何 昕,唐 波,王曉娜,葉樹(shù)亮

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 工業(yè)與商貿(mào)計(jì)量技術(shù)研究所,浙江 杭州 310018)

面向鐵氧體裂紋檢測(cè)的感應(yīng)加熱電源研制

何 昕,唐 波,王曉娜,葉樹(shù)亮

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 工業(yè)與商貿(mào)計(jì)量技術(shù)研究所,浙江 杭州 310018)

針對(duì)常規(guī)感應(yīng)加熱電源對(duì)鐵氧體加熱時(shí)存在加熱均勻性差和負(fù)載回路諧振頻率漂移的問(wèn)題,提出了一種全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的串聯(lián)諧振式數(shù)字感應(yīng)加熱電源.基于負(fù)載串聯(lián)諧振回路換流時(shí)電壓和電流的相位差特性,通過(guò)PSPICE軟件分析了阻性、感性和容性三種換流狀態(tài),仿真結(jié)果表明，串聯(lián)諧振回路工作于弱感性狀態(tài),可以保證電路安全可靠運(yùn)行;基于電磁耦合原理,對(duì)比分析了原邊補(bǔ)償和副邊補(bǔ)償兩類(lèi)負(fù)載匹配變壓器,通過(guò)匹配負(fù)載等效電阻實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)最大能效輸出;采用Fuzzy-PI頻率跟蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)負(fù)載諧振頻率實(shí)時(shí)跟蹤.最后，將研制的數(shù)字感應(yīng)加熱電源成功地應(yīng)用于鐵氧體裂紋檢測(cè)實(shí)驗(yàn).

鐵氧體;裂紋檢測(cè);串聯(lián)諧振;感應(yīng)加熱電源;熱成像

鐵氧體器件廣泛應(yīng)用于儀器儀表和直流電源中,是導(dǎo)航、雷達(dá)、通信等電子設(shè)備的關(guān)鍵磁性材料,而鐵氧體裂紋缺陷的存在嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的質(zhì)量與壽命[1].因此對(duì)鐵氧體裂紋缺陷檢測(cè)的研究顯得尤為重要和迫切.

傳統(tǒng)的鐵氧體檢測(cè)方法主要有聽(tīng)音法、滲透法和磁粉法等,嚴(yán)重依賴(lài)檢測(cè)員的主觀(guān)判斷,檢測(cè)效率較低[2].感應(yīng)熱成像作為一種新型的鐵氧體裂紋檢測(cè)手段,具有非接觸、檢測(cè)效果直觀(guān)、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、檢測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn)[3].葉樹(shù)亮等人[4]提出可以利用磁滯損耗等致熱方式使鐵氧體發(fā)熱,并根據(jù)鐵氧體裂紋處表現(xiàn)出的溫度異?，F(xiàn)象,采用感應(yīng)熱成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)鐵氧體裂紋檢測(cè).而在鐵氧體裂紋檢測(cè)的過(guò)程中,感應(yīng)加熱電源的加熱效果是保證檢測(cè)效果的重要因素.

常規(guī)感應(yīng)加熱電源加熱鐵氧體時(shí),存在負(fù)載回路諧振頻率漂移的問(wèn)題,且加熱均勻性差.本文針對(duì)這個(gè)問(wèn)題提出了一種全橋逆變結(jié)構(gòu)的串聯(lián)諧振式數(shù)字感應(yīng)加熱電源,能使負(fù)載始終工作在安全的弱感性狀態(tài),從而保證了加熱效率,滿(mǎn)足了感應(yīng)熱成像檢測(cè)鐵氧體裂紋的應(yīng)用需求.

1 感應(yīng)熱成像檢測(cè)原理

感應(yīng)熱成像檢測(cè)系統(tǒng)如圖1.U型激勵(lì)探頭與被檢鐵氧體試樣構(gòu)成閉合磁路,在感應(yīng)加熱電源的正弦交變電流激勵(lì)作用下鐵氧體近表面產(chǎn)生交變磁場(chǎng),由于存在磁滯損耗、渦流損耗等因素,鐵氧體溫度升高,尤其在鐵氧體裂紋處會(huì)產(chǎn)生溫度異?，F(xiàn)象,通過(guò)紅外熱像儀拍攝鐵氧體試樣表面的溫度分布,經(jīng)過(guò)相關(guān)的特征提取算法處理實(shí)現(xiàn)裂紋檢測(cè).

圖1 感應(yīng)熱成像檢測(cè)系統(tǒng)Figure 1 Inductive thermography detection system

其中,感應(yīng)加熱電源的性能與被檢測(cè)對(duì)象的加熱效率、均勻性、缺陷檢出率密切相關(guān).

