谐波污染指标还没有严格要求，但随着对整个电网无功及谐 波污染要求的提高，具有高功率因数低谐波污染的电源必将成为发展趋势。 5 山东大学硬士学位论文 ( 3 ) 电源和负载的最佳匹配。由于感应加热电源多用于工业现场，运行工 况比较复杂，因此电源逆变器与负载之间的配置方式将直接影响到电源运行的 可靠性和效率。为了逆变器能够输出最大功率，必须使负载阻抗与逆变器的功 率机器定额相匹配。如何选择适合的磁性材料和绕组结构，提高变压器的传输 效率，已经成为一个重要课题。 1 3 电力电子器件的发展 自从上世纪5 0 年代美国研制出具有电力电子器件里程碑意义的晶闸管后， 电力电子器件飞速发展。7 0 年代后，先后出现了电力晶体管( g 1 r ) 、可关断晶 闸管( g t o ) 、功率场效应晶体管( m o s e t ) 等自关断、全控型器件近年来， 电力电子器件正朝着复合化、模块化及功率集成的方向发展，如绝缘栅双极型 晶体管( i g b t ) 就是这种发展的产物。i g b t 是m o s 聊和g i r 的混合集成，是 目前最具活力的电力电子器件，经过工艺上不断改进与技术创新，己经发展到 第四代。 以上所述的器件都是由硅( s i ) 半导体材料制成的。除此之外，近年来还出 现了很多性能优良的新型半导体材料，如砷化镓( g a a s 、碳化硅( s i c ) 及锗化 硅( s i g e ) 等，这将有助于开发新一代高频率、高动态参数的器件。微电子学中 的超大规模集成电路技术也将在电力电子器件的制作中得到更广泛的应用。 可以看出，器件的发展特点是向全控化、集成化、高频化、多功能化方向 发展。而每一次新器件的出现，都会给电力电子行业带来新的变化。毫不例外， 器件的发展也会为感应加热电源的高频、高功率、高效率和智能化的发展奠定 基础。 1 4 影响感应加热电源发展的主要因素 影响感应加热电源发展的因素主要有以下几点【4 l 】： ( 1 ) 感应加热电源的发展与电力电子学及半导体器件的发展密切相关。一 代又一代的电力半导体器件先后闯世，性能不断改善，高耐压和高耐流、低损 耗使得感应加热电源的性能和实用性得到了体现。 ( 2 ) 单片机、微型计算机技术和集成芯片技术的发展使得对感应加热电源 6 山东大学硕士学位论文 的复杂控制成为可能，体积和重量明显减小，功率因数提高了，功率控制调节 方便、准确。 ( 3 ) 感应加热电源的发展离不开材料学的进步，譬如磁性材料学。同时， 一些相关的技术如感应线圈的材料及设计、绝缘技术、故障诊断技术、远程控 制和智能化技术等等也都影响其发展。可以说，感应加热电源的发展是诸多学 科和综合技术共同决定的 1 5 课题研究背景及意义 自从工业上开始使用感应加热技术以来，感应加热理论和感应加热装置都 有很大的发展，应用范围也越来越广随着我国电力供应的改善，环保要求的 提高，发展和扩大感应加热的规模是必然的趋势。 感应加热电源的逆变器可以分为电压型串联逆变器和电流型并联逆变器两 种典型的结构形式。中小功率的感应加热电源( 五时，负载呈感性，频率越高，感抗越大。 厂 c 一 r 一 l - t 3 。由于此前，电流环流( 图( d ) ) ，电容上电压的 阻挡作用使得回路电流不断衰减，所以开通t l 、t 3 时环流电流接近于零，t l 、 t 3 为零电流开通，t 2 为零电流关断，且t 1 开通时，其两端的电压为零，所以 山东大学硕士学位论文 t 1 同时为零电压开通。 f ( a )j (d)(c) 图3 - 3 理想情况电路分析图 ( 2 ) 模态 一f ：】：( 图( b ) ，f l 时刻，t l 关断，t 1 中的电流向d 4 转移，负载电 流为正方向，负载电压为零，一直保持到f ：时刻。