CN110446290B - 一种用于感应加热的准谐振控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于感应加热的准谐振控制方法，其步骤为：首先，检测当前时刻的基波无功功率和频率；其次，将基波无功功率与一大于0的常数作对比，并计算当前时刻的基波无功功率的前向差值；利用基波无功功率的前向差值得到频率步长；最后，根据频率步长调整系统使系统由高频向低频调节，并输出至控制单元对主电路进行调控，使主电路处于准谐振状态。本发明在基波无功功率接近于0时，采用变步长频率方法调节频率的步长，避免出现过调或振荡，提高了感应加热系统的跟踪速度，且控制时将基波无功功率设定为大于0的常数，使感应加热系统处于弱感性准谐振状态，避免了由于扰动出现弱容性状态的问题。
Description
技术领域
本发明涉及感应加热设备制造技术领域，特别是指一种用于感应加热的准谐振控制方法。
背景技术
感应加热和其他加热形式相比具有加热效率高、速度快、可控性好及易实现等优点，因此被广泛应用于冶金、机械、电子等工业领域。传统串联谐振加热的感应加热方式，其功率调整范围小，谐振频率跟踪精度低和效率难以协调。为提高感应加热系统电源的利用率，通常使电源工作在谐振状态，但加热过程中，由于温度的变化加热材料的性能参数也会发生变化，从而引起系统固有谐振频率发生变化。如果不能及时地调整电源的输出频率，将使系统工作在非谐振状态。为了保证感应加热系统始终工作在谐振状态需要采用频率跟踪技术。
当电路发生谐振时，其电路的特性为：1)电路为阻性，即电流与电压同相；2)电路中电流最大；3)输出的有功功率最大同时输出的无功功率为0；4)电容和电感上的电压相位相反、大小相等且有可能大于电源电压等。根据谐振电路的特性，判断电路是否处于谐振方法有：通过监测电流电压相位是否同相进行判断；检测电容和电感上的电压是否相等进行判断；输出功率是否最大和输出的无功率是否为0等进行判断。这些判断方式各有优缺点。监测电流电压相位是否同相法，检测谐振回路的电流，经相位补偿和过零比较后，产生和谐振回路电流频率相同的PWM驱动信号，使逆变器的工作频率等于或略高于其谐振频率，该方法电路较复杂。检测电容和电感上的电压是否相等法，电感上的电压无法直接测量，在实际中很少使用；利用输出功率最大法调整频率跟踪法，在调整的过程中，在最大功率点附近的扰动容易滑向弱容性状态，从而导致开关器件换流开通时造成较大的尖峰电流以及续流二极管反向恢复引起的桥臂直通。
发明内容
本发明提出了一种用于感应加热的准谐振控制方法，感应加热的最大功率点随参数变化而变化，对采用扰动观测等方法使系统处于谐振状态时，因扰动容易滑向弱容性状态的问题进行。针对现有最大功率跟踪法使感应加热处于谐振方法的缺陷，根据谐振时有功功率最大(不是定值)时而无功功率为0(定值)，提出了通过检测无功功率并加以控制使感应加热电路系统处于弱感性准谐振状态。将无功功率设为略大于0的一个值，避免了在无功功率为0时由于扰动出现弱容性状态的问题。与此同时采用变步长频率跟踪监测能提高感应加热电路系统的跟踪速度。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于感应加热的准谐振控制控制方法，其步骤为：
S1、利用检测电路采集k时刻主电路输出的电压u(k)和电流i(k)，计算k时刻的基波无功功率Q(k)，并记录k时刻的频率f(k)；
S2、判断k时刻的基波无功功率Q(k)是否等于阈值h，若是，k+1时刻的频率f(k+1)等于k时刻的频率f(k)，执行步骤S7，否则，执行步骤S3，其中，阈值h为大于零的常数；
S3、计算k时刻与k-1时刻的基波无功功率的差值△Q，并根据基波无功功率的差值△Q计算频率步长△f；
S4、判断k时刻的基波无功功率Q(k)是否大于阈值h，若是，执行步骤S5，否则，执行步骤S6；
S5、将步骤S1中的频率f(k)加上步骤3中的频率步长△f得到k+1时刻的频率f(k+1)，执行步骤S7；
S6、将步骤S1中的频率f(k)减去步骤3中的频率步长△f得到k+1时刻的频率f(k+1)，执行步骤S7；
S7、将k+1时刻的频率f(k+1)输出至控制单元对主电路进行调控。