2 感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)

感應(yīng)加熱電源的系統(tǒng)框圖如圖2.主要包括全橋逆變電路、負(fù)載電路、相位檢測(cè)電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、阻抗匹配變壓器.其中,全橋逆變電路主要用于將直流信號(hào)轉(zhuǎn)換為交流信號(hào);負(fù)載電路采用串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),包括等效電阻R,補(bǔ)償諧振電容C,以及由電磁激勵(lì)探頭與被檢鐵氧體共同構(gòu)成的電感L;相位檢測(cè)電路基于異或門(mén)鑒相器實(shí)現(xiàn),主要用于檢測(cè)負(fù)載電壓、電流相位差,并將其送于AVR處理;控制電路包括AVR和FPGA兩部分,AVR主要用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的頻率跟蹤控制,FPGA主要通過(guò)DDS技術(shù)輸出PWM信號(hào),用于給驅(qū)動(dòng)電路提供控制信號(hào);驅(qū)動(dòng)電路采用隔離式半橋柵極驅(qū)動(dòng)器ADUM7234實(shí)現(xiàn),提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電壓和電流用于驅(qū)動(dòng)MOS管;阻抗匹配變壓器用于調(diào)節(jié)負(fù)載等效電阻,改善電源系統(tǒng)輸出功率,實(shí)現(xiàn)最大能效輸出.

圖2 感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)Figure 2 Induction heating power supply system

2.1 主電路換流過(guò)程分析

在本系統(tǒng)中,負(fù)載電感由電磁激勵(lì)探頭與被檢鐵氧體共同構(gòu)成,相當(dāng)于一個(gè)鐵氧體磁芯的電感,其電感量受溫度、電流、磁導(dǎo)率等影響產(chǎn)生非線(xiàn)性變化[5-6],故負(fù)載串聯(lián)諧振電路有三種可能的工作狀態(tài):阻性、容性和感性.在不同工作狀態(tài)下負(fù)載電壓與電流的相位關(guān)系如圖3,圖中U為負(fù)載電壓波形,I1為諧振時(shí)的負(fù)載電流波形,I2為容性時(shí)的負(fù)載電流波形,I3為感性時(shí)的負(fù)載電流波形.

圖3 不同工作狀態(tài)下負(fù)載電壓電流波形圖Figure 3 Load voltage and current waveforms in different operating condition

使用PSPICE軟件對(duì)三種工作狀態(tài)下的電流換流過(guò)程進(jìn)行分析.

1)諧振換流過(guò)程

諧振條件下,負(fù)載回路存在兩個(gè)換流狀態(tài),如圖4.

圖4 阻性狀態(tài)下電流換流過(guò)程Figure 4 Current converter process in impedance state

狀態(tài)1,開(kāi)關(guān)管Q1、Q4導(dǎo)通,Q2、Q3關(guān)斷,電流經(jīng)Q1和Q4從左往右流經(jīng)負(fù)載;狀態(tài)2,當(dāng)電流為零時(shí),Q1、Q4完全關(guān)斷,Q2、Q3開(kāi)始導(dǎo)通,電流方向改變,電流經(jīng)Q2和Q3從右向左流經(jīng)負(fù)載.

2)感性換流過(guò)程

在感性狀態(tài)下,電流相位滯后于電壓相位,在一個(gè)周期中電流經(jīng)歷6種變化狀態(tài),具體換流過(guò)程如圖5.

圖5 感性狀態(tài)下電流換流過(guò)程Figure 5 Current converter process in inductive state

狀態(tài)1,Q1、Q4導(dǎo)通,Q2、Q3關(guān)斷,電流由Q1和Q4流經(jīng)負(fù)載,方向?yàn)閺淖笙蛴?狀態(tài)2,由于電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)電流尚未過(guò)零點(diǎn),Q1、Q4硬關(guān)斷,電流方向保持不變,電流由Q2、Q3體二極管及續(xù)流二極管D2、D3續(xù)流;狀態(tài)3,此時(shí)Q2、Q3零電壓開(kāi)通,電流路徑不變;狀態(tài)4,電流過(guò)零點(diǎn),方向變?yōu)橛捎蚁蜃?由已導(dǎo)通的Q2和Q3流經(jīng)負(fù)載;狀態(tài)5和狀態(tài)6與狀態(tài)2和狀態(tài)3電流變化情況對(duì)應(yīng)相同.

3)容性換流過(guò)程

在容性狀態(tài)下,電流相位超前于電壓相位,在一個(gè)周期中電流同樣需經(jīng)歷6種變化狀態(tài),具體換流過(guò)程如圖6.

