張 偉 苗志飛 齊鉑金

(北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京100191)

在飛機、航天飛機、衛(wèi)星和運載火箭等航空航天飛行器中，有許多導管應(yīng)用于推進系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、防火系統(tǒng)和環(huán)控生保等系統(tǒng)，其中部分導管的連接必須在飛行器安裝條件下進行，具有安裝位置狹窄、可達性差的特點，稍不注意，還有可能會損傷周圍的零部件，并且連接時大都不允許有金屬飛濺和高溫輻射.傳統(tǒng)的螺紋連接存在抗震性差、易泄漏等問題，而固定式感應(yīng)釬焊在焊接時無法對導管進行保護，并且焊后難于拆除.因此，國外自20世紀70年代開始推廣采用了導管安裝位置感應(yīng)釬焊技術(shù)，即在安裝好部分零件、電器和電子組件等部件之后，再采用軟式感應(yīng)線圈或鉗式感應(yīng)線圈進行導管與導管之間的感應(yīng)釬焊連接［1］.

在該項技術(shù)中，感應(yīng)釬焊電源是實現(xiàn)導管釬焊連接的能量來源.焊接時，飛機在型架上進行裝配，而感應(yīng)釬焊電源則位于型架之下，其輸出經(jīng)功率傳輸電纜傳輸至感應(yīng)線圈，通過感應(yīng)線圈對導管進行加熱.受導管材料、形狀、尺寸和溫度變化，以及軟式感應(yīng)線圈纏繞的方式和松緊程度等因素影響，感應(yīng)加熱回路的諧振頻率是變化的.因此，在釬焊過程中必須實時地調(diào)整感應(yīng)釬焊電源逆變器的工作頻率，使之能夠自動跟蹤感應(yīng)加熱回路的諧振頻率，否則釬焊電源的功率因數(shù)和加熱效率都將降低，并且功率開關(guān)管的損耗也會增大，甚至逆變器可能因長期工作在容性負載狀態(tài)而損壞.

針對安裝位置導管感應(yīng)釬焊時需要頻繁起動，以及需要快速、可靠關(guān)斷的特點，選取電壓源串聯(lián)諧振回路作為釬焊電源逆變器的主電路拓撲.深入分析了不同工作頻率下串聯(lián)諧振回路的阻抗特性，在此基礎(chǔ)上重點討論了逆變器主電路分別工作在容性、阻性和感性負載下功率器件的導通、關(guān)斷和換流狀態(tài)，從而確定了釬焊電源逆變器的最佳工作狀態(tài).提出了一種獨特的準諧振頻率自動跟蹤電路，能自動掃描并鎖定感應(yīng)加熱回路的諧振頻率，使其始終工作在略偏感性的準諧振狀態(tài)，并且調(diào)節(jié)速度快、精度高.

1 逆變器諧振回路拓撲選擇

導管安裝位置感應(yīng)釬焊電源系統(tǒng)采用雙逆變串聯(lián)主電路結(jié)構(gòu)，前級為逆變直流電源，后級為逆變方波電源.直流電源輸出電壓0～500 V連續(xù)可調(diào)，作為方波電源的輸入.直流電源的輸出進入方波電源后經(jīng) IGBT(InsulatedGateBipolar Transistor)全橋逆變器再次被變換成約20 kHz的交流方波，再經(jīng)高頻變壓器耦合到感應(yīng)加熱回路，使之諧振加熱導管.

在感應(yīng)加熱領(lǐng)域，方波電源逆變器輸出諧振回路主要有2種:電壓源串聯(lián)諧振回路和電流源并聯(lián)諧振回路，如圖 1 所示［2－3］.

圖1 主要諧振電路拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

目前，針對2種電路結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外都有廣泛的研究.串聯(lián)諧振逆變電源具有結(jié)構(gòu)簡單、起動方便、工位布置靈活、維護方便等特點，在一些特定的工藝(如淬火加熱、真空熔煉、熔煉保溫、高頻感應(yīng)加熱等)中，與并聯(lián)諧振逆變電源相比具有明顯優(yōu)勢［4－5］.

由于大部分的導管安裝位置感應(yīng)釬焊工作都是在飛機的部裝和總裝工藝中完成的，飛機在型架上進行裝配，而感應(yīng)釬焊電源則位于型架之下，與導管連接位置相距較遠，需采用具有柔軟性的功率傳輸電纜進行能量的較長距離傳輸;同時考慮到導管安裝、定位時間長，釬焊時間短，需要頻繁起動，以及需要快速、可靠關(guān)斷的特點，本文選取了電壓源串聯(lián)諧振回路的結(jié)構(gòu).

