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1、一、 中频电源综述及应用The brief introduction of the Mid-Frequency power systems andthe application in the industries.1.1、中 频 电 源 的 简 介 ( the brief introduction of the mid-frequency power system)中频电源是一种静止变频装置，将三相工频电源变换成单相电源。 对各种负载适应力强、适用范围广，主要应用于各种金属的熔炼、 保温、烧结、焊接、淬火、回火、透热、金属液净化、热处理、弯 管、以及晶体生长等。1.2、基本参数(The bas
2、ic parame ter i nt he mid-frequency power system)标准输出功率系列为：30kW4000kW标准配置熔炼炉系列为： 5kg(30kW)5000kg(4000kW)标准振荡频率系列为： 400Hz10kHz1.3、工作原理(The major opera ting principle)中频电源的工作原理为：采用三相桥式全控整流电路将交流电整流为直流电，经电抗器平波后，成为一个恒定的直流电流源，再经单相逆变桥，把直流电流逆变成一定频率(一般为1000 至 8000Hz) 的单相中频电流。负载由感应线圈和补偿电容器组成，连接成并联 谐振电路。W5 护 J
3、| * CTAVci. uT!HJY控制板BX&A说明：负栽不用倍压时， 虐线框内的C2不按, 12和j连崔一起*称中频电源原理图型 号tCPS-KB KHZDD6A1唐山审去电护Hit有爪公耳M：fa：-sjsj 3)a|十司彳5j21.4、研究现状(The modern status of the research)相对而言比较成熟，但是随着对控制精度的要求，和资源 节约的考虑，减少对电网的损失等，还是有很大的开发空间1.5、主要故障及排障 (The main obstacles and solutions to handle)实物介绍：http:/ outlook of the rese
4、arch)数字信号处理在加热系统中的应用二、 主要的技术难点(The main t echnique obs taeles)2.1、加热装置的阻抗匹配( The matching impedance in the heating system)中频感应加热装置冷状态起动性差，加热的功率低，是目前中频电源加热装置普遍存在的主要问题，未来改善冷态阻抗匹配，提高加热功率，分析了造成初加热功率小的原因及其对中频电源的危害，得出了中频感应装置从低温到高温的加热全过程中负载特性的变化规律及负载阻抗与工件电阻和 谐振电容之间的关系。2.2、启动电路(St ar ting circuit)晶闸管中频电源的难点
5、在于起动，即在电源正常工作前如何使频率跟踪电路获得正确的槽路谐振频率信号。传统的中频电源，起动方式采用预充磁、预充电方式电路复杂、起动成 功率低(一种新型晶闸滤起动电路)2.3、 系统有基波延迟，因而动态性较差( The system has a relativelydelayin thefirstharmonic,thus thelack of the dynamic characters)某些 400Hz 的中频电源广泛的应用于各个领域，其中恒 压恒频的PWM逆变电路是整个中频电源的系统核心，对于整个中频电源的供电起着决定性的作用。然而采用单一的波形控制技术往往不能得到高质量的输出电压波形
6、。总体而言，随着负载的变化，当负载的非线性较强时，电压的总畸变率较高，系统很难有一个复合稳定的电压输出，在要求较高时很难满足要求。加热电源调功方式比较(Comparing Power Modula ti on Way ofSome Induction Heating Power)3.1、调压调功调压调功就是通过调整整流电路输出电压或电流的大小来调整负载功率负载就通过锁相措施让其工作在谐振或者接近谐振的 工作频率处。调整整流电路输出电压或电流的方法一般有下面两种一是在 整流部分采用全控器件整流二是整流部分采用不控整流得到的电 压用斩波器进行调压。调压调功电路简单成熟，控制比较方便，但是它的功率因
7、数比较低，动态响应响应较慢。近年来随着开关器件的大规模的发展 斩波调压被不断的应用于开关电源中，具有电压转化频率高，易 保护，但是整机的效率和可靠性可能会降低。器件处在大电流开 关的条件下工作，对器件要求很高，相对损耗较大。3.2、调频调功供给负载使用的交流电压直接由逆变桥中的功率器件的触发脉冲所决定脉冲的频率就决定了输出电压的频率在负载等效参数R L 和 C 一定的情况下负载阻抗随逆变器频率变化而变化。主要的优点：调功部分不需要调压环节，简化了设备，降低了成本。主要的缺点：i 整个整流部分采用不控整流，逆变原件承受了较高的浪 涌电压和浪涌电流：ii由于负载自身的一些因素不能良好适应大范围的频
