段建民，吳雨川*, ，周國鵬,

（1. 武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430200；2. 三峽大學(xué) 水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002）

傳統(tǒng)的中頻電源多采用掃頻觸發(fā)工作方式[1]，當(dāng)掃頻輸出信號(hào)頻率和負(fù)載諧振頻率相等時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生諧振，再經(jīng)鎖頻電路保持諧振頻率輸出，進(jìn)而起動(dòng)成功，并在負(fù)載變動(dòng)不大的情況下維持穩(wěn)定運(yùn)行[2]。這種中頻電源電路普遍存在以下問題：（1）需要提供掃頻信號(hào)，且該信號(hào)頻率范圍需要包含諧振頻率，否則就需要調(diào)整掃頻信號(hào)范圍，一般通過反復(fù)設(shè)定才能成功起振；（2）傳統(tǒng)技術(shù)多采用鎖頻技術(shù)以穩(wěn)定諧振頻率，一旦負(fù)載變化導(dǎo)致參數(shù)變化較大，就會(huì)鎖頻不成功，導(dǎo)致電源工作中途停振，需要重新掃頻起振；（3）傳統(tǒng)技術(shù)采用的掃頻和鎖頻電路相對(duì)復(fù)雜，不易維護(hù)。

針對(duì)上述問題，本文提出了一種快速起振中頻電源電路，能夠一次起振并自動(dòng)跟蹤負(fù)載頻率變化，從而有效避免電源停振失控，即使當(dāng)負(fù)載參數(shù)變化幅度較大時(shí)也可以穩(wěn)定工作，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。

1 主電路工作原理與分析

本研究采用半橋串聯(lián)諧振逆變電路作為主電路[3]，并利用在續(xù)流電路中增加的電流互感器作為傳感元件獲得電路中續(xù)流電流的過零變化情況，捕捉負(fù)載固有頻率，進(jìn)而通過諧振電路控制晶閘管導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)以諧振頻率起振并維持工作，主電路結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如下圖1 所示。

圖1 主電路結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

上圖中主電路主要包括：（1）三相交流供電整流后經(jīng)濾波電容C0 和電感L0 得到直流電作用于半橋串聯(lián)諧振逆變電路，設(shè)定電源電壓Ud 為1200V；（2）諧振電容C1=C2=C，用于與負(fù)載一起工作產(chǎn)生諧振；（3）晶閘管VT1、VT2，用于逆變直流，每個(gè)晶閘管分別導(dǎo)通小半個(gè)周期；（4）續(xù)流二級(jí)管D1、D2，其上通過的電流為續(xù)流電流；（5）負(fù)載主電路（其中R 為負(fù)載等效電阻，L 為負(fù)載等效電感），其阻抗隨熔煉過程會(huì)發(fā)生一定幅度的變化；（6）電流互感器LT1 和LT2，用于感知流經(jīng)續(xù)流二極管上的續(xù)流電流變化并將感應(yīng)到的信號(hào)送給諧振電路。

起振時(shí)，由諧振電路發(fā)出一個(gè)起振觸發(fā)脈沖使晶閘管VT1 先導(dǎo)通，此時(shí)VT2 無觸發(fā)脈沖保持截止，二極管D1 和D2 均為反向偏置故截止，忽略VT1 的導(dǎo)通電阻后，可以將主電路簡(jiǎn)化為圖2 電路。

當(dāng)晶閘管VT1 導(dǎo)通時(shí)可以視為t=0時(shí)刻引入了一個(gè)幅值為Ud的階躍信號(hào)，因?yàn)殡娙軨1 和C2 上有初始電壓Ud/2，所以此時(shí)電路響應(yīng)為二階全響應(yīng)。此時(shí)電路的全響應(yīng)可以看成是兩部分構(gòu)成的：一部分是由C1 與負(fù)載R 和電感L 構(gòu)成的放電電路，一部分是由負(fù)載R、電感L 和C2 構(gòu)成的充電電路。

圖2 VT1 導(dǎo)通、VT2 截止時(shí)的電路拓?fù)鋱D

1.1 計(jì)算二階零輸入響應(yīng)

可以看出主電流的波形為衰減的正弦形式。

1.2 計(jì)算二階零狀態(tài)響應(yīng)

上面的計(jì)算結(jié)果表明圖2 中的充電電路在VT1 導(dǎo)通、VT2 無觸發(fā)脈沖保持截止，輸入階躍激勵(lì)的零狀態(tài)響應(yīng)結(jié)果，即電容電壓uC2的充電過程是衰減的自由正弦振蕩。