t l 关断时，其管里电流很大， 所以t l 为硬关断。负载电流在t 3 一 d 4 一 c 一 r 一 l 一 t 3 中环流。 ( 3 ) 模态 f 2 一f 3 ：( 图( c ) ) ，f ：时刻，t 3 关断，t 2 、t 4 开通。负载电流振荡至 反向，负载电压为一砺，一直保持到屯时刻。电流方向为t 2 一 l 一 r 一 c 一 t 4 。由于t 3 关断时。环流电流很小接近于零。因此，t 3 为零电流关断，t 2 为零 电流开通。t 4 开通时，电流很小，且两端的电压为零，所以为零电流零电压开 通。 ( 4 ) 模态 岛f ：( 图( d ) ) ，f ，时刻，t 4 关断，t 4 中的电流向d l 转移，负载电 流为反方向，负载电压为零，一直保持到屯时刻。由于t 4 关断时，其管里电流 很大，因此t 4 为硬关断。电流方向为t 2 一 l 一 r 一 c 一 d l 一 t 2 中环流。 ( 5 ) 到了f 4 时刻，又返回到气时刻的状态，开始下一个周期的循环。 从以上分析可以看出：通过使开关器件的控制信号跟踪负载电流，使其同 相位，可以使得超前臂t 1 、t 4 在全周期内工作于零电流零电压开通，硬关断状 态。可以使得滞后臂t 2 、t 3 工作于零电流开通，零电流关断状态。这样在p w m 山东大学硕士学位论文 控制下，只需解决超前臂开关器件t l 、t 4 的软关断就可以使所有的器件都工作 在软开关的环境下 3 4 2 软开关的实现及换流过程分析【帅】 上一节讨论的是在理想情况下的换流过程，在实际应用中由于器件并不是 理想的，器件硬开通和硬关断会产生较大的开关损耗，同时器件内部的反并联 二极管的反向恢复、器件的硬开通、硬关断都会带来e m i 噪声。为了减小器件 的开关损耗、降低e 枷【噪声，必须设法营造器件的软开关环境。 ( 1 ) 超前臂的软开关实现： 根据上节分析，超前臂工作在硬关断状态，因此通过在超前臂开关器件上 并联无损缓冲电容实现器件的软开关。 利用频率跟踪技术使t 卜t 4 的开通发生在电流过零点，可实现z c s 一0 n ， 通过在t l 、t 4 上并联电容c l 、c 4 实现z v s 一0 f f ，且由于超前臂上并有电容， 开通时电容电压为零，所以同时也是z v s o n 。 ( 2 ) 滞后臂的软开关实现： 在实际情况下，为了避免桥臂的上、下管直通，必须遵循先关断后开通的 原则，上、下桥臂的开通信号之间必须留有足够的死区时间。因此当t 3f r 2 ) 关 断时，电流会转移到d 2 3 ) 。由于环流及续流的原因电流会减小到很小，因此 t 2 、t 3 为零电流开通、零电流关断。 加上缓冲器件的主电路拓扑见图3 _ 4 所示。 图3 4 加上缓冲元件时的电路 3 4 3 有缓冲元件时的换流过程分析 上节讨论了如何实现开关器件的软开关，本节对有缓冲元件时的控制和换 流过程进行分析，重点在开关器件开关状态发生转换的时刻有缓冲元件时的 j玩 山东大学硕士学位论文 控制及各部分电压电流图如图3 5 所示，其中，c 么；负载两端输出电压，【么。： 输出电压的基波电压，：负载电流。u 。，【，r ，：分别为t l t 3 两端电压。f n ， f r 3 ：分别为流经t l 、t 3 两端的电流。 