阮景奎，周玉寧，何正龍

1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 湖北十堰 442002

2.十堰高周波科工貿(mào)有限公司 湖北十堰 442013

1 序言

感應(yīng)加熱技術(shù)具有節(jié)能、加熱效率高、可控性強等優(yōu)點，是先進(jìn)的熱處理技術(shù)，在金屬工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。

楊玉崗等[2]提出一種LCLC諧振變換器，在變壓器的一次側(cè)并聯(lián)一個LC支路，有效保證LLC型諧振高效率的同時，實現(xiàn)諧振變換器的對稱雙向運行；余功成等[3]提出了采用IGBT和逆變橋雙重并聯(lián)的擴容方法，有效地提高了大功率并聯(lián)諧振型感應(yīng)加熱電源的穩(wěn)定性和功率密度；JONATHAN ZERAD等[4]根據(jù)感應(yīng)加熱負(fù)載非線性的特性，設(shè)計了非線性控制器用于頻率跟蹤。近年來的研究表明，改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)，是提高感應(yīng)加熱電源效率和性能的主要途徑。

風(fēng)電軸承是一種特殊的零件，其自身半徑大、使用工況條件惡劣，對于軸承本身需具有良好的密封性、潤滑性、耐沖擊和可靠性，而感應(yīng)加熱技術(shù)正是優(yōu)化該類產(chǎn)品工藝、提高表面質(zhì)量的關(guān)鍵所在。本文結(jié)合風(fēng)電海裝高精軸承感應(yīng)熱處理，進(jìn)行45kW的并聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源電路設(shè)計，研究了電源電路的關(guān)鍵技術(shù)，為感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展助力。

2 電源電路設(shè)計

2.1 電源結(jié)構(gòu)

感應(yīng)加熱系統(tǒng)由整流、濾波、逆變、負(fù)載以及控制電路等構(gòu)成。整流系統(tǒng)經(jīng)濾波后產(chǎn)生直流電壓，通過逆變控制電路控制，把直流電壓再按一定頻率轉(zhuǎn)換為交流電壓，提供給負(fù)載，整個過程形成了經(jīng)典的 AC/DC/AC 變換形式[5]。感應(yīng)加熱電源的基本結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 感應(yīng)加熱電源的基本結(jié)構(gòu)組成

2.2 諧振模型分析

感應(yīng)加熱電源諧振電路一般包括：串聯(lián)諧振電路、并聯(lián)諧振電路、串并聯(lián)混合電路。相較于其他兩種諧振電路，并聯(lián)諧振電路可以空載運行，由于直流側(cè)串聯(lián)大電感，當(dāng)發(fā)生過流或短路時，拓?fù)浔旧砭哂幸欢ǖ谋Ｗo(hù)能力，因此采用二階RLC并聯(lián)諧振電路作為研究對象。

并聯(lián)諧振電路由電阻、電容、電感并聯(lián)組成。諧振時，電壓、電流同相位，電源只提供電阻所需要的有功功率。并聯(lián)諧振等效電路如圖2所示。

圖2 并聯(lián)諧振等效電路

假設(shè)交流電源E為理想電源，則負(fù)載總阻抗為

式中Z——負(fù)載總阻抗（Ω）；

R——電阻（Ω）；

L——電感（H）；

C——電容（F）。

當(dāng)諧振發(fā)生時，阻抗的虛部為0，即

對于式（2），通常情況下等效電阻R很小，可忽略其對角頻率ω0的影響，因此有

此時諧振電路總阻抗Z0為

式中Q——品質(zhì)因素。

總電流I0為

綜上分析可得，諧振發(fā)生時，負(fù)載總阻抗很大，總電流卻小于各支路電流，故并聯(lián)諧振又稱為電流諧振。對于總阻抗Z0，可通過電阻、電容、電感進(jìn)行調(diào)節(jié)，這就使負(fù)載匹配更加靈活、適應(yīng)性更強。

2.3 電路設(shè)計

對用于直徑4m滾道熱處理的感應(yīng)加熱電源，設(shè)計了一種基于并聯(lián)諧振電路的仿真模型。主回路中采用三相晶閘管整流，輸入電源為 380V/50Hz 交流電，主要包含三相全橋相控整流部分，直流輸出濾波采用大功率電感濾波，逆變橋開關(guān)管采用4個IGBT器件構(gòu)成全橋理想模型，以及RLC并聯(lián)諧振電路和控制電路。感應(yīng)加熱系統(tǒng)電源電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中線路上的方點為各元器件接點。

