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IGBT并联型逆变器定角控制的研究.doc

IGBT并联型逆变器定角控制的研究

lu光瑞
2017-09-26 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《IGBT并联型逆变器定角控制的研究doc》,可适用于综合领域

IGBT并联型逆变器定角控制的研究IGBT并联型逆变器定角控制的研究第卷第期年月电力科学与工程ElectricPowerScienceandEngineeringVNoFebIGBT并联型逆变器定角控制的研究王永星,彭咏龙,李亚斌(华北电力大学电气与电子工程学院,河北保定)摘要:针对感应加热过程中谐振频率不断变化的问题,在分析传统锁相环频率跟踪的基础上,提出了一种锁相电路与定角控制相结合的逆变器频率跟踪方法以MatlabSimulink为仿真工具,对提出的定角控制方法进行了仿真验证,仿真表明该定角控制方法是可行的,能够快速跟踪负载频率变化,保持功率因数角恒定关键词:并联型逆变器频率跟踪定角控制中图分类号:TM文献标识码:A引言在固态感应加热中,随着逆变电源功率的输出,负载温度将发生变化,使其等效参数也随之发生变化,从而引起负载固有谐振频率的改变为了使并联型逆变器安全工作同时保证负载有较高的功率因数,并联型逆变器应工作在小容性状态下因此研究其锁相技术非常必要目前普遍应用的锁相控制方法有定时控制方法和定角控制方法定时控制方法虽然可以保证逆变器始终工作在容性状态,但随着加热的进行,负载谐振频率随之上升,在保持超前时问一定的情况下,负载的功率因数角也会变化,从而使输出电压过高造成逆变器不能工作在最佳状态本文对锁相控制原理进行研究分析,提出了一种定角锁相控制方法,实现了工作频率的自动跟踪,同时保持功率因数角恒定IGBT并联型逆变器拓扑结构固态感应加热电源有两种基本电路拓扑结构:串联型和并联型并联型逆变器具有对功率器件的容量要求较低,逆变桥易并联扩容,对负载适应能力强等优点IGBT的开关速度可以满足kHzD下的电源要求,同时具有输入阻抗高,驱动功率小,通态损耗低等优点,超音频与中频电源多采用IGBT并联型逆变器,如图所示图并联谐振逆变器电路结构FigCircuitstructureofparallelresonantinverter设备工作时,三相工频电流经整流器整流,滤波器滤波后,成为平滑直流送到逆变器这里整流部分用电压源代替逆变器的输出电流为近似方波,电压于正弦波由于滤波电抗的电流是连续的,为了可靠换流,必须保证逆变器上下桥臂在换流时,是先开通后关断,即在换流时IGBT脉冲有足够的重叠时间并联型逆变器有种工作状态,其负载谐振频率为,()~LC收稿日期:作者简介:王永星(一),男,硕士研究生,研究方向为电力电子与电力传动,Email:qqtom电力科学与工程正()当ffo时,负载工作在感性状态此时负载电流相位滞后于电压相位再换流时由于IGBT是在大电流状态下强制关断的,所以IGBT两端会形成尖峰电压,有可能造成器件的损坏()当f=fo时,负载工作在谐振状态这是一种理想的工作状态由于电路杂散参数,锁相环的精确度和负载的变化时,这种工作状态很难达到()当ffo时,负载工作在容性状态,此时负载电流相位超前于电压相位,换流过程会在即将开通的功率器件中引起电流尖峰,但由于直流侧滤波电抗器的限流作用,保证了功率器件的安全因此,容性工作状态是一种良好的工作状态,在实际运行中,也是可靠的一传统的频率跟踪技术传统的相位跟踪技术,采用CD集成锁相环PLL电路,主要由鉴相器PD,外接R,C无源低通滤波器LPF和压控振荡器VCO组成鉴相器是相位比较装置,故有时也称为相位比较器或相敏检波器它把输出信号u和输入信号"的相位进行比较,产生对应与两个信号相位差的误差电压低通滤波器的作用是滤除误差电压中的高频成分和噪声,以保证环路所要求的性能,增加系统的稳定性压控振荡器受控制电压的控制,使压控振荡器的频率向参考信号的频率接近,即使差拍频率越来越低,直到清除频率差而锁定J其电路原理框图如图所示输入图锁相环结构框图FigSchematicdiagramofPLL定角控制的逆变器频率跟踪号定角控制工作原理定角控制原理框图如图所示改进的锁相控制方法是在传统控制电