彭詠龍，李榮榮，李亞斌，路智斌，李瑞珂。

（1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003； 2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210032）

1 引言

感應(yīng)加熱電源可用于金屬熔煉、透熱、熱處理和焊接等諸多工業(yè)領(lǐng)域。依據(jù)控制方式的不同，感應(yīng)加熱電源輸出功率調(diào)節(jié)可分為脈沖頻率調(diào)節(jié)，脈沖寬度調(diào)節(jié)和脈沖密度調(diào)節(jié)等［1］。其中前2 種調(diào)節(jié)方式由于對功率開關(guān)器件來說不能始終工作在零電流和零電壓開關(guān)狀態(tài)，因而會導(dǎo)致開關(guān)損耗的增加和電磁噪聲的干擾。另一方面，前2 種控制方式在調(diào)節(jié)輸出功率的同時會改變輸出電壓和電流的相位差，從而影響頻率跟蹤控制器或者鎖相環(huán)控制器的頻率跟蹤性能［2］。相比于前2 種功率調(diào)節(jié)方式，脈沖密度調(diào)節(jié)控制感應(yīng)加熱電源輸出功率的方法，能夠通過對脈沖序列的合理選擇，實現(xiàn)對輸出功率更大范圍的調(diào)節(jié)，同時可以保證感應(yīng)加熱電源逆變器始終處于近似諧振工作狀態(tài)，在整個運行過程中都具有較高的負(fù)載功率因數(shù)和較低的諧波畸變率［3］。

然而PDM主要用于負(fù)載Q值比較大的場合。在實際應(yīng)用中，因負(fù)載的Q值一般不宜過大，使PDM在輕載時容易產(chǎn)生電流斷續(xù)，導(dǎo)致感應(yīng)加熱電源輸出電流波動很大。為了解決上述問題。文獻(xiàn)［4］提出均勻脈沖密度調(diào)制（Symmetrical Pulse Density Modulation，SPDM）控制方法；文獻(xiàn)［5］提出復(fù)合脈沖密度調(diào)制（Composite Pulse Density Modulation，CPDM）控制方法。SPDM在大部分功率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)負(fù)載電流連續(xù)；但是SPDM控制復(fù)雜，且輸出功率調(diào)節(jié)的級數(shù)為定值，改變輸出功率調(diào)節(jié)的級數(shù)時，則必須重新設(shè)計。CPDM當(dāng)負(fù)載Q值較小、輕載時，負(fù)載電流易斷續(xù)、波動大。本文提出一種新的混合脈沖密度調(diào)制（ Hybrid Pulse Density Modulation，HPDM）的方法來調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱電源的輸出功率。詳細(xì)分析了混合脈沖密度調(diào)制技術(shù)的原理和控制策略，搭建了基于Matlab/Simulink的仿真模型并與SPDM和CPDM控制方法進(jìn)行比較。通過分析比較可知，這種方法控制脈沖分布均勻，電流連續(xù)性好，即使在負(fù)載Q值不太大的情況下，也能使感應(yīng)加熱電源輸出電流波動很?。欢洫毺氐哪K化設(shè)計，使控制方法簡易、靈活、易擴展。

2 脈沖密度調(diào)節(jié)

感應(yīng)加熱電源主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 感應(yīng)加熱電源主電路結(jié)構(gòu)Fig.1 The main circuit structure of induction heating power supply

圖1中，感應(yīng)加熱電源采用50 Hz三相交流電源u1供電；整流電路采用三相橋式不可控整流電路，整流器將交流電流轉(zhuǎn)換為直流電流；直流電流經(jīng)過濾波環(huán)節(jié)，減小直流電流的波動，然后將直流電流送往逆變器；逆變器將平滑的直流電電流轉(zhuǎn)換為感應(yīng)加熱負(fù)載所需頻率的交流電流。

根據(jù)三相橋式不可控整流原理可知：

逆變側(cè)采用PDM 控制感應(yīng)加熱電源的輸出功率，PDM 通過控制向負(fù)載饋送能量的時間來控制輸出功率，其中假設(shè)一個PDM 的工作周期是T，TA是PDM 控制向負(fù)載傳送能量的時間，而剩下（T-TA）的時間逆變器不輸出功率，負(fù)載能量以自然振蕩形式逐漸衰減，輸出的脈沖密度為TA/T，通過改變脈沖密度就可改變輸出功率[2]。PDM 的輸出功率為：

式中：T是PDM 的工作周期；TA是PDM 控制向負(fù)載傳送能量的時間；Pmax是負(fù)載的最大輸出功率。

式中：Q是負(fù)載的品質(zhì)因數(shù)，ω0是負(fù)載的諧振頻率。

3 HPDM 控制策略

本文提出HPDM 的控制方法，設(shè)計了基于SPDM 的基本控制模塊，并在宏觀上對數(shù)個這樣的基本控制模塊進(jìn)行復(fù)合控制，來調(diào)節(jié)諧振逆變器的輸出功率。HPDM 的控制電路如圖2 所示。

