周 篷，蔣 林，楊高鵬，周 龍，楊 旭

(西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610500)

放空火炬高頻點火系統(tǒng)設(shè)計

周 篷，蔣 林，楊高鵬，周 龍，楊 旭

(西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610500)

針對傳統(tǒng)放空火炬的高壓電子點火系統(tǒng)電極易腐蝕的問題，提出了一種基于感應(yīng)加熱原理的新型點火系統(tǒng)。該電源系統(tǒng)的主拓?fù)錇槿珮蛑C振結(jié)構(gòu)。通過檢測負(fù)載電流與電壓的相位差，利用脈沖頻率調(diào)制(PFM)方式使電源工作頻率實時跟蹤鎖定負(fù)載的固有頻率，利用數(shù)字信號處理(DSP)在軟件上實現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán)，讓電源工作在弱感性狀態(tài)。基于TI公司的TMS320F28335控制芯片，搭建了點火系統(tǒng)的控制平臺。仿真和實驗結(jié)果表明，控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)工作頻率對固有頻率的準(zhǔn)確跟蹤鎖定，且在弱感性工作狀態(tài)下，電源輸出滿足設(shè)計指標(biāo)，具有較小的開關(guān)損耗。

感應(yīng)加熱；串聯(lián)諧振；DSP；數(shù)字鎖相環(huán)；saber

0 引言

在油氣田的開采、天然氣管道的日常運行中，放空火炬的使用是必不可少的一部分。它能夠?qū)⒂泻Φ臍怏w導(dǎo)引到高空中，并燃燒處理。目前國內(nèi)的放空火炬基本上采用的是傳統(tǒng)高壓電子點火，而由于電極長期受腐蝕，在表面會形成硫化物薄膜，阻止了放電，因此電極的壽命較短。高空中的電極更換難度較大，并且頻繁的更換也給生產(chǎn)造成了極大的安全隱患。感應(yīng)加熱作為一種非接觸式的加熱方式，幾乎不受氣體腐蝕的影響，屬于免維護(hù)方式，這大大提高了點火系統(tǒng)的可靠性與安全性[1]。

感應(yīng)加熱是基于電磁感應(yīng)原理的，交變電流在周圍空間產(chǎn)生交變的磁場，當(dāng)磁感應(yīng)線切割導(dǎo)體時，導(dǎo)體會產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于電阻的熱效應(yīng)，導(dǎo)體便會產(chǎn)生熱量，這就是感應(yīng)加熱的基本原理。

感應(yīng)加熱技術(shù)因其加熱速度快、不受腐蝕等優(yōu)點，已被廣泛地應(yīng)用在焊類、鍛造、軋制、熱處理等領(lǐng)域。但是將感應(yīng)加熱技術(shù)運用在放空火炬點火系統(tǒng)上，目前沒有應(yīng)用實例。因此，基于感應(yīng)加熱的放空火炬點火裝置具有廣泛的實際應(yīng)用前景[2]。

1 系統(tǒng)原理與控制策略

1.1 主電路的設(shè)計

圖1 主電路拓?fù)鋱D

串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。進(jìn)線端為單相工頻交流電，經(jīng)過不可控全波整流得到直流電。Cd作為直流濾波電容，其作用是濾波穩(wěn)壓以及在換流時吸收感性無功電流。負(fù)載側(cè)采用高頻變壓器作為負(fù)載匹配使用，R、L是感應(yīng)頭的等效電阻和電感，C則是補償電容，以使逆變器工作在弱感性狀態(tài)，即電壓相位略微超前于電流相位，而為了避免直流偏磁，所以將補償電容器置于原邊側(cè)。

點火系統(tǒng)的主電路相關(guān)參數(shù)設(shè)計如下：

系統(tǒng)輸入為220 V，50 Hz單相交流電，系統(tǒng)輸出為25 V，500 A，30～50 kHz單相交流電。直流側(cè)采用單相全波整流，經(jīng)計算直流母線電壓約為：

Ud=220×1.1=242(V)

(1)

濾波電容在逆變器中主要起到濾波、穩(wěn)定電壓、吸收無功電流等作用。在本設(shè)計中，采用工頻單相全波整流，電壓紋波脈動的基波為100Hz。為了保證提供的電壓穩(wěn)定，濾波電路的時間常數(shù)必須為紋波基波周期的6～8倍，此處取6倍，即：

(2)

濾波電容的耐壓值必須高于直流峰值電壓311V，所以濾波電容采用400V耐壓4 700μF的電容。設(shè)計諧振電容時，需考慮它與電感上的無功能量交換。取品質(zhì)因數(shù)Q=3，式(3)得到諧振時電容兩端電壓，式(4)得到容抗值，式(5)得到諧振頻率為40 kHz時的諧振電容值。諧振時，感抗等于容抗，所以，式(6)得到諧振頻率為40 kHz時的電感值。