t 3 l t 4 i l t 2 l b ，f 代 以m ，7 f 7 一、氐、| 、 一 瓤陟 r 一p 飞 研1 l f | i j i i l i l i 一 一 夕心 r 枝一 一 ；： 南 f l f 2f 3 ，4 如 f 7 图3 - 5 换流过程分析 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) f 心 ( 3 ) l 拍 ( 4 ) 州i ( 8 ) 椭 t 撕 t ( 6 ) 妍岛+ ( 5 ) 伢呜 幽3 _ 6 电路工作情况 电路工作和换流情况如图3 6 所示，下面按时段分别进行说明： 模态f f o “】( 图3 6 ( 1 ) ) t l 、t 3 导通，t 2 、t 4 关断，电流为正。电容c l 两端电压为零，电容c 2 由 于在如气期间被充电因此其两端电压为+ 阮，a ，b 两端电压为+ 砺。 模态【f l 嘲( 图3 6 ( 2 ) ) t 3 导通，t l 、t 2 、t 4 关断f l 时刻，开关器件t 1 关断，电流通路转移至c 1 支路上，电容c ，充电，c 2 放电c l 、q 上电压线性变化，【，。= 軎j 锄，关断 山东大学硕士学位论文 电流将在后文分析。 模态阮f 3 】( 图3 6 ( 3 ) ) t 3 导通，t l 、t 2 、t 4 关断。当c l 上电压高至( j ：i 、q 上电压为零时，电流 支路由c l 转至d 4 ，电流环流，回路中的电流不断衰减。 模态【f 3 f 4 】( 图3 函( 4 ) ) t l 、t 2 、t 3 、t 4 关断。f 3 时刻，t 3 关断，电流由t 3 转移至二极管d 2 。死区 时间，电流减至很小。 后四个过程与前四个过程是对称的，不再详细叙述。 3 5 输出功率、负载频率与驱动脉宽之间的关系分析鳓 假设条件： 假设电路中的所有元器件均具有理想特性： 输入直流电压砜； 输出电压【k 的基波电压u o 超前输出电流的角度为撰+ 丸) ( 如图3 5 ) ( 1 ) 输出功率与驱动脉宽之间的关系 选择适当的时间坐标，将输出电压c k 用傅立叶级数变换为： = 磊。等c o s 等洲七耐+ 争 c 输出电流瓦的傅立叶级数为： 岛2 磊。罱c 等西蝴+ 等+ 九， c 靴， 其中以为七次谐波的电压和电流的相位差，基波阻抗为： z - 姐吖舢去，l z t | 2 囊焉 。- 3 ) 当七= l 时，基波电压有效值：= 兰笋c o s 譬 ( 3 4 ) 山东大学硕士学位论文 基波蜮有她= 箱c o s 譬 ( 3 - 5 ) 有效功率只= c o 圳= 筹耐譬耐( 鲁圳 ( 3 - 6 ) 功率最大值：昂= 筹 功率标么值：每= c o s 2 譬甜唾圳 功率标么值：量= c o s 2 等c o s 2 ( 差+ 九) 1 - ( 3 7 ) ( 3 8 ) 为了更加方便的分析输出有功功率随的变化曲线，我们可以忽略九，但 这并不影响结果分析的正确性即 苦= s 4 詈 ( 3 9 ) 功率标么值随的变化曲线如图3 7 所示。由图可以看出，在户最大时， 超前臂脉宽最小，输出功率最小，功率调节范围很宽。也就是说，超前臂脉宽 与输出功率成正比。 、 、 i 、 。 ”1 ” 1 ”窘 图3 7 输出有功功率随，的变化曲线 ( 2 ) 负载频率与驱动脉宽之间的关系 当七= l 时，基波阻抗为：z l = 盂+ 歹耐一- ，去 础一上 因此有：别= 半 即得：三c 2 一r c 培妒国一l = 0 ( 3 1 0 ) ( 3 一1 1 ) ( 3 1 2 ) 山东大学硕士学位论文 解上式有：m ；三至至犁 枞，：匝擎 串联谐振频率：厶= 云弓瑟 ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 3 一1 5 ) 写值形舭丢= 痧+ 南留譬 伊埘 负载频率标么值随p 的变化曲线如图3 - 8 所示。