2 串聯(lián)諧振回路阻抗

串聯(lián)諧振回路主要由諧振電容C、傳輸電纜與感應(yīng)線圈的總電感L，以及由電容的漏電阻、傳輸電纜和感應(yīng)線圈的線電阻R串連組成.該電路的復阻抗為

式中，感抗(XL=ωL)與容抗(XC=1/ωC)之差是復數(shù)的虛部，稱之為電抗用X表示;ω是電源逆變器的工作角頻率(ω=2πf).

如果串聯(lián)諧振電路中各元件參數(shù)R，L和C的值不變，而方波電源逆變器的工作頻率由零變化到無窮大，則串聯(lián)諧振回路阻抗的變化曲線如圖2所示.

圖2 串聯(lián)諧振回路阻抗隨ω的變化情況

電抗X可變換為

式中ω0稱為諧振角頻率，其表達式為

2.1 容 性

從圖2中可以看出，當ω=0時，回路輸入電源可等效為一個直流電壓源，由于受到電容C的阻隔，因此回路中的電流I=0，輸入電壓全部加在電容C上.隨著ω的逐漸增大，容抗XC逐漸減少，感抗XL逐漸增大，但是在到達諧振工作點(ω=ω0)之前，始終有 XC＞XL，整個串聯(lián)諧振回路呈容性狀態(tài)，電路中的電壓相位滯后于電流相位，并且回路總阻抗的模逐漸減小，而輸出電流的模逐漸增大.

2.2 純 阻 性

當 ω 繼續(xù)增大到 ω0時，X=0，即 XC=XL，串聯(lián)諧振回路呈純阻性狀態(tài)，電路中的電壓與電流相位相同.此時，串聯(lián)諧振回路工作在諧振狀態(tài)，電源的功率因數(shù)為1，輸出電流I達到了極大值.

2.3 感 性

隨著ω的繼續(xù)增大，將出現(xiàn)XC＜XL，電流逐漸下降，當ω→∞時，感抗完全阻止了電流的流動，也即I=0，電壓全部加在電感上.此時，串聯(lián)諧振回路呈感性狀態(tài)，電路中的電壓相位超前于電流相位.

由上述方波電源逆變器工作頻率變化對串聯(lián)諧振回路輸出電流大小的影響情況可以看出，串聯(lián)諧振電路具有選頻的作用，當逆變器的工作頻率等于感應(yīng)加熱回路的諧振頻率ω0時可以獲得最大的電流輸出，而對于電源的其他工作頻率，感應(yīng)加熱回路則存在著程度不同的阻礙作用.

因此，在導管安裝位置感應(yīng)釬焊中，應(yīng)當使方波電源逆變器的工作頻率接近或等于感應(yīng)加熱回路的諧振頻率ω0，這樣才可能獲得大的輸出功率和高的功率因數(shù)，從而實現(xiàn)工件的快速加熱.

3 逆變器工作狀態(tài)分析

在導管安裝位置感應(yīng)釬焊電源系統(tǒng)中，前級直流電源輸出穩(wěn)定的直流電壓，經(jīng)后級方波電源逆變器變換成約20 kHz的交流方波后，再經(jīng)高頻變壓器降壓后輸出，進入由感應(yīng)線圈和諧振電容串聯(lián)構(gòu)成的感應(yīng)加熱回路，如圖3所示.其中，直流電源可以等效為電壓源V.變壓器T1的變比為20 ∶1，串聯(lián)諧振電路的參數(shù)為:R1=0.025 Ω，L1=5.4 μH，C1=18.4 μF.

圖3 帶有匹配變壓器的串聯(lián)諧振電路

為了便于分析，將變壓器副邊R1，L1和C1等效到變壓器的原邊，可得到圖4所示的簡化主電路模型.

圖4 主電路等效電路

簡化后，等效串聯(lián)諧振電路參數(shù)為:R=10 Ω，L=2.16×103μH，C=0.046 μF.

3.1 仿真建模

采用Matlab/Simulink構(gòu)建全橋逆變串聯(lián)諧振主電路仿真模型，如圖5所示.

圖5 全橋逆變串聯(lián)諧振主電路仿真模型

采用Matlab/Simulink提供的絕緣柵型場效應(yīng)管(MOSFET，Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)功率開關(guān)管模塊構(gòu)建全橋逆變主電路，其輸出連接R，L，C串聯(lián)諧振電路.功率開關(guān)管 Q1，Q2，Q3和 Q4的脈寬調(diào)節(jié)(PWM，Pulse-Width Modulation)驅(qū)動信號采用系統(tǒng)自帶的脈沖發(fā)生器來產(chǎn)生，上下橋臂的驅(qū)動信號相位相差180°.串聯(lián)諧振回路的電流由串聯(lián)在回路中的電流傳感器模塊I1獲得，電壓由并聯(lián)在RLC串聯(lián)電路兩端的電壓傳感器模塊V1來測量.測得的電壓和電流信號再送入波形顯示模塊Scope1，可以得到RLC串聯(lián)諧振電路中的電流和電壓波形.