所述步骤S1中的k时刻的基波无功功率Q(k)的计算方法为：
S11、采集k时刻主电路的电压uα(k)和电流iα(k)，电压uα(k)和电流iα(k)分别经过移相90度得到电压uβ(k)和电流iβ(k)；
S12、将坐标系αβ上的电压uα(k)和电压uβ(k)通过坐标变换得到坐标系dq上的电压u(k)；
S13、将坐标系αβ上的电流iα(k)和电流iβ(k)通过坐标变换得到坐标系dq上的电流i(k)；
S14、根据步骤S12中的电压u(k)和步骤S13上的电流i(k)计算坐标系dq上的功率W(k)；
S15、将步骤S14得到的功率W(k)分成有功功率p(k)和无功功率q(k)，并将无功功率q(k)经过低通滤波得到基波无功功率Q(k)。
所述步骤S14中的功率W(k)为：W(k)＝u(k)*i(k)，W(k)＝p(k)+q(k)。
所述步骤S3中的频率步长△f是变化值，频率步长△f的大小与基波无功功率的差值△Q的大小有关。
所述频率步长△f的计算方法是采用分段函数、模糊控制或神经网络进行计算得到。
一种用于感应加热的准谐振控制方法的控制系统，包括控制单元、检测滤波电路、光电隔离及驱动电路和主电路；所述控制单元与检测滤波电路相连接，控制单元与光电隔离及驱动电路相连接，光电隔离及驱动电路与主电路相连接，主电路与检测滤波电路相连接。
本技术方案能产生的有益效果：本发明在改变频率的时候采用变步长的方法，在基波无功功率接近于0时调节频率的步长越小，不至于出现过调，使感应加热电路系统滑向容性，同时增加了感应加热电路系统的频率跟踪的速度；在控制时基波无功功率Q＝h(h>0)，代替Q＝0，以保证感应加热电路系统工作在弱感性状态。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的流程图。
图2为本发明的基波无功功率检测原理图。
图3为本发明实施例的准谐振控制系统结构示意图。
图4为本发明的感应加热电路系统等效原理图。
图5为图4的电容、电感和电阻的相量图。
图6为图4的阻抗频率关系图。
图7为图4的输出功率与频率的关系曲线。
图8为本发明实施例的单项全桥结构示意图。
图9为图8的单项全桥波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例1提供了一种用于感应加热准谐振控制方法，感应加热电路系统等效原理图如图4所示，包括电源、电阻R、电感L和电容C，电阻R、电感L和电容C相串联，电源两端电压为
电阻R、电感L和电容C上的电压分别为
和
所述电阻R、电感L和电容C的相量图如图5所示。感应加热电路系统由于负载温度的不同，其等值电感的值也不同，其谐振的频率也将随之变化。由感应加热电路系统等效原理可知谐振频率f0为：
感应加热系统其输出功率与频率的关系曲线如图7所示。系统频率越接近谐振点频率其输出功率越大，可根据这一特性进行实时功率跟踪。传统方法是依靠锁相环或过零检测技术及其硬件电路实现来进行频率跟踪，使系统达到准谐振状态以输出最大功率，这一做法严重依赖于过零检测与锁相环技术的性能。而直接利用通过功率特性曲线来进行功率跟踪可避开使用硬件电路带来的负面影响，直接对输出功率进行跟踪使其维持在次最大功率处。简化了设计过程同时简化硬件电路，简化了系统构成。
串联谐振电路的特征为：电路中电流最大；输出的功率也最大或无功率最小；电容和电感上的电压相等且有可能大于电源电压；电路呈现纯阻性等。根据串联谐振电路的特性判断电路是否处于谐振的方法主要有：(1)电流与电压是否同相；(2)电路中是否电流最大；(3)输出的功率是否最大；(4)电容和电感上的电压是否相等；(5)输出的无功功率是否为0等。直接利用上述方法要精确判断实际的串联谐振加热电路是否处于谐振状态都存在一定的困难，其优缺点也各不相同。
由图6可知，当f＝f0时，负载等效阻抗最小即R，此时电源输出功率最大；当f>f0时，负载等效阻抗为感性，电源输出功率随着频率增加而减小；当f<f0时，负载等效阻抗为容性，电源输出功率随着频率减小而减小。由上述分析可知只有在谐振时，电源输出功率最大或无功功率为0。在实际的控制工程中为了避免工作点滑向容性状态，导致开关器件换流开通时造成较大的尖峰电流以及续流二极管反向恢复引起的桥臂直通，控制逆变器开关工作频率略大于负载固有谐振频率f0，以保证感应加热电路系统负载回路工作在弱感性谐振状态，即准谐振状态。