路的基础上加PI调节器经过低通滤波器滤波的相位差信号与加在PI调节器上的相角锁定电压相互比较,通过PI调节进行相位的校正PI调节器在负载谐振频率变化时能够快速调节逆变器脉冲频率,从而提高锁相环节的控制精度和动态性能通过相角锁定设置,当环路锁定时可以使逆变器电流超前电压一个恒定的值,保证了逆变器工作在小容性状态下此锁相控制方法在逆变器负载动态变化的过程中,既实现了对频率的快速跟踪,又实现了功率因数角的恒定控制图定角控制原理框图FigSchematicdiagramoffixedanglecontrol逆变控制仿真模型的建立本文利用MatlabSimulink建立了主电路和控制电路模型,并对定角控制原理进行了仿真,使逆变器工作在小容性状态控制模块电路介绍锁相控制模块如图所示在该模块中,由异或门鉴相器PD,低通滤波器LPF,比例积分器,压控振荡器VCO,分频器等构成锁相环由于在启动工作以前,负载端是没有输出的,也就无信号可取,逆变器IGBT得不到脉冲,所以必须附加启动电路为此,设计了它激转自激模块启动时,系统按它激工作,当负载电压达到一定值后,再转成自激状态这种方法要求它激信号频率接近并略高于负载振荡频率,否则启动不会成功这种启动方式对于用在具有自关断能力的器件(如IGBT)作逆变桥臂电子开关的逆变器来说,是一种最理想的方法"首先通过电压互感器取负载侧电压信号,然后经过过零检测装置进入鉴相器PD鉴相器采用异或鉴相,要求两输入信号占空比为的方波当两信号锁定时,其相位相差为因此,第期王永星,等IGBT并联型逆变器定角控制的研究l图并联谐振逆变器锁相控制仿真模型FigSimulationmodeloffixedanglecontrolofparallelresonantinverter鉴相器的另一端输入由分频器输出信号OUT(经过移相的一路信号),然后经过相位补偿得到鉴相器输出为代表一定相位关系的电平信号,经过低通滤波器LPF滤波后与设定好的相角锁定值(负载电流超前电压)进行比较得到相位误差,再经过一个PI调节器进行相位的锁定通过其中积分器的作用保证了系统的无差调节,将设定好的相位精确地定位PI调节器输出的电平进入压控振荡器VCO来控制逆变器的工作频率仿真结果分析基于此仿真模型,对并联谐振逆变器进行了工作全过程的定角控制仿真图为压控振荡器输入电压波形,图(a),(b)分别为负载谐振频率变化前后稳态时的电流,电压细化波形在图可以看出,在ms左右时负载电压上升到一定值,进行它激转自激仿真中它激初始频率为kHz负载在ms时发生突变,其固有谐振亩llOOOOts图压控振荡器输入电压仿真波形FigSimulationwaveformsofVCOinputvoltage频率由kHz变为kHz在定角控制电路的快速调节下,负载电流和电压在ms达到了锁定的定角状态,这表明该电路对负载的变化有很快的反应能力宙建O(b)图负载电流,电压波形FigSimulationwaveformsofloadvoltageandcurrent电力科学与工程焦硬件实现锁相环CD锁相环CD主要有相位比较I,,压控振荡器(VCO),线性放大器,源跟随器,整形电路等部分构成本文鉴相器采用比较器I,比较器I为异或门结构,当频率与相位锁定时,比较器I的两输入信号保持O的相位差图为比较器I的输入输出波形jn厂图鉴相器输入,输出波形FigWaveformsofinputandoutputofPD移相O利用D触发器搭建的电路实现了分频并且移相功能图中脚外接压控振荡器的输出,脚信号接驱动脉冲形成电路,l脚信号通过延时电路送往鉴相器输入端通过此电路,脚与l脚正好是占空比为,相位相差的方波囤移相电路FigPhaseshiftcircuitPI调节器为了实现无相位差跟踪,引进比例积分环节(PI)如图所示图中U,为外加偏压,用于控制输入输出信号的相位差当外加偏压为V时输出信号与输入信号在锁定时频率相同相位差为调整电压则可实现负载电流相位与电压相位差为,即小容性状态其输出信号与输入信号的传递关系为=(一~lUi(UiU图PI调节器FigPIregulator图中图(a)是PI调节的输入电压波形,图(b)是信号经过PI调节的波形当ms时,逆变器输出频率偏低,即电流相位滞后电压相位过大,则鉴相器输出信号的占空比变小,滤波后的电平值随之减小,这一电平进人反向型比例积分电路,根据