(3)

(4)

(5)

(6)

1.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計

點火系統(tǒng)的加熱電源不需要對功率進(jìn)行實時控制，只需要保持最大功率輸出，其控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。對于串聯(lián)諧振電路來說，工作在諧振狀態(tài)時其功率最大。因此，本控制系統(tǒng)的核心問題就是讓系統(tǒng)工作在弱感性的準(zhǔn)諧振狀態(tài)，即負(fù)載電壓相位略微超前于電流相位[3]。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

首先，將電流互感器采集的正弦電流波轉(zhuǎn)換為同相位的矩形波，利用過零比較器將正弦波的每一個過零點翻轉(zhuǎn)成矩形波，并經(jīng)簡單的保護(hù)電路送至DSP控制芯片信號采集端。其次，DSP的CAP2捕捉模塊1可以設(shè)定捕捉脈沖的上升沿或下降沿，并通過計數(shù)器將電流的相位和頻率信息傳遞進(jìn)DSP進(jìn)行處理[3]。而電流波形的采集、傳輸、變換過程需要一定的時間，因此在DSP內(nèi)部還需要對相位進(jìn)行補償。作為相位差比較的另一路電壓信號，這里沒有直接采集負(fù)載上的電壓，而是將控制脈沖的信號作為電壓的相位信號，送進(jìn)CAP1模塊，與CAP2模塊一起進(jìn)入DPLL數(shù)字鎖相環(huán)進(jìn)行程序運算之后再輸出相應(yīng)控制的脈沖，最后經(jīng)隔離驅(qū)動后直接控制逆變橋的通斷[4]。

2 數(shù)字鎖相環(huán)設(shè)計

利用DSP可以在軟件上實現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán)，其原理框圖如圖3所示。數(shù)字鎖相環(huán)的工作原理如下：利用CAP1捕捉電壓波形的脈沖，CAP2捕捉電流波形的脈沖。在CAP1中斷時，對CAP2的計數(shù)器進(jìn)行清零，因此CAP2的捕獲值就是兩個波形的相位差，CAP1的值就是電壓波形的周期值。再利用增量式PID環(huán)節(jié)的無差調(diào)節(jié)控制將相位差調(diào)節(jié)至零或者一個設(shè)定值。相位差和周期信號經(jīng)PID調(diào)節(jié)后的控制信號再經(jīng)相應(yīng)的頻率運算即可得到對應(yīng)的頻率控制值，再控制產(chǎn)生PWM波的工作頻率[5]。

圖3 鎖相環(huán)控制流程

3 仿真結(jié)果與分析

基于Saber仿真軟件搭建了系統(tǒng)仿真模型，分別對開關(guān)頻率為100 kHz、23.8 kHz和在諧振狀態(tài)下的感性負(fù)載的電壓電流波形進(jìn)行了仿真測試，其中諧振狀態(tài)負(fù)載電流電壓波形如圖4所示，開關(guān)管電流電壓波形如圖5所示，開關(guān)管開通關(guān)斷過程如圖6所示。從不同的開關(guān)頻率工作波形可以看出，電源在諧振點時具有最大的功率輸出，當(dāng)偏離諧振點時，輸出功率開始衰減，并且越偏離諧振點，衰減越厲害。在諧振時，負(fù)載電流和電壓是同相位的；當(dāng)工作頻率為100 kHz,大于固有頻率時，電流滯后于電壓相位，隨著頻率增大到一定程度之后相位差為90°；而工作頻率為23.8 kHz，小于固有頻率時，電流超前于電壓相位，但由于頻率過小，負(fù)載電流將失去穩(wěn)定。

圖4 諧振狀態(tài)的負(fù)載電流和電壓波形

圖5 諧振時開關(guān)管的電壓和電流波形

圖6 諧振時開關(guān)管的關(guān)斷(左)、開通(右)過程

當(dāng)MOS管上的電壓為0時，表示MOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)，電流為漏極電流Id。正常工作時，漏極電流為正，當(dāng)出現(xiàn)負(fù)的電流時，則為IRFP460中的反并聯(lián)二極管的續(xù)流電流。開關(guān)管在開通和關(guān)斷時其管子上的電流幾乎為零。理論上，在諧振狀態(tài)時開關(guān)管是零電流開關(guān)(ZCS)的，此時電源的開關(guān)損耗為零[6-7]。實際上，電源工作于一個小的頻率變化區(qū)間，也就是弱感性的工作狀態(tài)。