圖3 感應(yīng)加熱系統(tǒng)電源電路結(jié)構(gòu)

3 控制策略設(shè)計

3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制

以傳統(tǒng)增量式PID算法為基礎(chǔ)，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的快速自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力，設(shè)計一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法，通過實際與給定條件間的誤差反饋補償，從而實現(xiàn)自整定控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)PID算法增量表達(dá)式為

式中u(k) ——k時刻控制量；

e(k) ——k時刻反饋誤差量；

kp——比例系數(shù)；

ki——積分系數(shù)；

kd——微分系數(shù)。

對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制系統(tǒng)，將式（7）中的kp、ki、kd視為可變參數(shù)，并且與系統(tǒng)狀態(tài)間呈非線性關(guān)系，此時利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，快速找到系統(tǒng)控制規(guī)律，確定當(dāng)前時刻kp、ki、kd最佳值，式（7）可描述為

離散化的控制器控制算法如下。

Step1：令k＝1，即當(dāng)前時刻為1，確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及參數(shù)。

Step2：計算k時刻采樣誤差e(k)＝r(k)－y(k)。

Step3：計算各層神經(jīng)元的輸入、輸出，確定kp、ki、kd。

Step4：計算確定參數(shù)kp、ki、kd下的PID控制器輸出u(k)。

Step5：進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，實現(xiàn)kp、ki、kd自整定調(diào)節(jié)。

Step6：判斷誤差e(k）是否滿足要求，若不滿足k＝k＋1，則跳轉(zhuǎn)至Step2進(jìn)行下一輪循環(huán)；若滿足，則停止迭代。

以同一被控對象G(s)＝1/(20s＋1) 為例，傳統(tǒng)PID和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線對比如圖5所示。

圖5 傳統(tǒng)PID和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制系統(tǒng)角階躍響應(yīng)曲線

由圖5可以看出，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器的系統(tǒng)出現(xiàn)誤差時反應(yīng)速度更快，有效減少了靜態(tài)誤差，且系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能得到了改善。

3.2 功率調(diào)節(jié)

整流器采用三相全控整流方案，控制器采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID功率反饋調(diào)節(jié)策略，三相全控整流方案原理如圖6所示。由于整流器的輸出電壓脈動幅度較大，利用濾波器過濾掉交流成分，完成AC/DC轉(zhuǎn)換，從而保證逆變器輸入端為直流電。

圖6 三相全控整流方案原理

三相橋式全控整流電路的輸出電壓為

式中Ud——直流電壓平均值（V）；

U2——相電壓有效值（V）；

α——觸發(fā)移相角（rad）。

當(dāng)全控制晶閘管整流橋觸發(fā)移相角α改變時，整流器輸出的直流電壓平均值是可以控制的，從而可以控制輸出功率大小。通過采樣電流和電壓作為反饋信號，計算給定功率與實際功率誤差，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID進(jìn)行自整定調(diào)節(jié)，可以得到新的相控角α，進(jìn)而保證穩(wěn)定的輸出功率[6]。

4 仿真與驗證

按照圖3感應(yīng)加熱系統(tǒng)電源電路原理圖搭建MATLAB模型進(jìn)行仿真驗證，輸入電壓380V，輸出功率45kW，其他電路元件參數(shù)見表1。

表1 感應(yīng)加熱系統(tǒng)電源電路參數(shù)

經(jīng)試驗得到負(fù)載端電流、電壓、輸出功率波形，如圖7～圖9所示。

由圖7、圖8可知，負(fù)載電壓為正弦波、電流為方波，直流側(cè)相當(dāng)于電流源，符合并聯(lián)諧振電路特點，且無雜波，輸出電壓、電流穩(wěn)定。

圖7 負(fù)載電流波形

圖8 負(fù)載電壓波形

由圖9可知，感應(yīng)電源輸出功率穩(wěn)定在45kW，符合最初設(shè)計要求。

圖9 輸出功率波形

5 結(jié)束語

為實現(xiàn)設(shè)備工作高效運行，降低無功損耗，對并聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源結(jié)構(gòu)及電路進(jìn)行了理論分析。通過電壓、電流采樣，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法，將給定功率與實際功率進(jìn)行比對，實現(xiàn)閉環(huán)反饋。通過調(diào)節(jié)移相角α，改變直流側(cè)電壓值，從而達(dá)到功率調(diào)節(jié)的目的。最后利用MATLAB SimuLation進(jìn)行仿真驗證，結(jié)果表明感應(yīng)加熱電源電路輸出電壓、電流及功率穩(wěn)定，符合最初設(shè)計要求。