用于感应加热的准谐振控制方法是：感应加热电路系统由于负载温度的升高或降低，其负载元件感值也发生变化，从而导致振荡频率也随负载温度的变化而变化。若要使感应加热电路系统始终处于谐振状态，逆变器输出的频率也要随之变化。本发明采用控制输出无功功率接近于0但略大于0的控制策略，控制DC/AC逆变系统输出的频率由高向低调节，使感应加热电路系统工作在弱感性准谐振状态。
对于中高频感应加热电路系统一般都采用方波控制，单相电压型全桥逆变电路原理图如图8所示，单项全桥电路包括四个开关管，可看做两个半桥电路，VT1和VT4是一个半桥电路，VT2和VT3是一个半桥电路。采用方波控制时成对的开关管同时导通和关断，导通和关断相差180°，电感电压uo的波形如图9所示。
将电感电压uo展开成傅里叶级数，有：
由公式(2)可知，其输出波形含有3、5、7等低次谐波。
当加热工件温度发生变化时，其等效电感也将随之变化，从而导致电路的谐振频率发生变化。对于图9采用的方波控制由于低次谐波含量较大，传统的电流过零点检测频率跟踪方法将不够准确，且低次谐波产生的功率也没有考虑。而采用无功功率趋于0频率跟踪法使电路处于准谐振状态的方法更加精准。
基波无功功率趋于0频率跟踪法的基本原理是：首先检测感应加热过程中频率由高向低调节过程中的基波无功功率Q，若基波无功功率Q>0，则减小频率，反之增大频率，若Q＝0保持频率不变。这样的控制会使感应加热系统电路在弱容性、阻性和弱感性之间切换。对感应加热电路系统分析可知，工作点滑向容性谐振状态，导致开关器件换流开通时造成较大的尖峰电流以及续流二极管反向恢复引起的桥臂直通。因此为避免这种情况发生，需对无功功率为0频率跟踪法进行改进。
如图1所示，一种用于感应加热的准谐振控制控制方法，其具体步骤如下：
S1、利用检测电路采集k时刻主电路输出的电压u(k)和电流i(k)，计算k时刻的基波无功功率Q(k)，并记录k时刻的频率f(k)。
如图2所示，所述步骤S1中的k时刻的基波无功功率Q(k)的计算方法为：
S11、采集k时刻主电路的电压uα(k)和电流iα(k)，电压uα(k)和电流iα(k)分别经过移相90度得到电压uβ(k)和电流iβ(k)。
S12、将坐标系αβ上的电压uα(k)和电压uβ(k)通过坐标变换得到坐标系dq上的电压u(k)。
S13、将坐标系αβ上的电流iα(k)和电流iβ(k)通过坐标变换得到坐标系dq上的电流i(k)。
S14、根据步骤S12中的电压u(k)和步骤S13上的电流i(k)计算坐标系dq上的功率W(k)；功率W(k)为：W(k)＝u(k)*i(k)，W(k)＝p(k)+q(k)。
S15、将步骤S14得到的功率W(k)分成有功功率p(k)和无功功率q(k)，并将无功功率通过低通滤波LPF得到基波无功功率Q(k)。
S2、判断k时刻的基波无功功率Q(k)是否等于阈值h，若是，k+1时刻的频率f(k+1)等于k时刻的频率f(k)，也即k+1时刻的频率f(k+1)＝f(k)，执行步骤S7，否则，执行步骤S3，其中，阈值h为大于零的常数，阈值h的取值范围为1Var～10Var。若基波无功功率Q(k)等于阈值h，则保持频率不变，反之，改变频率步长，从而调节频率。
S3、计算k时刻与k-1时刻的基波无功功率的差值△Q，并根据基波无功功率的差值△Q计算频率步长△f。频率步长△f是变化值，频率步长△f的大小与基波无功功率的差值△Q的大小有关。频率步长△f的计算方法主要是采用分段函数、模糊控制或神经网络进行计算得到。
S4、判断k时刻的基波无功功率Q(k)是否大于阈值h，若是，执行步骤S5，否则，执行步骤S6。
S5、将步骤S1中的频率f(k)加上步骤3中的频率步长△f得到k+1时刻的频率f(k+1)，执行步骤S7；也即k+1时刻的频率f(k+1)＝f(k)+△f。
S6、将步骤S1中的频率f(k)减去步骤3中的频率步长△f得到k+1时刻的频率f(k+1)，执行步骤S7；也即k+1时刻的频率f(k+1)＝f(k)-△f。
