基于DSP的三相高頻逆變器

李 維，陳輝明

(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，對(duì)電源的輸出頻率、工作可靠性和效率等方面的要求進(jìn)一步提高[1]。在高頻逆變器工作過(guò)程中，為了改善電源質(zhì)量、提高電源效率，常常使用串聯(lián)諧振式的補(bǔ)償方案，使逆變器工作在功率因數(shù)等于或接近于1的諧振或準(zhǔn)諧振狀態(tài)，要求逆變器能自動(dòng)跟蹤負(fù)載的固有諧振頻率[2]。傳統(tǒng)的鎖相環(huán)通常采用集成芯片CD4046，但是以CD4046控制芯片為控制單元的系統(tǒng)存在著一定的不足[3]，PLL電路可能會(huì)出現(xiàn)失鎖的現(xiàn)象。

電磁抹拭(EMW)裝置尚處于研發(fā)階段，本研究根據(jù)電磁抹拭的技術(shù)機(jī)理[4]，提出三相高頻逆變器的解決方案，采用串聯(lián)諧振式的補(bǔ)償方式，設(shè)計(jì)以數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28035為核心的閉環(huán)控制系統(tǒng);同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的制作與實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證控制方案設(shè)計(jì)的正確性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本研究基于電磁抹拭裝置而提出的三相高頻逆變器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[5-8]。

圖1 三相高頻逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)主電路主要包括三相AC/DC不控整流橋，電壓型三相逆變橋，負(fù)載高頻匹配變壓器T，諧振電容C以及三相負(fù)載感應(yīng)線圈L。逆變器選用英飛凌公司的IGBT模塊?？刂齐娐分饕〝?shù)字信號(hào)處理器DSP TMS320F28035核心的控制電路，信號(hào)采集與調(diào)理電路以及PC929光耦隔離觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路。

2 控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

高頻逆變器工作在容性狀態(tài)時(shí)，特別是在開(kāi)關(guān)管大電流關(guān)斷的情況下，二極管的反向恢復(fù)會(huì)比較嚴(yán)重，在橋臂間的引線電感上引起很高的Ldi/dt，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管過(guò)壓擊穿，因此，這種情況會(huì)極大的降低電源的可靠性。而工作在感性狀態(tài)時(shí)，二極管自然換流，IGBT在零電流下開(kāi)通，開(kāi)通損耗較小[9]。

基于以上情況，本研究設(shè)計(jì)的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

傳遞函數(shù)框圖如圖3所示。

圖3 傳遞函數(shù)框圖

逆變器主控制方式采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)，電流環(huán)與內(nèi)部數(shù)字鎖相環(huán)。逆變器輸出高頻電流經(jīng)過(guò)采樣調(diào)理電路得到A相輸出電流幅值Iao，給定電流值If與Iao的差得到輸出電流誤差信號(hào)，經(jīng)過(guò)控制器Gc1(s)，限幅輸出作為相位內(nèi)環(huán)的相位給定值θf(wàn)。內(nèi)部鎖相環(huán)采用平均值鎖相方式，即將輸出電壓相位脈沖信號(hào)移相90°，與輸出電流脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)異或門輸出，經(jīng)濾波之后得到相位信號(hào)θa，θf(wàn)與θa的差得到相位誤差信號(hào)，經(jīng)過(guò)控制器Gc2(s)，限幅輸出給壓控振蕩器(VCO)，輸出脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

為了使三相都工作在感性狀態(tài)，本研究在雙環(huán)的基礎(chǔ)上添加了一個(gè)限相環(huán)。限相環(huán)的工作原理如下:隨著逆變器輸出頻率的降低，輸出電流增加，當(dāng)任何一相的相位信號(hào)即將進(jìn)入容性狀態(tài)或超出了限相值θmax時(shí)，限相環(huán)輸出θL，使逆變器的輸出頻率增加，直到電路達(dá)到新的平衡，從而有效地防止逆變器進(jìn)入容性狀態(tài)。