由图可以看出：在最大 时，超前臂脉宽最小，工作频率远大于谐振频率；随着的减小，超前臂脉宽 逐渐增大，负载的工作频率逐渐减小，当夕= 0 时，超前臂脉宽最大，工作频率 等于负载谐振频率，即：超前臂脉宽与负载频率成反比。 墨 p 、| 气 1 o 7 o 图3 8 负载频率标么值随，的变化图3 - 9 输出功率与负载频率之问的关系图 ( 3 ) 输出功率与负载频率之间的关系 由上面的推导可以得出输出功率标么值与负载频率的关系，如式( 3 一1 7 ) 。 ( 3 一1 7 ) 当工作频率等于谐振频率时，输出功率最大。 山东大学硕士学位论文 由此，我们可以得出：当p = o 时，超前臂工作在全脉宽，工作频率等于谐 振频率，输出功率最大；随着的增加，超前臂脉宽减小，工作频率大于负载 谐振频率，输出功率减小。也就是说，当调节超前臂脉宽时，负载的工作频率 及输出功率都随之变化，所以说，这种控制方法属于p f m p w m 混合调功。 3 6 超前臂关断电流的分析 3 6 1 关断电流的分析 由3 3 节知道，超前臂是在大电流下关断的，通过在开关器件两端并联电 容实现软开关，下面我们分析关断电流，这对后面求解电容值有很大帮助。 当超前臂开关器件工作在全脉宽时，即= o 时，关断电流 = 函s i n 九= 等咖2 九 ( 3 - 1 8 ) 因为九值很小，所以关断电流接近于零。 当 o 时，关断电流 = 强咖( 卢+ 九) = 等c o s 詈c o s 仇+ 争咖泸+ 丸) ( 3 1 9 ) 忽略丸，我们绘出c o s z 昙s i n p 随芦的变化曲线，如图3 1 0 所示。超前臂 关断电流出现先增后减的趋势，当= 6 0 0 时，关断电流值最大。所以在设计超 前臂并联电容时，应采用口= 6 0 。时的电流作为最大关断电流。 、 ， ? 图3 1 0 电流标么值与，之间的关系曲线图 3 l 山东大学硕士学位论文 3 6 2 主开关器件缓冲电容的参数确定l 柏l 缓冲电容的作用是保证i g b t 关断过程中的电压上升接近于零，以减小关 断损耗，该参数的选择具有十分重要的意义。如果太小，则i g b t 关断期间电 压上升比较大，关断损耗大；如果太大，要实现零开关，就必须很大的负载换 流能量，增大器件的通态损耗。 c l ，c 2 的作用是减缓功率器件关断时的掣，当t l 关断后，电容c l 被充电， 电容c 2 放电。因为警= 告，所以降低鲁就是使告减小。 i g b t 的关断分为两部分：一是i g b t 管内部场效应管的关断过程，二是内 部载流子的自身复合过程。整个关断过程曲线可等效为图3 一1 1 电流 厶 i 一 卜f f 叫也l 间 图3 一1 1i g b t 关断曲线图 f l 为电流下降时间，f 2 为电流拖尾时间，关断过程i g b t 上的功耗主要由f l 、 如两段时间决定。设关断电流简化为线性下降，关断时间为如，由器件的关断特 性决定。而为i g b t 关断那一时刻的负载电流。则通过i g b t 的电流为： ，= 厶一生f ( 3 _ 2 0 ) l ， 通过与i g b t 并联的电容电流为：l = f ( 3 2 1 ) g b t 两端电压为：c ，；吉r ，。出= 吉r 等础= 嘉乎 c z z ， 山东大学硕士学位论文 当告很小时，即主回路中电流很小或者并联在i g b t 两端的电容值很大。 在关断后，i g b t 两端电压还没有上升到直流电压砺。i g b t 功耗： p = 寺f 啾= 专f ，嘉乒厶一厶争出= 黔 c 。