， ， ，

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105；2.遼河油田油氣集輸公司 水電大隊(duì)，遼寧 盤錦 124010；3.吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132013）

1 引言

隨著集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖從20世紀(jì)80年代開始，人工養(yǎng)殖多寶魚迅速興起。多寶魚是冷水性魚類，對(duì)養(yǎng)殖的環(huán)境條件要求非常嚴(yán)格。養(yǎng)殖適宜水溫要求在10～20℃之間，14～17℃水溫為快速生長(zhǎng)階段，因此創(chuàng)造出了“溫室大棚+深井海水”的養(yǎng)殖模式，利用鍋爐(燃煤、燃油或用電)將海水加熱到17℃左右注入魚池，溫室大棚可有效保持水溫的降低。因此每天給水加熱兩次就能保證多寶魚正常生長(zhǎng)。傳統(tǒng)鍋爐加熱運(yùn)行費(fèi)都比較高，不經(jīng)濟(jì)，污染嚴(yán)重。急需尋找一種新的替代性加熱裝置。

感應(yīng)加熱電源主要用于水箱式或管道式水加熱裝置。這類裝置的加熱對(duì)象一般為鋼制容器或鋼制管道。工作時(shí)，感應(yīng)加熱裝置使容器或管道壁迅速升溫。水通過被加熱的容器壁或管壁吸收熱量，加熱后以某一流速流出或流過管道，為了滿足加熱溫度的平穩(wěn)控制，因此需要感應(yīng)加熱電源的功率可連續(xù)調(diào)節(jié)。為避免因停電而造成裝置不能正常工作，導(dǎo)致不必要的經(jīng)濟(jì)損失，配備了獨(dú)立的電源裝置（如蓄電池，汽、柴油發(fā)電機(jī)等）。

2 感應(yīng)加熱電源的系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)主要由主電路和控制電路組成，其中主電路可分為整流調(diào)壓電路、全橋逆變電路。如圖1所示，整流部分采用三相不控整流器和BUCK斬波器及濾波電路組成，實(shí)現(xiàn)根據(jù)溫度控制需要，實(shí)時(shí)調(diào)整IGBT觸發(fā)角，改變直流輸出電壓，以達(dá)到調(diào)功控溫的目的。逆變部分采用全橋IGBT逆變電路?？刂齐娐钒ɑ?DSP為核心的主控制電路，開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路，過壓過流保護(hù)電路，輸入與顯示電路等。

3 頻率跟蹤的實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)的設(shè)計(jì)

由于感應(yīng)加熱電源在工作過程中諧振頻率會(huì)發(fā)生變化，以至功率因數(shù)降低。為使逆變器的輸出頻率能跟隨負(fù)載頻率變化，提出一種基于DSP控制的數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)以實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤。如圖2所示，相位檢測(cè)電路由異或門和低通濾波器組成，逆變輸出電壓Vo和負(fù)載電流Vi(經(jīng)電平轉(zhuǎn)換)通過異或門后，經(jīng)LPF濾波后輸出u。通過DSP的A/D轉(zhuǎn)換，計(jì)算獲得Vo和Vi的相位差。A/D轉(zhuǎn)換的是u的平均電壓，相位差不同時(shí)，u平均電壓亦不同。VCO模塊可通過TMS320LF2407A DSP片內(nèi)的時(shí)間控制寄存器TxCON設(shè)置。再由軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行相位偏差調(diào)節(jié)和糾正，改變DSP的 EVA模塊，使內(nèi)置PWM的控制頻率發(fā)生改變，達(dá)到相位鎖定和頻率跟蹤的目的。

圖2 數(shù)字鎖相環(huán)原理圖Fig.2 Digital phase locked loop principle diagram

3.2 負(fù)載電流同步信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

由于負(fù)載電流為正弦波，經(jīng)過霍耳傳感器隔離檢測(cè)后，傳感器輸出為正弦電壓信號(hào)。因此將該信號(hào)通過過零比較器后，即可得到與電流信號(hào)同相位的方波信號(hào)。圖3為負(fù)載電流信號(hào)轉(zhuǎn)換電路。為了防止過零比較器LM393輸入電壓超限，在輸入端并聯(lián)穩(wěn)壓管DSI限制輸入電壓的最大值。轉(zhuǎn)換電路的輸出為方波信號(hào)，將直接送到鎖相環(huán)電路的信號(hào)輸入端，作為負(fù)載電流信號(hào)頻率跟蹤的信號(hào)源。

圖3 負(fù)載電流信號(hào)轉(zhuǎn)換電路Fig.3 Load current signal convert circuit

3.3 相位補(bǔ)償

在實(shí)際電路中，電流采樣、鎖相跟蹤、隔離驅(qū)動(dòng)和IGBT的開關(guān)都需要時(shí)間，這將引起負(fù)載電壓滯后于負(fù)載電流，因而需要相位補(bǔ)償。如圖4所示，電容C1和二極管D1對(duì)采樣電流信號(hào)I0起整流濾波作用，調(diào)節(jié)電位器RP，即可以調(diào)節(jié)相位補(bǔ)償時(shí)間。采用該電路可保證相位補(bǔ)償時(shí)間不隨負(fù)載波動(dòng)而變化。