當(dāng)開關(guān)管工作于感性狀態(tài)時，開關(guān)管電流電壓波形如圖7所示，由圖可知，開關(guān)管會產(chǎn)生明顯的反向電流，這是由于負(fù)載感性時電流相位滯后于電壓相位所造成的。開關(guān)管的開關(guān)過程如圖8所示，由圖可知，在感性狀態(tài)時，開關(guān)管在開通和關(guān)斷時其電流是衰減的，因此感性狀態(tài)屬于小電流的開關(guān)。反復(fù)測試發(fā)現(xiàn)，工作點越接近諧振點時開關(guān)損耗也越小。

圖7 弱感時開關(guān)管的電壓和電流波形

圖8 弱感時開關(guān)管的關(guān)斷(左)、開通(右)過程

電源工作在容性狀態(tài)的情況下，開關(guān)管開通和關(guān)斷時電流很大，同時會出現(xiàn)電流尖峰，并且頻率越小尖峰越明顯，甚至可能超出MOS管的通流能力，損壞MOS管。對于串聯(lián)諧振電路來說，工作在容性區(qū)的開關(guān)損耗是很大的，并且有可能損壞開關(guān)管，因此應(yīng)當(dāng)避免工作在此區(qū)間[8]。

4 實驗結(jié)果

利用DSP開發(fā)平臺，模擬一次電源的啟動過程，并用兩臺示波器，分別觀察“逆變橋”的工作頻率和輸出的相位差?！澳孀儤颉钡摹肮逃蓄l率”設(shè)定為40 kHz。電源從較高的頻率(80 kHz)啟動，此時的相位差是90°，如圖9所示。隨后由于相位差與目標(biāo)值相差過大，控制頻率迅速減小，并穩(wěn)定在42.7 kHz左右，也就是達(dá)到了需要的弱感性工作狀態(tài)，如圖10所示。

圖9 啟動瞬間波形

圖10 弱感時穩(wěn)定波形

5 結(jié)論

利用Saber對串聯(lián)諧振電路的仿真表明，當(dāng)電源工作在容性狀態(tài)時，電源的開關(guān)損耗大，并且可能損壞開關(guān)管，因此要避免其進(jìn)入此區(qū)間；諧振時電源輸出功率最大，開關(guān)損耗也最小，但是容易因為波動而誤入容性工作區(qū)；而工作在弱感性狀態(tài)時，具有較大的輸出功率，并且具有較小的開關(guān)損耗。所以應(yīng)當(dāng)使電源工作在弱感性狀態(tài)。

利用DSP實現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán)，大大減少了硬件電路開銷，不存在溫漂、器件老化等問題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實驗結(jié)果表明該控制算法能夠使系統(tǒng)跟蹤鎖定固有頻率，實現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán)功能。

[1] 付正博．感應(yīng)加熱與節(jié)能——感應(yīng)加熱器(爐)的設(shè)計與應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

[2] 徐先澤，肖雅靜，時千峰．感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展[J]．現(xiàn)代零部件，2010(3)：62-63．

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[4] 粟堅定．基于DSP的感應(yīng)加熱中頻電源應(yīng)用研究[D]．無錫：江南大學(xué)，2012．

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[7] 周志軍．軟開關(guān)電源設(shè)計與仿真研究[D]．武漢：武漢大學(xué)，2004．

[8] 倪徐良．50kHz IGBT串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源研制[D]．西安：西安理工大學(xué)，2008．

作者簡介：

周篷(1993-)，男，本科，主要研究方向：感應(yīng)加熱技術(shù)。

蔣林(1974-)，男，博士研究生，副教授，主要研究方向：電力電子與電力傳動、智能控制、新能源變換與控制。

楊高鵬(1990-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子技術(shù)。E-mail:249186809@qq.com。

The design of high-frequency ignition system of release flare

Zhou Peng, Jiang Lin, Yang Gaopeng, Zhou Long, Yang Xu

(School of Electrical Engineering and Information, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

Aiming at the problem of electrode corrosion for traditional flare high-voltage electronic ignition system, an induction heating based ignition system is proposed. The main topology of the power system is a full-bridge resonance structure. After detecting phase difference between load current and voltage, the work frequency of the power supply would track the load natural frequency timely by using Pulse Frequency Modulation (PFM), and then realize Digital Phase Locked Loop (DPLL) in software through digital signal processing (DSP), which makes the power supply work in weak inductive state. Based on TMS320F28335 controller of TI, the ignition system is built. The results of both simulation and test show that the proposed control algorithm can realize the accurate tracking lock, and the output of power supply can satisfy the design objective under the work state of weak inductive with low switching loss.

induction heating; series resonance; DSP; digital phase locked loop; saber

楊振宇(1975-)，男，高級工程師，主要研究方向：自動控制等。

TN86

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.04.002

周篷，蔣林，楊高鵬，等.放空火炬高頻點火系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(4)：4-6，17.

2016-09-22)