PI调节器的特性,所出现的相位差信号使PI调节器的输出电压增加,从而又进一步使压控振荡器的输出频率升高,将过大的相位滞后角拉回原来的设定值,使逆变器工作在一个良好的闭环状态合适设置与C参数,完全可以达到理想状态r,s(b)图OPl调节器输入输出波形FigWaveformsofinputandoutputofPIregulator实验与结论根据上述理论并在大量实验基础上,制作了一台kWkHz的感应加热电源图ll为经第期王永星,等IGBT并联型逆变器定角控制的研究过PI调节的负载工作波形此时逆变器输出电流是幅值为A的方波,电压是幅值为V的正弦波,工作频率为kHz'一一一:,厂,A,厂l||!,h『厂:IlJL,f,{一一,j=一…jf(S格一)图负载电压,电流波形FigWaveformsofloadvoltageandcurrent实验证明,基于PI调节的频率自动跟随技术具有电路简单,工作可靠等优点,能实现工作频率自动跟踪及逆变器定角小容性状态的闭环控制此电路的研制成功,大大提高了设备的自动化运行水平,给现场调试及运行人员带来极大的方便,节省了大量的人力物力,同时还能降低事故的发生率参考文献潘天明现代感应加热装置M北京:冶金工业出版社,潘天明工频和中频感应炉M北京:冶金工业出版社,许海文固态超音频电源并联逆变控制技术的研究D保定:华北电力大学,郑浩,彭咏龙,李亚斌IGBT并联型逆变器锁相控制的研究J电力科学与工程,,():ZhengHao,PengYonglong,LiYabinModelingforphaselockedcontrolofIGBTparallelinverterJElectricPowerScienceandEngineering,,():l李亚斌,彭咏龙,李和明IGBT串联型逆变器定角控制的建模与仿真J华北电力大学,,():LiYabin,PengYonglong,LiHemingModelingandsimulationforfixedanglecontrolofIGBTseriesresonantinverter『JJournalofNorthChinaElectricPowerUniversity,,():陈贵明,张明照,戚红雨,等应用MATLAB建模与仿真M北京:科学出版社,康明,李敏远并联谐振感应加热逆变器控制方法的设计J现代电子技术,,():KangMing,LiMinyuanAdesignofparallelresonanceinductionheatinginverter'ScontrolmethodJModemElectronicsTechnique,,():,ResearchonFixedanglecontrolofIGBTParallelResonantInverterWangYongxing,PengYonglong,LiYabin(SchoolofElectricalandElectronicEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding,China)Abstract:Inordertosolvetheproblemaboutthevarietyofresonancefrequency,thispaperintroducesanewautomatictrackingmethodoftheconve~eFs~equencyusingPLLandfixedanglecontrolafteranalyzingthecontrolprincipleofphaselockedloopoftheconvenerThesimulationoffixedanglecontrolisexaminedbasedonMatlabSimulinkSimulationresultsindicatethatthismethodisfeasibleItcanquicklytracktheloadfrequencyandkeepthepowerfactorangleKeywords:parallelresonantinve~er~equencytrackingfixedanglecontrol一蜒vN一蜒A)力

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