- z s ， 当告较大时，即主回路中电流很大或者并联在i g b t 两端的电容值很小。 在i g b t 关断过程中，i g b t 两端电压升到直流电压时，i g b t 还没关断。此时 桥臂上另一个i g b t 内反并联二极管导通，设此时时刻为“在i g b t 两端电压 上升至直流电压前，i g b t 两端电压为阢当i g b t 两端电压上升至直流电压时， i g b t 两端电压被钳位在直流电压上。 在0 内i g b t 上的功耗： 尸= ( e 。嘞+ c u a ，出) = 专 岳( 孚每卜，。( 缸+ 别 。2 。 由此可知，当鲁较大时，i g b t 的功耗较大。所以应选择c 在f f 内使i g b t 两端电压上升至，即u 所以嘉导，求得 q 杀= 击 仔z s ， 根据式( 3 一1 9 ) ，我们在求关断电流最大值时，忽略丸，即关断电流 厶= 佤蝴= 等c o s 2 譬s 缸 ( 3 2 6 ) 由数学公式可以求得： 当：6 0 。时，c o s z 昙咖：o 6 5 关断电流取最大值。 山东大学硕士学位论文 由于电容c l 、c 2 在充放电过程中的电压变化为【j ：l ，所以对电容充放电的电 荷量是恒定的。当负载电流小时，电容充放电的时间长，当负载电流大时，电 容充放电时间短。感应加热电源功率较大时，可以通过加大并联电容值实现软 开关，这是优于传统移相的地方。 3 7 新型调功方式p w m & p f m 与p f m 的比较嗍 由于p f m 方式和新型调功方式p w m & p f m 在主电路拓扑结构上是完全相 同的，只是两者的控制方式不同，所以有必要对这两种方法下输出频率和输出 功率的关系进行比较。图3 一1 2 所示为两种控制方式下的频率功率标么值图。 1 0 8 功 亲o 6 釜o 4 o 2 o l q 文 、 |。、， q o 和毛足，d 置哪+ o 。 4 4 整个控制系统传递函数分析【4 】阴嘲脚删【3 i l 【4 2 l 鲫【4 8 】 ( 4 1 7 ) 整个控制系统结构框图如图4 - 6 所示。其中有两个闭环，内部的小闭环是 频率闭环，锁相环跟踪并锁定负载频率；外部大闭环的作用是调节输出功率。 当调节给定值时，通过p i 调节使得反馈电流值达到给定值，由a d 转换将p i 稳定值转化成数字信号，从而调节超前臂开关器件的脉宽，达到调节负载输出 功率的目的。 图4 - 6 控制系统结构框图 控制系统s 域数学模型如图4 _ 7 所示： 图4 - 7 控制系统s 域数学模型 g i ( s ) 、g 2 ( 回、g 么( s ) 、p ( 回分别为p i 调节器、a 巾转换器、锁相环、系统 工作于小感性后负载的传递函数。 其中，g i ( s ) = 墨+ 等，g 2 ( s ) = 勋，p ( s ) = 羔， 4 i 山东大学硕士学位论文 = 郦靠老豢 侔m 系统开环传递函数为： ( 回吲删s 川回p ( 回= 絮等等鬻( 4 _ 1 9 ) i 其中，氏= k 拭p k k m n ，r l = k k 口t 一+ n f + n f t ， r 2 z k 凹k 彬+ k x 帕一l + n ，r = k k 唧 系统闭环传递函数为： g 觯，= 毒舞 泠z 控制系统特征多项式为： 玎j + 置s 3 + c 恐+ 凡墨q ) s 2 + ( 玛+ 胄。墨+ r 岛乇梦+ r 局= o ( 4 - 2 1 ) 根据r o u t h m 哪池判据，系统稳定的条件为： 置如+ 蜀墨f l 啊( 局+ 风k + 心局f 2 ) 蜀职：+ r 墨f 1 ) 2 4 2 f 2 f 1 2 r f ，蜀，r ，墨，马，如 o 4 5 本章小结 本章首先分析了锁相环各个组成部件的数学模型，然后计算出锁相环的传 递函数并分析其稳定性，最后求出整个系统的传递函数及其稳定条件。 