圖6 容性狀態(tài)下電流換流過(guò)程Figure 6 Current converter process in capacitive state

狀態(tài)1,Q1、Q4導(dǎo)通,Q2、Q3關(guān)斷,電流由Q1和Q4流經(jīng)負(fù)載,方向?yàn)橛勺笙蛴?狀態(tài)2,由于電流過(guò)零點(diǎn)先于電壓過(guò)零點(diǎn),Q1、Q4關(guān)斷之前,電流方向變?yōu)橛捎蚁蜃?電流由開(kāi)關(guān)管Q1、Q4的體二極管和續(xù)流二極管D1和D4流經(jīng)負(fù)載;狀態(tài)3,Q1、Q4零電流關(guān)斷,電流流經(jīng)路徑不變;狀態(tài)4,Q2、Q3硬開(kāi)通,電流由Q2和Q3流經(jīng)負(fù)載,方向?yàn)橛捎蚁蜃?但是此時(shí)Q1、Q4的體二極管具有較大的反向恢復(fù)電流,容易導(dǎo)致上下管直通;狀態(tài)5和狀態(tài)6與狀態(tài)2和狀態(tài)3電流變化對(duì)應(yīng)相同.

根據(jù)以上分析,串聯(lián)諧振電路的阻性換流只是理想工作狀態(tài),在實(shí)際中很難實(shí)現(xiàn);容性換流時(shí)容易導(dǎo)致同臂的功率管直通,引起電源短路,導(dǎo)致功率器件損壞,因此換流過(guò)程應(yīng)處于感性狀態(tài)下;需要對(duì)負(fù)載諧振頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤確保換流過(guò)程始終處于弱感性狀態(tài)下,以保證電源安全可靠運(yùn)行.

2.2 阻抗匹配變壓器

負(fù)載回路由電磁激勵(lì)探頭和被測(cè)鐵氧體構(gòu)成,可以將其等效為電感和電阻的串聯(lián)模型.為了提高電源系統(tǒng)的功率因數(shù),通過(guò)增加補(bǔ)償諧振電容構(gòu)成RLC串聯(lián)諧振電路.對(duì)于串聯(lián)諧振逆變電路,為了能使逆變器輸出更大功率,通常需要引入阻抗匹配變壓器使電源的輸出阻抗與負(fù)載達(dá)到匹配.

圖7 兩類(lèi)阻抗匹配變壓器Figure 7 Two kinds of impedance matching transformers

根據(jù)補(bǔ)償電容配置的不同位置,阻抗匹配變壓器類(lèi)型可分為原邊補(bǔ)償和副邊補(bǔ)償兩種,如圖7.圖7(a)為原邊補(bǔ)償負(fù)載匹配,圖7(b)為副邊補(bǔ)償負(fù)載匹配,變壓器原副邊變比為n∶1.基于折算前后原邊與副邊功率和磁動(dòng)勢(shì)不變的原則,可以將副邊上的電阻、電感和電容折算到原邊上,得到串聯(lián)諧振等效電路模型.

對(duì)于圖7(a)所示的原邊補(bǔ)償負(fù)載匹配的變壓器,由于補(bǔ)償電容在原邊,變壓器需要傳遞大量的無(wú)功功率,因此需要設(shè)計(jì)體積更大的空心變壓器以滿(mǎn)足要求.這樣的變壓器由于變比與匝比相差較大,工程實(shí)現(xiàn)不易把握,所以一般不采用.對(duì)于圖7(b)所示的副邊補(bǔ)償負(fù)載匹配的變壓器,工作時(shí),負(fù)載回路在變壓器副邊諧振,變壓器只傳遞有功功率,因此可以設(shè)計(jì)體積更小的磁芯變壓器.

基于以上分析,本文采用副邊補(bǔ)償?shù)淖杩蛊ヅ渥儔浩鲗?shí)現(xiàn)電源功率的最佳傳輸.

2.3 頻率跟蹤控制策略

在實(shí)際應(yīng)用中,在電源啟動(dòng)時(shí)可能初始激勵(lì)頻率距離諧振頻率較大,在加熱過(guò)程中負(fù)載也存在不同程度的諧振頻率漂移現(xiàn)象,故系統(tǒng)需要具有在大范圍內(nèi)快速、準(zhǔn)確的頻率跟蹤能力.本系統(tǒng)采用Fuzzy-PI結(jié)合的復(fù)合頻率跟蹤技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤功能,整體的控制程序流程圖如圖8.

