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 IGBT并联型逆变器定角控制的研究 第27卷第2期 2011年2月 电力科学与工程 ElectricPowerScienceandEngineering V01.27.No.2 13 Feb..2011 IGBT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071003) 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Matlab/Simulink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:TM464文献标识码:A 0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. 1IGBT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 50kHzD2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1 所示. 图1并联谐振逆变器电路结构 Fig.1Circuitstructureofparallelresonantinverter 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3种工作状态,其负载谐振 频率为 _,0(1) 2~/LC 收稿日期:2010—09—21. 作者简介:王永星(1984一),男,硕士研究生,研究方向为电力电子与电力传动,E— mail:32720748@qq.tom. 14电力科学与工程2011正 (1)当f<fo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IG— BT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. (2)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. (3)当f>fo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. 2传统的频率跟踪技术 传统的相位跟踪技术,采用CD4046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2所示. 输入 图2锁相环结构框图 Fig.2SchematicdiagramofPLL 3定角控制的逆变器频率跟踪 号 3.1定角控制工作原理 定角控制原理框图如图3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3定角控制原理框图 Fig.3Schematicdiagramoffixed-angle-control 3.2逆变控制仿真模型的建立 本文利用Matlab/Simulink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. 3.2.1控制模块电路介绍 锁相控制模块如图4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 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 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50%的方 波.当两信号锁定时,其相位相差为90..因此, 第2期王永星,等IGBT并联型逆变器定角控制的研究l5 图4并联谐振逆变器锁相控制仿真模型 Fig.4Simulationmodeloffixed-angle-controlofparallelresonantinverter 鉴相器的另一端输入由分频器输出信号OUT2(经 过90.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0.56(负载电流超前电压10.)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. 3.2.2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5为压控振荡器 输入电压波形,图6(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 5可以看出,在2ms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 22.5kHz.负载在15ms时发生突变,其固有谐振 1?0 亩05 0 000050.0l00.0l50.0200.O25O.O3O t/s 图5压控振荡器输入电压仿真波形 Fig.5Simulationwaveforms ofVCOinputvoltage 频率由20.85kHz变为19.64kHz.在定角控制电 路的快速调节下,负载电流和电压在17ms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 . 00 0 0O 0 (b) 图6负载电流,电压波形 Fig.6Simulationwaveformsof loadvoltageandcurrent 16电力科学与工程2011焦 4硬件实现 4.1锁相环CD4046 锁相环CD4046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9O.的相位差.图7为比 较器I的输入输出波形. j]n厂 图7鉴相器输入,输出波形 Fig.7WaveformsofinputandoutputofPD 4.2移相9O. 利用D触发器搭建的电路实现了分频并且移 相90.功能.图8中3脚外接压控振荡器的输出, 2脚信号接驱动脉冲形成电路,l3脚信号通过延 时电路送往鉴相器输入端.通过此电路,2脚与 l3脚正好是占空比为50%,相位相差90.的方波. 囤8移相90.电路 Fig.8Phaseshift90.circuit 4.3PI调节器 为了实现无相位差跟踪,引进比例积分环节 (PI)如图9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 7.5V时输出信号与输入信号在锁定时频率相同相 位差为90..调整电压则可实现负载电流相位 与电压相位差为10.,即小容性状态.其输出信号 与输入信号的传递关系为 = (+一-~lUi-(Ui--U1 图9PI调节器 Fig.9PIregulator 图10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 15ms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1OPl调节器输入输出波形 Fig.10WaveformsofinputandoutputofPIregulator 5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500kW/10kHz的感应加热电源.图ll为经 第2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180A的方波,电压是幅值为500V的 正弦波,工作频率为10kHz. ..'. 一 一一: ,厂,A/,厂\ l/\;||! ,61h『厂\:\ Il1JL,f,. {77/一 \/一,j=一 …j f/(50S?格一1) 图11负载电压,电流波形 Fig.11Waveformsofloadvoltageandcurrent 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 [1]潘天明.现代感应加热装置[M].北京:冶金工业 出版社,1996. 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ResearchonFixed--angle--controlofIGBTParallelResonantInverter WangYongxing,PengYonglong,LiYabin (SchoolofElectricalandElectronicEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Ba oding071003,China) Abstract:Inordertosolvetheproblemaboutthevarietyofresonancefrequency,thispaperintr oducesanewauto— matictrackingmethodoftheconve~eFs~equencyusingPLLandfixedanglecontrolafterana lyzingthecontrol principleofphase—lockedloopoftheconvener.Thesimulationoffixed—angle— controlisexaminedbasedonMatlab/ Simulink.Simulationresultsindicatethatthismethodisfeasible.Itcanquicklytracktheloadf requencyandkeep thepowerfactorangle. Keywords:parallelresonantinve~er;~equencytracking;fixed—angle—control 一蜒.v.N一蜒.A00)/力