感应加热变频电源的频率跟踪.doc

膃感应加热变频电源的频率跟踪袁田志明王志红螈蒄摘要:感应加热用变频电源是由整流、滤波、逆变及谐振负载电路组成,本文论述和分析了感应加热电源的逆变和负载工作中的频率跟踪技术,对不同的方法实现锁相环与频率跟踪的工作原理和优缺点论述的比较清楚,并展望了这项技术的发展未来。蚃关键词:感应加热、变频电源、频率跟踪、锁相环。,感应加热方式越来越受到人们的重视,其特点是以电为能源,通过电磁感应的原理对金属工件进行熔化、透热、表面淬火等加热。感应加热环保、节能、自动化程度高。工业感应加热装置主要由变频电源和感应炉组成。变频电源的作用是依靠电力电子功率器件,对50Hz的电网工频电源进行整流、滤波、然后再逆变为需要的频率。变频电源也叫感应加热电源,输出端负载接并联、串联、或串并联谐振电路。逆变输出频率工作在槽路谐振电路的固有频率f0附近,是负载电路有一个高的效率和较好的功率因数。但是,金属在加热过程中,由冷态到热态电阻是变化的,磁性金属材料过了居里点后,失去磁性,谐振等效参数变化较大,为了能使逆变输出保持和槽路的谐振频率变化一致,必须在感应加热变频电源的逆变控制电路设计有频率跟踪电路,由于各种跟踪方法的不同,形成了逆变跟踪控制技术。,现在在感应加热电源上应用比较普遍。锁相环也简称PLL。其主要有三个基本单元构成,即鉴相器PD、压控震荡器VCO和低通滤波器LPF。PLL的基本结构见图1所示薆羅图1压控振荡器结构框图示意蒁肂PLL的工作原理:输入电压与输出电压通过鉴相器对两个相位进行比较。形成相位误差电压‘,这个误差电压再经过低通滤波后得到控制电压Ud,控制电压的大小决定了压振振荡器产生的频率高低的偏移大小,这个新的频率偏移信号再次和输入信号进入鉴相器比较,形成新的误差电压及滤波后Ud控制电压,直到进入鉴相器的两个信号相同,输出误差电压=0,控制电压Ud=0,从而实现了输入信号频率和输出信号频率相同,锁相环实现了锁定,这实质就是频率跟踪过程。蚈能够实现锁相环功能的集成电路很多,下面仅以国内常用的集成锁相环芯片CD4046为例分析频率跟踪电路技术。4046芯片内集成有2个鉴相器,即PD1和PD2,压控振荡器,外接低通滤波器。按一定的电路接法能组成一个锁相环电路,对负载电流进行频率跟踪。见图2所示。莇膅图2CD4046组成的锁相环频率跟踪电路蕿感应加热电源输出到负载电流的为,经过LEM传感器采样后,送入到过零比较器LM339,变成方波信号,送入到CD4046的14脚,内部接PD2的输入端,PD2的输出端13脚外接R3、R4、C2构成低通滤波器,滤波后的信号输入到9脚,9脚内部接的是压控振荡器的输入端,压控振荡器的输出端为3脚,由3脚输出的信号分为两路,一路接3脚,3脚内是PD2鉴相器输入,另一路去驱动逆变器的功率开关器件,这路是负载电压信号。当负载电流与负载电压信号相位差为零时,锁相环进入锁定状态,频率跟踪实现。PD2由逻辑门控制的四个边沿触发器和三态输出电路组成,为0o相移,并与脉冲的占空比无关,常选用鉴相器PD2来实现无相差的频率跟踪。蝿电源工作中,负载的等效参数发生变化而引起固有频率f0变化时,由于锁相环有一定范围频率的锁相宽度,这个宽度覆盖了f0的变化范围,锁相环一般不会失锁,所以频率始终是能够跟踪的。蒅无论负载是串联谐振还是并联谐振电路,开始工作时,槽路都有一个起动过程。串联谐振感应加热电源一般设有它激到自激的起动的电路。图2中起动过程是这样的,电路开始起动的瞬间,Cs可视为短路,端9脚加电源电压,压控震荡器VCO输出最高频率;伴随着Cs的逐步充电,9脚的电压逐步降低,VCO的输出频率也由最高向最低频率变化,若槽路的固有谐振频率f0在最高和最低频率间,则会激发负载频率振荡,而这个振荡的频率一但被传感器采样后,进入鉴相器被俘获,负载的频率会被锁相环跟踪,这时槽路谐振起动完成。VD1是把起动电路和滤波电路隔离。薄并联谐振电路起动难于串联谐振起动。目前流行着一种扫频起动方式,这种方式是在4046的9脚前加上一个电压由高到低的变化,当到达地电位时,再一次由高到低电压变化,加到9脚上,接4046内部的VC0,从而使输出端频率由高到低一遍一遍扫描,直到并联负载电路起动才停止。见图3所示电路。荿薆图3并联谐振扫频起动和锁相环电路薄工作原理:IC19C和外围元件组成了积分电路,当电源接通时,W6的活动端会有一个分压,相当于在积分电路的输入端加入了一个电压阶跃信号,使IC19C的输出电压按照积分规律变化。这个信号通过VD68正极大于负极电压时输出一个脉冲,宽度由积分时间常数决定。扫描电路由IC19B和其外围元件组成,这个扫描发生器工作过程具有PI(比例积分)的输出特性,电路在