圖8 系統(tǒng)控制程序流程圖Figure 8 Flow chart of the control system

設(shè)置系統(tǒng)的加熱時(shí)間與初始激勵(lì)頻率后,啟動(dòng)電源,將AVR單片機(jī)A/D接口讀取到的相位值與設(shè)定的控制目標(biāo)相位值作比較得到相位偏差.當(dāng)|e|>ξ時(shí),采用基于查詢(xún)模糊控制表的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊控制,快速調(diào)整激勵(lì)頻率.模糊控制是一種模擬人思維的智能控制方法,易于處理復(fù)雜的非線(xiàn)性系統(tǒng),但存在固有的穩(wěn)態(tài)誤差[7-9];當(dāng)|e|≤ξ時(shí),通過(guò)增量式PI控制調(diào)整激勵(lì)頻率,由于引入了積分環(huán)節(jié),能有效消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差[10].其中,閾值的選取是關(guān)鍵,該值選取過(guò)大,不能充分發(fā)揮模糊控制快速性的優(yōu)勢(shì),而選取過(guò)小,容易造成超調(diào),ξ值應(yīng)至少大于模糊控制固有的穩(wěn)態(tài)誤差,并結(jié)合實(shí)際情況來(lái)選取.

為了對(duì)系統(tǒng)的大范圍頻率跟蹤能力進(jìn)行仿真分析,簡(jiǎn)化分析條件,忽略實(shí)際工作中相位檢測(cè)延時(shí)等影響,僅先對(duì)復(fù)合頻率跟蹤控制本身的優(yōu)越性進(jìn)行分析.將負(fù)載電阻、負(fù)載電容視為不變量,通過(guò)MATLAB編程對(duì)負(fù)載電感發(fā)生突變情況時(shí)的頻率跟蹤過(guò)程進(jìn)行仿真分析,該仿真過(guò)程同樣也可以說(shuō)明在電源啟動(dòng)時(shí)激勵(lì)頻率與諧振頻率偏差較大時(shí)電源的頻率跟蹤效果,并引入了模糊控制以及PI控制進(jìn)行對(duì)比.

仿真的參數(shù)設(shè)置如下:C=0.002 μF,R=10 Ω,采樣周期為1 ms,初始激勵(lì)頻率設(shè)為300 kHz,即諧振頻率L的初始值為140.72 μF,在5 ms時(shí)刻,突變?yōu)?20 μF,且規(guī)定負(fù)載電壓相位超前負(fù)載電流相位時(shí)相位差為正,得到三種控制方式在各自控制參數(shù)下的負(fù)載電壓、電流相位差隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖9.圖中kp、ki為PI控制中的比例系數(shù)與積分系數(shù),ku為模糊控制中的比例系數(shù).

圖9 負(fù)載電壓與電流相位差變化曲線(xiàn)Figure 9 Phase difference change curve of the load voltage and current

從圖9可以看出,采用模糊控制時(shí)頻率跟蹤速度快,但存在7°左右的穩(wěn)態(tài)誤差;采用PI控制時(shí),可以具有較高的控制精度,但難以兼顧快速性與超調(diào)量;采用Fuzzy-PI復(fù)合控制時(shí),綜合了二者的優(yōu)勢(shì),頻率跟蹤速度快、精度高、超調(diào)量小,在較短的時(shí)間內(nèi)便能跟蹤上負(fù)載諧振頻率.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 電源頻率跟蹤效果測(cè)試實(shí)驗(yàn)

在上述研究基礎(chǔ)上,研制出了一套全橋逆變結(jié)構(gòu)的串聯(lián)諧振式數(shù)字感應(yīng)加熱電源,電源系統(tǒng)樣機(jī)如圖10.

圖10 感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)樣機(jī)Figure 10 Prototype of induction heating power supply system

選取錳鋅鐵氧體材料為測(cè)試對(duì)象,設(shè)定電源的輸出電壓為40 V,采用固定頻率激勵(lì)與復(fù)合頻率跟蹤技術(shù)兩種頻率控制方式進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),通過(guò)示波器實(shí)時(shí)采樣變壓器副邊的負(fù)載電壓u、負(fù)載電流i的波形.根據(jù)模糊控制穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算公式[11],本系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差大約為7.5°,為了避免系統(tǒng)超調(diào),留取了一定余量,將ξ設(shè)定為了15°.另外,在檢測(cè)到相位角為3°～6°時(shí),不調(diào)整激勵(lì)頻率,使負(fù)載處于安全的弱感性狀態(tài).圖11示出采用諧振頻率作為固定頻率激勵(lì)時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形,圖12示出采用復(fù)合頻率跟蹤技術(shù)控制時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形.