8、率 变化，只有在负载的 Q 值比较高或者功率调解范围不 大采用这种方法才比较好；iii 在高频低负载情况下换流时会出现开关器件的拖尾电流或者二极管的反向电流比较大，产生的开关损耗 比较明显，另外调频调功的功率因数一般都不高效率 比较低。3.3、脉冲密度调功脉冲密度 PDM 调功方法是通过控制逆变桥中的开关器件的脉 冲密度从而控制逆变桥的工作状态，实际上就是控制向负载馈送 能量的时间来控制输出功率。脉冲密度调节具有以下的优点：输出频率基本不变，开关损耗相对较小，易于实现数字化控制，比较适用于开环工作场合。同样由于工作原理，脉冲密度调节的缺点也是十分明显的：由 于逆变桥输出功率的频率不完全等于负载
9、的自然谐振频率，所以在需要功率闭环的场合中，工作稳定性较差。另外一个缺点就是 功率调节特性不理想呈有级调功方式，因此这种方法不太常用。3.4、脉冲宽度调功脉冲宽度调功是通过控制逆变桥功率器件的触发脉冲的开通 相位来进行调功，调压原理是通过调节逆变桥移相桥臂触发脉冲 信号与定相桥臂触发脉冲信号之间的相位差而改变输出电压脉 宽，输出电压与输出电流之间的相位差就是移相桥臂脉冲信号与 定相桥臂脉冲信号之间的相位差，逆变桥电路和桥臂各开关脉冲 波形及输出电压波形（分别为感性负载和容性负载）如图三所示。图三脉宽调制调功控制原理及波形脉宽调质调功方式克服了相控调压和斩波的缺点，但是它自身也存在一些缺点，桥臂
10、开关在工作时属于硬开关状态，而且频率的跟踪不易实现，负载不易保持工作在谐振频率附近。近年来随着软开关技术的发展，逐渐有了相应的方法，通常采用移向角和开关器件频率同时调整的方法，具体方法就是通过调整开关的频率，令锁相锁定输出电流的电流与定向桥臂驱动信号趋于零，让定相臂工作在零开通零关断状态，调功就是通过移向角来实现， 也就是 PFM-PWM。四、常见的控制算法(The major control algorithm used in thesystem)4.1、PID控制、Smith算法、达林算法在集肤效应电伴热系统 中的应用，其中PID算法在中频电源中有着广泛的应用。现在重点讲述PID控制，现在
11、随着大功率开关器件的发展，在逆变电路中利用开关器件进行开关的逆变方式比较的普遍，是通常晶闸管中频电源仅采用简单的限流、限压单闭环控制方式，其动态响应较慢、超调量大、起动时间长、稳定性较差，而且不能克服电同波动和负载扰动的影响这样就大大降 低了中频电源的可靠性，影响了其运行性能，限制了它的应用 和发展。PID控制算法具有数字化调节功能、控制线路简单、参数调整方便、适应范围广、调节品质好等优点通过仿真研究和实际运行均取得了良好的效果。双闭环中频感应加热电源4.2、复合控制基于DSP的复合控制策略，主要针对的是非线性负载情况 下输出电压总谐波畸变率较高的问题，但由于它在控制上有 一个基波周期的延迟，
12、所以动态特性较差：而多环反馈控制恰 恰弥补了这一缺陷。提出了一种将重复控制技术和多环反馈控制技术相结合 的单相PWM逆变器的复合控制策略。这样两种控制策略扬长避 短，互相渗透，能更好地满足中频电源对高品质输出电压的要 求。基于以下的逆变控制模型： 查阅文献400Hz中频电源复合控制策略的研究4.3、模糊神经网络控制，非线性惯性系统（中频电源只能控 制系统的研究）针对非线性、惯性控制系统的动态控制方法，基于模糊神 经网络的智能控制算法。比较常见的 PID 控制方法是以建立精确的数学模型为基 础的，由于中频感应加热属于惯性环节，而且受负载的影响较 大，同时在系统中还存在着参数时变性、结构非线性等因
13、素， 很难建立精确的数学模型，所以采用估算模型应用PID控制算 法，即用线性代替非线性，不能对系统的输出进行精确的控制。控制器局域网的设计CAN的设计4.4、模糊PIC控制器开关电源的电压控制系统是较复杂的非线性系统，由于电源所带负载千变万化。难以建立精确的数学模型，用常规PID 控制器不能达到理想的控制效果。图2电流传感餐卜 电压传感器k主要的控制策略：在大偏差范围内采用Fuzzy控制，在小偏差范围内 转换成数字PID控制，两者转换由单片机按事先给定的偏差范围k自 动实现。这样受控制系统不仅具有较快的动态响应、更小的超调，并 且具有较高的稳态精度。模糊PIC控制器在中频电源中的应用五、 调研结论中频电源广泛的应用于各个产业，生产早已模式化，很多原理 已经写进教科书，相关技术相当的成熟。但是随着近年来对于资源节约的需求，以及负载应用的广泛 性，整个系统还是有很大的改进空间。控制算法的改进，针对多变的负载（主要是非线性的负载，传 递函数不易得出）；硬件电路的实现的可靠性，减少故障和安装的困难；IGBT 等开关器件性能的改进，减少对电网的冲击；控制核心的选择：51 到 AVR/ARM 都有，再到现在技术新兴的DSP在这方面的应用，如何进行最优的选择；