主要仿真參數(shù)設(shè)置如下:

1)電壓源輸出電壓為直流500 V;

2)開關(guān)頻率為 0～20 kHz，仿真時間為 0.005 s;

3)串聯(lián)諧振電路的參數(shù)為:R=10 Ω，L=2.16×103μH，C=0.046 μF.

3.2 諧振頻率計算

由RLC串聯(lián)諧振回路阻抗分析可知，隨著方波電源逆變器的工作頻率逐漸增大，IGBT全橋逆變器將工作在容性、阻性和感性狀態(tài).

當逆變器工作在阻性狀態(tài)時，RLC串聯(lián)回路諧振，其諧振頻率為

將 L=2.16×103μH，C=0.046 μF 代入式(4)，可得RLC串聯(lián)回路的諧振頻率為15.97 kHz.

3.3 容性工作狀態(tài)

當方波電源逆變器工作頻率小于諧振頻率(即15.97 kHz)時，逆變器工作在容性狀態(tài).當逆變器工作頻率為14.3 kHz和15.62 kHz時，RLC串聯(lián)諧振回路中的電流和電壓波形如圖6所示.

圖6 逆變器工作在容性狀態(tài)時的電流和電壓波形

從圖6可知，當逆變器工作在容性狀態(tài)時，電壓相位滯后電流相位一定角度，并且逆變器工作頻率越低，滯后的相位角越大，輸出電流也越小.

由于電壓相位滯后于電流相位，當圖3中開關(guān)管 Q1，Q4(或 Q2，Q3)導通，RLC 串聯(lián)諧振電路兩端的電壓仍為正時，電流先過零并反向流通，通過開關(guān)管 Q1，Q4(或 Q2，Q3)反并聯(lián)二極管 D1，D4(或 D2，D3)構(gòu)成回路.隨即 Q2，Q3(或 Q1，Q4)導通，二極管D1，D4(或D2，D3)承受反壓強迫關(guān)斷.由于二極管從正向?qū)顟B(tài)受高壓反向關(guān)斷過程中將會產(chǎn)生較大的反向恢復電流，很容易導致二極管和IGBT因反向恢復電流過大而失效，從而會影響整個逆變器的安全工作.

3.4 阻性工作狀態(tài)

當方波電源逆變器的工作頻率等于15.97 kHz時，RLC串聯(lián)回路諧振，逆變器將工作在阻性狀態(tài)時.此時，RLC串聯(lián)諧振回路的電流與電壓同相位，逆變器可實現(xiàn)零電壓開通和零電流關(guān)斷，如圖7所示.

圖7 逆變器工作在阻性狀態(tài)時的電流和電壓波形

但是，在逆變器實際工作中由于頻率跟蹤控制電路存在響應(yīng)滯后，逆變器的工作頻率只能動態(tài)地逼近RLC串聯(lián)諧振回路的諧振頻率，可能工作在容性狀態(tài)，也可能工作在感性狀態(tài)，很難始終工作在純阻性狀態(tài).因此，逆變器工作在阻性狀態(tài)只能是一種理想的工作狀態(tài).

3.5 感性工作狀態(tài)

當方波電源逆變器工作頻率繼續(xù)增大，超過15.97 kHz時，RLC串聯(lián)諧振回路呈感性，逆變器工作在感性狀態(tài).當逆變器的工作頻率分別為16.12 kHz和20 kHz時，RLC串聯(lián)諧振回路中的電流和電壓波形如圖8所示.

圖8 逆變器工作在感性狀態(tài)時的電流和電壓波形

從圖8可知，當逆變器工作在感性工作狀態(tài)時，其電壓相位超前電流相位，并且工作頻率越高，超前的相位越大，輸出電流也越小.因此，圖3中開關(guān)管Q1，Q4(或Q2，Q3)由導通狀態(tài)轉(zhuǎn)為關(guān)斷狀態(tài)時，由于電感L的儲能作用，將通過二極管D2，D3(或 D1，D4)續(xù)流.此時，加在開關(guān)管 Q2，Q3(或Q1，Q4)上的電壓為二極管的正向?qū)妷?幾乎為零).如果主電路參數(shù)及PWM控制波形的死區(qū)時間設(shè)計合理，開關(guān)管Q2，Q3(或Q1，Q4)在二極管D2，D3(或D1，D4)續(xù)流結(jié)束之前開通，則可實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通.同時，將電壓超前電流的相位差控制一個較小的范圍(≤5 μs)，開關(guān)管關(guān)斷時流過的電流也會比較小，從而可以減小其關(guān)斷損耗.