山东大学硕士学位论文 第五章主回路仿真波形分析及参数计算 为了高效快捷地完成电源系统的设计，计算机仿真是一种重要的辅助工具。 计算机仿真指的是利用计算机软件建立虚拟模型对所研究的系统进行实验的过 程。由于不受实验条件的制约，大大节省了硬件耗费，缩短了开发周期。通过 仿真可以很方便地进行电路设计、原理分析以及参数整定等等。目前，m 棚。a b 是最常用也是最精确的电源系统仿真软件之一。 5 1m a t l a b s i m u l i n k 软件简介【1 3 】【1 4 】 m a 。a b 是由m a ：r 墩和l a b o r a t o r y 两个单词的前三个字母组合而成，它 最初是由计算数学专家倡导并开发的，现在已成为国际上最为有名的数值计算 软件，也是国际控制界公认的标准计算软件。s d 小，咖【是m 觚l a b 中的一个 系统建模、仿真、分析环境，由于包含了很多系统的模型、仿真工具包，使得 解决各领域的系统仿真问题变得十分方便、直观，现在s d 小矾k 已经成为非 常通用的一个系统建模仿真工具，在很多的工程设计领域中得到应用，例如： 自动控制、数字信号处理、模糊控制以及我们所在的电力系统领域。在 s 小肺 的工具包库t o o u l o x 中有一个p o w e 培y s t e m 工具包( p s b ) ，其中 包含了电力系统领域各种常用的器件、设备、负载、激励源等模型，如此以来 我们对设计或是理论进行仿真验证时就可直接利用其中的模型，通过搭建自己 的系统，验证修改系统参数等完成验证、设计工作。 5 2 仿真波形分析【1 3 】刚p ：】【帅】 5 2 1 输入整流部分仿真【加】 仿真模型由三相电源、输入网侧等效电感、三相电压主电流测量模块( v - i ) 、 三相二极管桥、逆变器等效电阻和滤波电容组成，如图5 1 所示： 山东大学硕士学位论文 图5 - l 整流部分仿真 ( 1 ) 上图中当输入电压为三相3 8 0 v ，5 0 h 乙输入电感为1 0 咄h ，等效电阻5 q ， 滤波电容3 叽f ，得到的输入电流波形仿真结果如图5 2 所示。 图5 2 小电容下的电流波形图5 门大电容下的电流波形 ( 2 ) 将输入直流侧的滤波电容由3 叽f 改为l o o 叩f ，其它工作条件不变，仿真 结果如图5 3 所示。 讨论：当直流侧滤波电容较小时，输入电流波形近似矩形波，功率因数达 0 9 5 ，当直流侧采用较大的滤波电容时，输入电流波形有两个很高的尖峰，功 率因数较低。 5 2 2 逆变静态仿真1 3 2 】【明【3 8 】【4 9 】 首先说明一点，我们在仿真过程中没有考虑电源输出变压器的存在，但是并 山东大学硕士学位论文 不影响系统仿真结果的有效性。 我们首先对系统进行了静态仿真，即认为系统在运行过程中各部分参数不 会发生变化，因此系统逆变器就以固定的负载回路谐振频率进行工作。 仿真模型( 局部) 如图5 - 4 所示( 其中频率跟踪和负载侧部分电压和电流测 试模块没有示出) 模型搭建所需的模块基本都在p s b 中可以找到，逆变器采 用分离器件搭建而成，实际的系统中，逆变桥功率管的触发脉冲来自于负载反 馈后经过锁相环处理后的信号，在仿真中搭建了利用负载反馈而产生功率管驱 动信号的予系统，即图中的s u b s y s t e m 模块。m a l l 。a b 仿真中我们采用m o s f e t 开关器件代替i g b t ，是因为