圖11 諧振頻率激勵(lì)時(shí)實(shí)驗(yàn)波形Figure 11 Experiment waveforms of exciting under resonant frequency

圖12 復(fù)合頻率跟蹤技術(shù)控制時(shí)實(shí)驗(yàn)波形Figure 12 Experiment waveforms of composite frequency tracking control technology

由圖11、圖12可見(jiàn):在加熱過(guò)程中,如不進(jìn)行頻率跟蹤,負(fù)載的工作狀態(tài)會(huì)由初始的諧振狀態(tài)向危險(xiǎn)的容性狀態(tài)偏移,負(fù)載電流波形開(kāi)始慢慢失真;采用復(fù)合頻率跟蹤技術(shù)控制后,可以快速搜索到負(fù)載的諧振頻率,加熱過(guò)程中的頻率跟蹤效果良好,使電源始終處于安全的弱感性狀態(tài).

3.2 鐵氧體裂紋檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

選取了一塊帶有天然裂紋的鐵氧體試樣進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn),鐵氧體實(shí)物如圖13(a).激勵(lì)功率為150 W,激勵(lì)頻率為150 kHz,激勵(lì)時(shí)間為5 s,實(shí)驗(yàn)中所用熱像儀為美國(guó)FLIR A35型,像素分辨率320×256,幀頻60 Hz,選取最高溫幀時(shí)的熱圖像進(jìn)行拉普拉斯算子處理,對(duì)溫度的特征信息進(jìn)行提取,得到的檢測(cè)效果圖如圖13(b).

圖13 鐵氧體實(shí)物與裂紋檢測(cè)效果圖Figure 13 Picture of ferrite and crack detection effect

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,鐵氧體試樣受磁滯損耗等因素的影響,溫度升高,而試樣上存在的裂紋阻礙了其熱傳遞,在裂紋處表現(xiàn)出溫度異常,通過(guò)對(duì)最高溫幀的熱圖像進(jìn)行相關(guān)處理,能清晰判別出存在的裂紋,研制的感應(yīng)加熱電源能很好地滿(mǎn)足鐵氧體裂紋檢測(cè)的應(yīng)用需求.

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種全橋逆變結(jié)構(gòu)的串聯(lián)諧振式數(shù)字感應(yīng)加熱電源,對(duì)負(fù)載串聯(lián)諧振回路的阻性、感性和容性三種換流狀態(tài)，原邊補(bǔ)償和副邊補(bǔ)償?shù)膬深?lèi)負(fù)載匹配變壓器以及Fuzzy-PI頻率跟蹤技術(shù)進(jìn)行了分析與優(yōu)化,并將優(yōu)化結(jié)果應(yīng)用于研制的感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)中.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在對(duì)鐵氧體加熱過(guò)程中電源系統(tǒng)始終穩(wěn)定工作于弱感性狀態(tài),紅外熱像儀觀(guān)察到鐵氧體裂紋尖端的溫度異?，F(xiàn)象,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵氧體裂紋的無(wú)損檢測(cè).

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Development of an induction heating power supply for detecting ferrite surface cracks

HE Xin, TANG Bo, WANG Xiaona, YE Shuliang
(Institute of Industry and Trade Measurement Technique, College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

Aiming at the problems of the non-uniform heating distribution and the resonanted frequency drifting of load in ferrite heating using the conventional induction heating power, a series resonant digital induction heating power with a full bridge inverter structure was proposed. Based on the characteristics of phase difference between voltage and current during the commutation of series resonant circuits, the resistive, inductive and capacitive states were simulated with PSPICE. The result show that the circuit operated reliably when the series resonant circuit ran in the weakly inductive state. Based on the principle of electromagnetic coupling, primary compensation and secondary compensation load matching transformers were analyzed; and the latter was applied to the power supply by matching the load equivalent resistance to realize maximized energy efficiency output. The Fuzzy-PI frequency tracking technology was applied to the power supply to realize real-time frequency tracking. Finally, the digital induction heating power was successfully used for the ferrite crack detection experiment.

ferrite; crack detection; series resonance; induction heating power supply; thermal imaging

2096-2835(2017)01-0051-06

10.3969/j.issn.2096-2835.2017.01.009

2016-12-09 《中國(guó)計(jì)量大學(xué)學(xué)報(bào)》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)(No.2013YQ470767).

何 昕(1991- )，男，浙江省杭州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)損檢測(cè)技術(shù)與設(shè)備.E-mail:18767159668@163.com. 通信聯(lián)系人：葉樹(shù)亮，男，教授.E-mail:itmt_paper@126.com.

TN86;TG115.28

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