圖4 相位補(bǔ)償電路Fig.4 Phase compensation circuit

4 溫度控制原理

溫度控制采用閉環(huán)調(diào)節(jié)電源輸出功率的方式來控制加熱溫度。在感應(yīng)加熱過程中，電源輸出功率P與工件終點(diǎn)溫度T之間有如下關(guān)系：

式中：G為工件質(zhì)量；T0為初始溫度；C為工件比熱；η為電源效率；t為工件加熱時(shí)間。

又

式中：U為輸出電壓；R為負(fù)載等效電阻。

由式（1）、式（2）可得

由于T?T0所以由式（3）可得：

由式(4)可知，調(diào)節(jié)輸出電壓U就可以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。當(dāng)測(cè)得溫度高于設(shè)定范圍時(shí)，電源將會(huì)自動(dòng)降低輸出功率，反之溫度低于設(shè)定溫度范圍時(shí)，電源會(huì)自動(dòng)升高輸出功率，使加熱溫度始終保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。為了克服電源加熱時(shí)，受負(fù)載的影響較大、參數(shù)變化等問題，溫度控制閉環(huán)采用了模糊PID調(diào)節(jié)方式。

系統(tǒng)劃分為模糊PID控制區(qū)和直接控制區(qū)。當(dāng)控制溫度接近目標(biāo)溫度達(dá)到一定誤差限度(-3℃≤e≤+3℃)時(shí)，啟動(dòng)模糊PID控制算法，使溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度附近。當(dāng)溫度超過上述誤差限度，采用直接控制算法。這樣既保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性又提高了系統(tǒng)的快速性。模糊控制器采用二輸入三輸出模糊控制器，輸入為溫度誤差e和溫度變化ec，輸出為PID的3個(gè)作用系數(shù)KP，KI和KD。圖5為溫度控制子程序流程圖。

圖5 溫度控制子程序流程圖Fig.5 Temperature control procedure flow chart

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及試驗(yàn)分析

設(shè)計(jì)一款20 kHz/2 kW超音頻感應(yīng)加熱電源。電源為三相380V/50Hz。LLC型負(fù)載諧振電路設(shè)計(jì)參數(shù)為:C=0.1 μF，Lr=26 μH，Ls=120 μH，r=5 Ω。試驗(yàn)地點(diǎn)：遼寧綏中某養(yǎng)殖場(chǎng)，預(yù)設(shè)溫度為17℃。

5.1 逆變輸入PWM實(shí)驗(yàn)波形

設(shè)計(jì)中采用了串聯(lián)逆變器，在換流時(shí)為了避免逆變器的上下橋臂的直通而造成電源短路，需要設(shè)置死區(qū)時(shí)間。如圖6所示，為DSP發(fā)出帶有死區(qū)時(shí)間的T1和T2的PWM波形。

圖6 帶有死區(qū)時(shí)間T1和T2的PWM波形Fig.6 With a dead zone time T1and T2of PWM waves

5.2 頻率跟蹤試驗(yàn)波形

系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的負(fù)載電路的諧振頻率約為15 kHz。負(fù)載諧振頻率f變化時(shí)，逆變器輸出的工作電壓uo（方波）與諧振電流io（正弦波）的暫態(tài)跟蹤波形如圖7所示，負(fù)載參數(shù)變化導(dǎo)致諧振電流頻率改變，逆變器的開關(guān)頻率（電壓頻率）能夠在500μs左右實(shí)現(xiàn)快速頻率跟蹤，且沒有失鎖現(xiàn)象發(fā)生。

圖7 頻率跟蹤波形Fig.7 Frequency tracking waveforms

5.3 溫度檢測(cè)試驗(yàn)

1）系統(tǒng)加熱過程中對(duì)其溫度進(jìn)行10次隨機(jī)采樣，記錄數(shù)據(jù)如表1所示，結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠在短時(shí)間內(nèi)迅速升溫，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作后溫度變化均不大于±0.5℃，工作穩(wěn)定可靠。

表1 動(dòng)態(tài)溫度檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Dynamic temperature test results

2）凌晨4:00時(shí)溫度最低，進(jìn)行一次加熱。當(dāng)水溫加熱到17℃后停止加熱。每隔1 h對(duì)水溫進(jìn)行檢測(cè)，記錄數(shù)據(jù)如表2所示，結(jié)果表明，白天由于光照水溫變化不大，甚至正午還有溫升。夜晚雖然溫度降低加快，但由于溫室大棚外覆蓋了一層厚厚的保溫被，使棚內(nèi)溫度得到有效保護(hù)，溫度控制在理想范圍內(nèi)。

表2 靜態(tài)溫度檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Static temperature test results

6 結(jié)論

該裝置基于超音頻感應(yīng)加熱技術(shù)，利用DSP芯片作為核心控制器，采用模糊控制與PID控制綜合的方法進(jìn)行恒溫控制。試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置工作穩(wěn)定可靠，加熱速度快，效率高，比傳統(tǒng)加熱裝置節(jié)省運(yùn)行成本約60%，大大增加了養(yǎng)殖戶的經(jīng)濟(jì)收益，是一種新型節(jié)能環(huán)保的加熱裝置。

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