本設(shè)計(jì)在二極管D1 和D2 的支路當(dāng)中加入了電流互感器LT1 和LT2。當(dāng)VT1 導(dǎo)通時(shí)，電容C2 上電壓持續(xù)增加，直至峰值UC2=UC2m=3Ud/2，此時(shí)VT1 截止，但VT2 并未控制導(dǎo)通，電路進(jìn)入續(xù)流狀態(tài)，變?yōu)橛蒀1 經(jīng)負(fù)載與LT1 和D1 反向放電，C2 經(jīng)負(fù)載與LT1 和D1 放電，此時(shí)如果電路中沒有接入電流互感器LT1，因?yàn)殡娐穮?shù)相同，則負(fù)載上的電流波形應(yīng)該和VT1 導(dǎo)通時(shí)相同，但是因?yàn)槭艿诫娏骰ジ衅鱈T1 的互感影響，電路的阻抗值發(fā)生了變化，輸出電流變得更為平滑；當(dāng)電流互感器LT1檢測(cè)到D1 上的電流過零時(shí)，取樣得到的信號(hào)經(jīng)諧振電路輸出觸發(fā)脈沖觸發(fā)VT2 導(dǎo)通，反方向重復(fù)VT1 導(dǎo)通時(shí)的工作狀態(tài)，直至電流互感器LT2檢測(cè)到D1 上的電流過零，再次觸發(fā)VT1 導(dǎo)通，如此循環(huán)不斷，輸出一個(gè)頻率穩(wěn)定的中頻電源信號(hào)。負(fù)載上的電流工作波形圖如下圖3 所示。

顯然，改變VT1 和VT2 導(dǎo)通角就可以改變逆變電源振蕩頻率，改變負(fù)載上電流導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)而改變電源輸出功率。

圖3 負(fù)載上的電流波形圖

2 諧振電路工作原理與分析

諧振電路用于自動(dòng)撲捉負(fù)載諧振頻率，并使系統(tǒng)在諧振狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行。電路原理方框圖如圖4 所示。

圖4 諧振電路原理方框圖

2.1 起振過程分析

起振初始，因?yàn)橹麟娏鳛榱?，不存在過流現(xiàn)象，故過流判斷單元5 輸入為低電平0，起振電路中的整形單元輸出信號(hào)可以無阻塞進(jìn)入脈沖成型單元。

起振時(shí)，起振單元4 的信號(hào)輸出端與第一整形單元的信號(hào)輸入端相連接，起振單元向第一整形單元發(fā)出起振方波信號(hào)后，經(jīng)第一整形單元11 向第一與非門輸出起振方波，反相后的方波信號(hào)再進(jìn)入脈沖成型單元，將輸出方波上升沿處理為單脈沖，再經(jīng)功率放大后進(jìn)入晶閘管控制器，輸出脈沖接入到晶閘管VT1的門極G1，VT1 此時(shí)承受正向壓降，當(dāng)觸發(fā)脈沖加入門極G1 則VT1 導(dǎo)通，負(fù)載上流過電流，電路中的電流電壓變化，此時(shí)如上述主電路描述；當(dāng)D1 上續(xù)流電流過零，此電流變化由電流互感器LT1 取樣后輸入第二整形單元，經(jīng)第二整形單元21 整形為方波，并輸入第二與非門，反相后的方波進(jìn)入脈沖成型單元，將方波上升沿處理為單脈沖，再經(jīng)功率放大后進(jìn)入晶閘管控制器，輸出脈沖接入到晶閘管VT2 的門極G2，VT2 此時(shí)承受正向壓降，當(dāng)觸發(fā)脈沖加入門極G2 則VT2 導(dǎo)通，負(fù)載上流過反向電流；當(dāng)D2 上續(xù)流電流過零，電流變化由電流互感器LT2 取樣后輸入第一整形單元，整形為方波后再次用于產(chǎn)生觸發(fā)VT1 導(dǎo)通的控制脈沖，如此反復(fù)工作，電路進(jìn)入振蕩狀態(tài)，即一次起振成功。