電路正常工作過(guò)程如下:電路啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)工作在最大頻率，逆變器輸出三相電壓，電路幾乎工作在全感性狀態(tài)，此時(shí)輸出電流很小。當(dāng)增大給定電流參考并超過(guò)輸出電流幅值時(shí)，經(jīng)過(guò)雙環(huán)作用，使系統(tǒng)的輸出頻率降低，輸出電流增大，直到電路任何一相工作在諧振或準(zhǔn)諧振狀態(tài)，此時(shí)輸出電流達(dá)到最大值;反過(guò)來(lái)，當(dāng)給定電流參考減小并低于輸出電流幅值時(shí)，系統(tǒng)的輸出頻率增加，使輸出電流減小，直到輸出頻率為系統(tǒng)固有輸出頻率最大值，此時(shí)電流達(dá)到最小值。

2.1 控制器設(shè)計(jì)與數(shù)字化

本研究的控制器設(shè)計(jì)采用PI控制器，為了在DSP中實(shí)現(xiàn)該算法，本研究采取雙線性變換[10]對(duì)補(bǔ)償器進(jìn)行離散化。對(duì)于PI控制器，有:

在該設(shè)計(jì)中控制器參數(shù)如下:

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用TMS320F28035中的EPWM模塊產(chǎn)生6路IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)，三相驅(qū)動(dòng)信號(hào)互差120°，由死區(qū)控制寄存器實(shí)現(xiàn)死區(qū)控制。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

本研究根據(jù)如圖1所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并制作了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，部分參數(shù)如下:輸入電壓為三相交流電220 V，額定輸出功率10 kW，系統(tǒng)諧振工作頻率為33 kHz。逆變器輸出電壓、電流波形如圖5所示。

圖5 輸出電壓電流波形

從圖5中可以看出，當(dāng)三相負(fù)載不平衡時(shí)，通過(guò)限相環(huán)的作用，當(dāng)B相達(dá)到準(zhǔn)諧振狀態(tài)，即B相相位被鎖定在限相值，系統(tǒng)的諧振頻率不再降低，A、C相工作在感性狀態(tài)，此時(shí)IGBT零電流開(kāi)通。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)并制作了一臺(tái)三相高頻逆變器，根據(jù)串聯(lián)諧振式負(fù)載的特性，提出了采用DSP作為核心控制芯片的數(shù)字控制方案，并詳細(xì)給出了其控制策略。

理論研究與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制策略實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，能有效地跟蹤負(fù)載的諧振頻率，并且實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電流開(kāi)通;系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能有效調(diào)節(jié)逆變器的輸出功率，是一種比較實(shí)用的解決方案。

該方案可以為相關(guān)的系統(tǒng)研究提供參考。

[1]CHEN M P，CHEN J K R，MASATOSHI N，et al.Surge analysis of induction heating power supply with PLL[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2001，16(5):702-709.

[2]毛 鴻，吳兆麟.感應(yīng)加熱電源無(wú)相差頻率跟蹤控制電路[J].電力電子技術(shù)，1998，32(2):69-72.

[3]OKUNO A，KAWANOH，SUN J，et al.Feasible development of soft-switched SIT inverter with load-adaptive frequency-tracking control scheme for induction heating[J].IEEE Transactions on Industry Applicatons，1998，34(4):718.

[4]沈淦榮，楊逢瑜，徐志茹，等.管材熱浸鍍鋅磁場(chǎng)力抹鋅的技術(shù)機(jī)理[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，23(1):100-102.

[5]王 英，陳輝明，張仲超.感應(yīng)加熱諧振電路新拓?fù)淠Ｐ脱芯縖J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2005，39(11):1807-1810.

[6]BAYTNDTR N S，KUKRER O，YAKUP M.DSP-based PLL-controlled 50-100 kHz 20 kW high-frequency induction heating system for surface hardening and welding applications[J].IEE Proceedings Electric Power Applications，2003，150(5):365-371.

[7]林渭勛，現(xiàn)代電力電子電路[M].浙江大學(xué)出版社，2002.

[8]吳兆麟，袁俊國(guó)，于 非.高頻感應(yīng)加熱裝置的負(fù)載匹配方法[J].電力電子技術(shù)，1999，33(4):29-32.

[9]AHMED N.High frequency soft switching AC conversion circuit with dual mode PWM/PDM control strategy for high power IH applications[J].IEEE Transactions on Industry Electronics，2011，58(4):1440-1448.

[10]方 斌.控制系統(tǒng)中的雙線性變換研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，31(2):192-195.