S7、将k+1时刻的频率f(k+1)输出至控制单元对主电路进行调控，保证感应加热电路一直处于弱感性谐振状态。
实施例3，如图3所示，用于感应加热的准谐振控制系统包括控制单元、检测滤波电路、光电隔离及驱动电路和主电路；所述控制单元与检测滤波电路相连接，控制单元与光电隔离及驱动电路相连接，光电隔离及驱动电路与主电路相连接，主电路与检测滤波电路相连接。控制单元采用DSP控制芯片，主电路包括H桥电路和感应加热电路，H桥电路的两支路的中点分别与感应加热电路相连接，H桥电路与光电隔离及驱动电路相连接，感应加热电路与检测滤波电路相连接。DSP控制芯片接收来自电流和电压组检测电路输出电压和电流，然后计算输出的无功功率，利用变步长无功功率趋于0频率跟踪法，由高频向低频调节使系统处于弱感性谐振状态。所述的采样滤波电路包括检测电路和调理电路，检测电路采用电压电流霍尔传感器，调理电路采用二阶巴特沃斯低通滤波电路。调理电路根据DSP控制电路内部AD模块特点，将信号调理为0-3V，并增加限幅功能保证信号在DSP内部AD模块能接受的信号范围之内，防止信号电压过大造成对DSP的损坏。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于感应加热的准谐振控制方法，其特征在于，其步骤为：
S1、利用检测电路采集k时刻主电路输出的电压u(k)和电流i(k)，计算k时刻的基波无功功率Q(k)，并记录k时刻的频率f(k)；
S2、判断k时刻的基波无功功率Q(k)是否等于阈值h，若是，k+1时刻的频率f(k+1)等于k时刻的频率f(k)，执行步骤S7，否则，执行步骤S3，其中阈值h为大于零的常数；
S3、计算k时刻与k-1时刻的基波无功功率的差值△Q，并根据基波无功功率的差值△Q计算频率步长△f；
S4、判断k时刻的基波无功功率Q(k)是否大于阈值h，若是，执行步骤S5，否则，执行步骤S6；
S5、将步骤S1中的频率f(k)加上步骤3中的频率步长△f得到k+1时刻的频率f(k+1)，执行步骤S7；
S6、将步骤S1中的频率f(k)减去步骤3中的频率步长△f得到k+1时刻的频率f(k+1)，执行步骤S7；
S7、将k+1时刻的频率f(k+1)输出至控制单元对主电路进行调控。
2.根据权利要求1所述的用于感应加热的准谐振控制方法，其特征在于，所述步骤S1中的k时刻的基波无功功率Q(k)的计算方法为：
S11、采集k时刻主电路的电压uα(k)和电流iα(k)，电压uα(k)和电流iα(k)分别经过移相90度得到电压uβ(k)和电流iβ(k)；
S12、将坐标系αβ上的电压uα(k)和电压uβ(k)通过坐标变换得到坐标系dq上的电压u(k)；
S13、将坐标系αβ上的电流iα(k)和电流iβ(k)通过坐标变换得到坐标系dq上的电流i(k)；
S14、根据步骤S12中的电压u(k)和步骤S13上的电流i(k)计算坐标系dq上的功率W(k)；
S15、将步骤S14得到的功率W(k)分成有功功率p(k)和无功功率q(k)，并将无功功率q(k)经过低通滤波得到基波无功功率Q(k)。
3.根据权利要求2所述的用于感应加热的准谐振控制方法，其特征在于，所述步骤S14中的功率W(k)为：W(k)＝u(k)*i(k)，W(k)＝p(k)+q(k)。
4.根据权利要求1所述的用于感应加热的准谐振控制方法，其特征在于，所述步骤S3中的频率步长△f是变化值，频率步长△f的大小与基波无功功率的差值△Q的大小有关。
5.根据权利要求1或4所述的用于感应加热的准谐振控制方法，其特征在于，所述频率步长△f的计算方法是采用分段函数、模糊控制或神经网络进行计算得到。
6.根据权利要求1所述的用于感应加热的准谐振控制方法的控制系统，其特征在于，包括控制单元、检测滤波电路、光电隔离及驱动电路和主电路；所述控制单元与检测滤波电路相连接，控制单元与光电隔离及驱动电路相连接，光电隔离及驱动电路与主电路相连接，主电路与检测滤波电路相连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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