高频串联谐振型逆变器的复合控制策略

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1、1•引言串联型同态感应加热电源凭借起动容易、易高频化的优点在高频感应加热领域得到广泛应用。为保证逆变器安全T作和提高T作效率，串联型逆变器一般T作在感性准谐振状态[1-2]o串联谐振逆变器采用传统的锁相环控制，虽然可以实现逆变器的感性工作状态，但负载功率因数角会随着负载大小发生变化，无法实现精确的定角控制[3-5]o所谓定角控制是指逆变器运行过程中保持功率因数角恒定，且不受负载参数变化影响，从而确保逆变电源安全、稳定、高效地T作。木文从定角控制角度对串联型逆变器控制方法进行了研究，提出了一种按负载电流扰动人小实

2、现相位补偿的复合控制方法。2.锁相环控制方法2.1锁相环控制方法分析逆变器传统控制方法-•般采用锁相环(PLL)电路。它主要由鉴相器(PD)、压控振荡器(VCO)和外接低通滤波器(LPF)组成。锁相环是一个相位谋差控制系统，它通过比较输入信号(控制佶号)和压控振荡器输出信号(被控制佶号)之间的相位差来调节其输出频率，从而达到锁相环路输入输出信号同频的口的。如果鉴相器和滤波参数选择适当，锁相环还可以实现无相差锁频。川联型逆变器传统控制采用锁相环的目的是利用锁相环频率自动跟踪功能实现对负载电压、电流的频率和相位关系

3、的控制，使逆变器工作在感性准谐振状态。传统控制系统框图如图1。屮联型逆变器传统控制电路的输入信号-•般取代表负载谐振频率、相位的负载电流佶号IH。压控振荡器的输出信号Vf经过死区形成电路和隔离驱动电路后，通过控制功率开关器件的开通与关断來控制负载电压的频率与相位，使负载电压的频率和相位跟随负载电流的频率和相位变化。由于电流采样、隔离驱动、逆变功率开关器件的幵通与关断都需要时间，导致锁相环输入输出信号的相位关系并不代表负载电压电流的相位关系，需加入相位补偿环节，分析如图2所示。ffll传竦桂制系境幣图▲图2控制信

4、号时序图IH为主电路中负载电流波形，IH1为由电流互感器取出的负载电流信号，出于电流互感器原边与副边信号间存在延时△★,则IH1滞后IH的时间为Atl。从压控振荡器输出到功率开关器件开通，延时为412,则UH滞后Vf的时间为412。锁相环锁定状态即1泊与Vf同频同相时，若不加入相位补偿环节，即Vf=Vf,则负载电压滞后负载电流的时间为△t1+At2,相位差（p=fx（At1+A⑵x360。。可见，由于延时的存在，锁定状态下逆变器工作在容性不安全状态。为弥补因控制信号延时引起的控制偏羞，传统控制电路一般加入相位补

5、偿环节，当相位补偿环节完全补偿控制电路信号延时，即补偿时间△t=At1+At2时，锁和环输入输出信号的相位关系等于负载电压电流的相位关系，锁相环锁定状态下负载功率因数角为0。为避免因负载参数变化使逆变器工作状态偏移到容性不安全状态，一般控制逆变器工作在感性准谐振状态，实现方法是在相位补偿电路完全补偿控制信号延时厶t1+At2基础上加入额外补偿时间413,使得锁定状态卜逆变器负载电压相位超前负载电流△t3,即相位补偿环节总延时为△t=At1+At2+At3,负载功率因数角（p=fxAt3x360°,从而保证了逆变

6、器工作在感性状态。2.2传统控制方法的不足感应加热负载为导磁材料时，具导磁率与磁场强度和温度有关，当磁场强度一定时，导磁率随温度升高而下降，口在居里点附近变化剧烈。负载从冷态被加热到热态过程屮，磁性材料负载的导磁率下降引起负载与线圈耦合电感减小，负载谐振频率上升。传统控制方法中反馈回路和位补偿环节固定延时At3虽可使逆变器工作在感性状态，但负载频率变化时，ft]At3所形成的负载功率因数角将随Z变化，频率上升，功率因数角增加，频率下降，功率因数角减小。若相位补偿电路补偿时间按频率较低时设定，则负载谐振频率升高后

7、会引起负载功率因数角增加，逆变器效率降低，若补偿时间按负载谐振频率较高时设定，则负载谐振频率低时负载功率因数角较小，逆变器安全性降低。因此，对于铁磁性材料负载，传统控制方法中和位补偿电路只能针对某一频率进行静态补偿，无法在负载谐振频率变化前后实现对负载功率因数角恒定控制。3•复合控制方法针对串联型逆变器控制控制方法在负载谐振频率变化前后不能实现定角控制的缺点，木文提出了一种改进的控制方法，即按负载电流扰动人小实现相位补偿的复合控制方法。控制系统框图见图3。复合控制方法是闭环控制与定角开环控制相结合的控制系统，它

8、在传统控制电路基础上由动态相位补偿电路替代了口前所普遍采用的固定延时相位补偿电路，在负载频率变化后自动调节功率因数角，从而提高锁相环节的控制精度和动态性能，在逆变器负载的动态变化过程中，既实现了频率跟踪，又实现了定角控制，保持逆变器功率因数角恒定。K4功念相仅补住电踣理论分析及大量研究试验证明，吊联型感应加热电源铁磁材料负载从冷态过渡到热态或从重载变为轻载的过程屮，负载电流频率（代表负