通過上面的分析可知，當逆變器工作在容性狀態(tài)時，由于二極管反向恢復電流較大，容易導致開關(guān)管和換流二極管損壞，不利于逆變器的安全工作.而當逆變器工作在感性狀態(tài)時，開關(guān)管可實現(xiàn)零電壓開通，與開關(guān)管并聯(lián)的二極管為零電流關(guān)斷，換流時開關(guān)管的關(guān)斷損耗取決于電流滯后的角度.

綜上所述，為了使開關(guān)管既能實現(xiàn)零電壓開通，又能減小其關(guān)斷損耗，感應(yīng)加熱回路應(yīng)當工作在略偏感性的準諧振狀態(tài)，以確保方波電源逆變器始終工作在感性狀態(tài)，從而提高感應(yīng)釬焊系統(tǒng)的可靠性.

4 實驗結(jié)果

綜上所述，在進行頻率跟蹤時，交流方波的頻率應(yīng)略高于感應(yīng)加熱回路的諧振頻率，才能使釬焊電源逆變器工作在最佳諧振狀態(tài).

基于鎖相環(huán)電路的工作原理，設(shè)計了以SG2525A為核心的準諧振頻率自動跟蹤電路，其工作原理如圖9所示.

圖9 準諧振頻率自動跟蹤電路工作原理圖

在圖9中，感應(yīng)加熱回路的電流反饋信號If和電壓反饋信號Uf經(jīng)整形電路后變換成同頻率的方波信號Ia和Ua，二者再輸入鑒相器電路得到電流和電壓之間的相位差Δφ.同時，Ia和經(jīng)過延時后的電壓方波信號Uaa輸入相位關(guān)系檢測電路判別是電流超前，還是電壓超前.然后，相位差Δφ和相位差選擇信號再輸入相位后置處理電路進行誤差信號的判別，其結(jié)果(+Δφ或－Δφ)輸入PI調(diào)節(jié)器，經(jīng)調(diào)節(jié)后輸出的電壓信號 Uout對SG2525A輸出的PWM控制脈沖的頻率進行動態(tài)調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)諧振頻率的自動跟蹤［6］.

電壓信號Ua通過延時電路延時一段時間后，再與電流信號Ia進行相位超前(滯后)的判斷.這樣，就使得頻率自動跟蹤電路實際跟蹤的是延時后的電壓信號Uaa.因此，當頻率跟蹤電路進入鎖定狀態(tài)時，延時后的電壓信號Uaa與電流信號Ia之間就不存在相位差了，然而實際上逆變器負載兩端的電壓信號則略超前于電流信號，從而實現(xiàn)了略偏感性的準諧振頻率自動跟蹤.

在諧振頻率調(diào)節(jié)過程中，方波電源逆變器的工作頻率動態(tài)地逼近并略高于感應(yīng)加熱回路的諧振頻率，使交流方波電壓的相位始終超前于諧振電流的相位，其中相位差最小 2 μs，最大 5 μs，如圖10所示.

圖10 準諧振頻率自動跟蹤電壓與電流波形

由圖10可見，感應(yīng)加熱回路始終工作在略偏感性的準諧振狀態(tài)，不僅提高了電源的加熱效率和功率因數(shù)，而且確保了感應(yīng)釬焊系統(tǒng)安全可靠地工作.

5 結(jié)論

1)針對安裝位置導管感應(yīng)釬焊的特點，選取了電壓源串聯(lián)諧振電路作為感應(yīng)釬焊電源逆變器主電路拓撲.

2)通過串聯(lián)諧振回路阻抗分析和逆變器工作狀態(tài)分析，交流方波的頻率應(yīng)略高于感應(yīng)加熱回路的諧振頻率，才能使方波電源逆變器工作在最佳諧振狀態(tài).

3)基于鎖相環(huán)技術(shù)，結(jié)合PI調(diào)節(jié)電路和SG2525A為核心的PWM控制技術(shù)，提出了一種獨特的準諧振頻率自動跟蹤電路，實時調(diào)整逆變器的工作頻率，使感應(yīng)加熱回路始終工作在略偏感性的準諧振狀態(tài)，提高了感應(yīng)釬焊電源的運行可靠性、加熱效率和功率因數(shù).

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