2.2 維持振蕩分析

如上述起振后，電路進(jìn)入振蕩狀態(tài)。當(dāng)物料從固態(tài)到熔融的過程中，物料的電學(xué)性質(zhì)將會(huì)有變化，體現(xiàn)為負(fù)載阻抗會(huì)有變化，該變化會(huì)導(dǎo)致電路諧振頻率的偏移。對(duì)于采用掃頻跟蹤方式維持諧振狀態(tài)的中頻電源而言，當(dāng)負(fù)載阻抗變化較大以致諧振頻率超出設(shè)定諧振頻率范圍就會(huì)導(dǎo)致中頻電源失諧停振。

本設(shè)計(jì)當(dāng)負(fù)載阻抗變化時(shí)，因?yàn)椴皇遣捎脪哳l跟蹤的工作方式，而是通過電流互感器實(shí)時(shí)跟蹤續(xù)流電路電流過零狀態(tài)，而續(xù)流電流的波形變化情況是和負(fù)載電路的阻抗值相關(guān)的，所以理論上無論主電路負(fù)載阻抗如何變化都可以準(zhǔn)確輸出晶閘管觸發(fā)信號(hào)，維持電路穩(wěn)定工作。當(dāng)起振成功后，諧振電路可以輪流輸出穩(wěn)定的觸發(fā)脈沖維持中頻電源電路工作。

2.3 過流判斷分析

過流判斷單元的信號(hào)輸出端與非門的信號(hào)輸入端相連接，本設(shè)計(jì)設(shè)定當(dāng)負(fù)載電流信號(hào)i 大于負(fù)載電路的額定電流的1.1-1.5 倍時(shí)，判斷電流信號(hào)過載，此時(shí)過流判斷單元發(fā)出高電平信號(hào)，經(jīng)反相電路變化為低電平信號(hào)，此低電平信號(hào)分別于第一、第二整形單元輸出的方波信號(hào)相與后反相，因?yàn)槿魏涡盘?hào)與低電平信號(hào)相與，輸出均為低電平信號(hào)，所以第一與非門與第二與非門的信號(hào)輸出端均輸出高電平信號(hào)，相當(dāng)于阻塞了第一、第二脈沖成型單元的輸入，脈沖成型單元無法得到有效輸入，故而無法產(chǎn)生有效脈沖輸出，導(dǎo)致VT1 與VT2 均無法獲得有效門極控制脈沖，相當(dāng)于截?cái)嗟谝痪чl管VT1 或第二晶閘管VT2 的下一次導(dǎo)通；當(dāng)負(fù)載電流信號(hào)i 小于負(fù)載電路的額定電流的1.1-1.5 倍時(shí)，判斷電流信號(hào)正常，過流判斷單元發(fā)出低電平信號(hào)，反向后變?yōu)楦唠娖叫盘?hào)，不影響與非門輸出，控制電路正常工作。

圖5 為圖4 中各單元輸出信號(hào)的時(shí)序圖。

圖5 諧振電路各單元輸出時(shí)序圖

圖6 為諧振電路圖4 的實(shí)際電路圖。

通過上述主電路與快速起振/維持電路工作原理的分析，可以看出本設(shè)計(jì)電源啟動(dòng)時(shí)無需掃頻即可以產(chǎn)生有效觸發(fā)信號(hào)，能夠一次起振成功。又因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)并不依賴負(fù)載電路的參數(shù)進(jìn)行定頻工作，也就不需要鎖頻。而且當(dāng)負(fù)載參數(shù)變化時(shí)，只要續(xù)流二極管D1、D2 支路上的電流互感器LT1、LT2 能夠有效采樣續(xù)流電流過零變化就能夠經(jīng)控制電路產(chǎn)生VT1、VT2 有效觸發(fā)脈沖，從而維持電路振蕩工作，所以本設(shè)計(jì)可以滿足快速起振/維持中頻電源的要求。

圖6 諧振電路原理圖

3 結(jié)論

本中頻電源電路利用快速起振電路直接提供起振信號(hào)觸發(fā)晶閘管起振，再利用電流互感器取樣續(xù)流電流信號(hào)id1和id2的過零變化，進(jìn)而根據(jù)其變化分別控制晶閘管VT1 和VT2 的導(dǎo)通從而實(shí)現(xiàn)持續(xù)振蕩；同時(shí)當(dāng)負(fù)載電路的阻抗變化導(dǎo)致諧振頻率發(fā)生漂移時(shí)，由于設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)跟蹤續(xù)流電路電流過零變化，控制電路輸出的控制信號(hào)頻率隨著負(fù)載電路諧振頻率的變化而變化，避免了電路停振失控情況的發(fā)生，所以本電路是一種可以快速起振/維持并自動(dòng)跟蹤頻率變化的中頻電源電路。