圖2 HPDM 的控制電路Fig.2 The control circuit of HPDM

首先設(shè)計基于SPDM 的基本控制模塊T，把逆變器開關(guān)管的控制信號看成是由n個 1/2j（j=1，2，…，n）計數(shù)器相加而成，即一個控制周期有2n個驅(qū)動脈沖組成。當(dāng)?shù)谝粋€1/2 計數(shù)器的輸出信號作為開關(guān)管的觸發(fā)脈沖時，每2個驅(qū)動脈沖中有1 個作為觸發(fā)脈沖，此時開關(guān)管的脈沖控制密度是1/2；同理當(dāng)?shù)趈個1/2j（j=1，2…n）計數(shù)器的輸出信號作為開關(guān)管的觸發(fā)脈沖時，每2j個驅(qū)動脈沖中有1 個作為觸發(fā)脈沖，此時開關(guān)管的脈沖控制密度是1/2j；通過把這n個1/2j（j=1，2…n）計數(shù)器進(jìn)行不用的組合，則開關(guān)管的觸發(fā)脈沖時間是以T/2n為公差，范圍從0 到T的等差數(shù)列?？刂七@n個計數(shù)器的組合，就可以控制逆變器的輸出功率。每個基本控制模塊的功率調(diào)節(jié)級數(shù)不宜過大，本文選為8級，即把逆變器開關(guān)管的控制信號用1/2，1/4和1/8 3 個計數(shù)器相加而成，對這3 個計數(shù)器的輸出脈沖進(jìn)行組合相加，即可實現(xiàn) 8 級的SPDM，如圖3 所示。

圖3 8 級SPDM 的開關(guān)管觸發(fā)脈沖Fig.3 Eight series SPDM trigger pulse of switches

由PDM 的控制原理可知，當(dāng)T＞＞τ 時，輸出功率與脈沖密度成正比，即當(dāng)TA取T/m時，P等于最大功率Pmax的1/m。HPDM 取不同的TAi/T（i=1，2…n）值的組合，對n個基本控制模塊的輸出功率進(jìn)行復(fù)合控制。制定好功率與n個TAi/T的查找表，根據(jù)功率給定的大小，通過查找表確定n個TAi/T分別對應(yīng)的值。最后通過查找表選擇控制模塊來使這n個TAi/T值依次控制基本控制模塊，即在（i-1）T-iT內(nèi)Pi等于最大功率Pmax的TAi/T。本文取n=4，記P∑max為一個 HPDM 周期內(nèi)全觸發(fā)時輸出的最大功率，可得P與P∑max的比值關(guān)系如表1 所示。如此可以用HPDM 實現(xiàn)感應(yīng)加熱電源輸出功率的32 級調(diào)功。

表1 TAi/T與P/P∑max關(guān)系表Tab.1 The relationship between TAi/T and P/P∑max

4 仿真分析

對本文提出的用HPDM 調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱電源輸出功率的方法搭建Matlab/Simulink 仿真模型。按圖1所示主電路設(shè)計的參數(shù)為：感應(yīng)加熱電源采用50 Hz三相交流電源u1供電，U1=220 V，設(shè)計負(fù)載諧振頻率為50 kHz，C=0.265 μF，R=3 Ω，L=0.038 2 mH，Q=4。圖4～圖6 所示為開關(guān)器件的控制脈沖密度D分別為7/32、15/32、21/32 時，HPDM，CPDM 和SPDM 控制輸出電壓和電流的仿真波形。

圖5 D=15/32輸出電壓和電流波形Fig.5 The output voltage and current D=15/32

圖6 D=21/32輸出電壓和電流波形Fig.6 The output voltage and current D=21/32

記負(fù)載側(cè)輸出電流最大的峰值為Imax，最小的峰值為Imin，表2 給出這3 種控制方法負(fù)載側(cè)的輸出電流進(jìn)行比較。

表2 各種PDM 控制負(fù)載電流對照表（單位：A）Tab.2 The load current table controlled by various PDM（Unit：A）

分析仿真波形和數(shù)據(jù)可以得出：當(dāng)D小于7/32時CPDM 控制的負(fù)載電流會出現(xiàn)斷流情況，而HPDM 和SPDM 控制的負(fù)載電流即使在D很小的情況下，仍不會出現(xiàn)斷流。對比HPDM 和SPDM這兩種方法我們可以發(fā)現(xiàn)：在同一調(diào)制比D的情況下，HPDM 控制的負(fù)載電流的Imin值要大于SPDM 控制電流的Imin值；相反，HPDM 控制的負(fù)載電流的Imax值要小于SPDM 控制電流的Imax值。也就是說HPDM 控制的負(fù)載電流波動性更小，連續(xù)性更好。

5 結(jié)論

本文提出了HPDM 調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱電源輸出功率的方法，合理優(yōu)化了控制脈沖的分布，并對這種方法進(jìn)行仿真驗證。通過與已有脈沖密度控制方法進(jìn)行比較可知，HPDM 使感應(yīng)加熱電源的輸出電流更加平穩(wěn)連續(xù)；通過設(shè)計基本控制模塊可靈活擴展感應(yīng)加熱電源輸出功率調(diào)節(jié)的級數(shù)，有效節(jié)約設(shè)計時間和成本。

［1］戚宗剛，柳鵬.感應(yīng)加熱調(diào)功方式的探討［J］.金屬熱處理，2003，28（7）：54-57.

［2］FUJITA H，AKAGI H.Pulse Density Modulated Power Control of a 4 kW，450 kHz Voltage-source Inverter for Induction Melting Applications［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1996，32（2）：279-286.

［3］李亞斌，彭詠龍，李和明．串聯(lián)諧振逆變器的最優(yōu)ZVS控制［J］．電力電子技術(shù)，2006（03）：14-16．

［4］顏文旭，沈錦飛，惠晶，等.脈沖均勻調(diào)制功率控制串聯(lián)諧振式逆變器［J］.電力電子技術(shù)，2004（04）：6-7，40.

［5］蔡愛軍，惠晶，沈錦飛.基于CPDM 功率控制高頻諧振電源的研究［J］.電力電子技術(shù)，2004（04）：43-45.