高頻感應加熱電源的鎖相控制

1??? 概述

??? 由于感應加熱電源是熱處理的重要設備，其控制方案歷來備受關注。由于熱處理現場作業條件復雜，干擾因素較多，在設計時要盡量減少干擾源和減弱或消除外界干擾對系統的影響，因此，根據實際情況控制方案不停地在改進中。

??? 感應加熱電源逆變器按其負載補償電容所處的位置不同，可分為電流型逆變器和電壓型逆變器。電流型逆變器具有電路結構簡單，電源運行可靠，對負載適應能力強及過流保護容易等優點，圖1即是電流型逆變電路的拓撲。對于電流型電路而言，首先要防止逆變器的瞬間開路；其次是選取適當定時或定角的超前觸發方式；最后，要求逆變器具有較寬的啟動頻率范圍。

圖1??? 電流型感應加熱電源拓撲

2??? 控制方案的原理和改進

??? 逆變器的控制框圖如圖2所示。其中V_o為逆變器的輸出電壓信號，經過峰值檢測，與控制給定值比較產生切換裝置的切換信號X₁，當X₁為高電平時，切換裝置輸出信號X₂與它激信號接通，逆變器工作在它激狀態，控制信號從它激信號發生器發出，電路工作頻率固定，且由它激信號發生器控制；當X₁為低電平時，X₂與自激信號接通，逆變器工作在自激狀態，電路工作頻率由負載本身的固有頻率決定。根據鎖相環的閉環濾波功能，在鎖相環反饋電路中進行延時，用來補償系統的固有延遲，調節延遲時間t_d，逆變器既可以工作于感性狀態，也可以工作于容性狀態。

圖2??? 逆變器控制電路框圖

3??? 逆變器瞬間開路的防止與轉換的平滑過渡

??? 以全控型器件作為開關的逆變器的控制通常采用他激轉自激的控制策略，即在開機或是負載電壓低于閾值V_co時采用開環的定頻控制，工作于他激狀態；而當輸出負載電壓大于閥值V_co時進行自動切換，使逆變器工作于頻率閉環,跟蹤負載頻率的變化。

??? 但是這種控制方案存在這樣的問題：由于它激信號和自激信號不可能總是同步的，因此，在切換過程中多數情況下會產生窄脈沖（低電平），這個窄脈沖不可避免地造成逆變器的瞬間開路；另外，現場的實際運行環境較差，通常都是在惡劣的電磁環境中工作，這種控制方案對于外界的抗干擾性能很差，不能滿足系統的抗干擾的要求。

??? 針對這種情況,在切換電路后級插入一個鎖相濾波電路，用以濾除在轉換時產生的窄脈沖，同樣，這種電路對外界干擾產生的尖峰也有很強的抑制能力。圖3給出了關鍵點X₁及X₃在切換前后的波形。從圖3中可以看出，由于鎖相特性，切換過程中的窄脈沖被鎖相環濾掉了。圖3中1路為X₁的波形，2路為X₂的波形，3路為X₃的波形。

圖3??? 控制電路切換波形

??? 圖4給出了逆變器的輸出端電壓在由它激切換到自激時的波形。圖5給出了逆變器從自激轉到它激時的波形圖。由這兩個波形可以看出，切換過程是一個平滑過渡過程，和圖3對比可知，系統的穩定性大大提高，前級窄脈沖被鎖相電路濾除了。

圖4??? 它激轉自激時輸出端電壓波形

圖5??? 自激轉它激時輸出端電壓波形

4??? 精確定時的實現

??? 由于逆變器輸出引線電感的存在，為減小逆變管的電流電壓應力，一般要求逆變器工作于容性換流狀態。這就要求在槽路電壓過零之前的某個時刻（某個角度）換流。這就把控制電路分為定時和定角兩種觸發方式。本控制電路中采用定時觸發方式。

??? 在傳統的中頻感應加熱電源中，定時觸發方式一般是由槽路的電壓和電流合成信號來實現的。這種電路的定時是近似的。而在超音頻感應加熱中，由于控制電路的固有延遲的存在，使這種近似不再成立。所以，采用電壓和電流合成的定時觸發方式，超前時間會隨著槽路諧振頻率，輸出電壓幅值的變化而變化。

??? 利用在鎖相環的反饋電路中插入延遲環節，一方面補償了控制系統的固有延遲，另一方面可以獲得精確的超前觸發時間。顯然，控制電路中的這個延遲環節的時間常數與槽路諧振頻率和電壓幅值是相對獨立的。

5??? 結語

??? 通過實驗驗證和后來的現場超音頻感應加熱電源的實際運行效果來看，這種控制電路具有較強的抗干擾能力和平穩的轉換能力，恒定的超前觸發時間，和較大的啟動范圍。