书 加热设备 一工业加热 第35卷2006年第3期 种高频串联谐振型逆变器的复合控制方法 张春雨。,张智娟2,彭咏龙。 保定071003;2.华北电力大学电子与通信工程系,河北保定071003) (1.华北电力大学电力工程系,河北摘要:分析了目前普遍应用的串联型逆变器控制方法在实现逆变器工作状态控制时的优缺点,提出了一种按负载电流扰动大小实现 相位补偿的复合控制方法,实现了定角控制,进行了建模仿真和试验,仿真和试验结果验证了复合控制方法的正确性和有效性。 关键词:串联型逆变器;PLL;定角控制;相位补偿 中图分类号:TN75 1.23 文献标识码:A 文章编号:1 002—1 639(2006)03—0045—03 Research on Control Technology of High-frequency Serial Resonant Inverter ZHANG Chun—yu ,ZHANG Zhi-juan ,PENG Yong—long (1.Department of Electrical Engineering,North China Electric Power University,Baoding 07 1 003,China; 2.Depatrment ofElectronic and Communication Engineering,North China Electric Power Universiyt,Baoding 07 1003,China) Abstract:The paper analyzes the advantages and disadvantages ofthe widely applied frequency・-and・-phase・-lock method ofserial resonant in.- verter at working state contro1.The paper proposes a new compound frequency—and—phase—lock method.With the compound frequency—and. phase・lock control circuit the inverter is realized invariable—angle・contro1.Static,dynamic results ofsimulation and experiments are also pre— sented,which demonstrate the correctness and validiyt of the compound rfequency—and—phase—lock method. Key words:Serial resonant inverter;Frequency—and—phase—lock;Invariable—angle control:Phase compensation 1前言 通滤波器(LPF)组成。锁相环是一个相位误差控制系 串联型固态感应加热电源凭借起动容易、易高频化 统,它通过比较输入信号(控制信号)和压控振荡器输 的优点在高频感应加热领域得到广泛应用。为保证逆变 出信号(被控制信号)之间的相位差来调节其输出频率, 器安全工作和提高工作效率,串联型逆变器一般工作在 从而达到锁相环路输入输出信号同频的目的。如果鉴相 感性准谐振状态_l, 。串联谐振逆变器采用传统的锁相环 器和滤波参数选择适当,锁相环还可以实现无相差锁频。 控制,虽然可以实现逆变器的感性工作状态,但负载功 串联型逆变器传统控制采用锁相环的目的是利用锁相环 率因数角会随着负载大小发生变化,无法实现精确的定 频率自动跟踪功能实现对负载电压、电流的频率和相位 角控制_3 ]。所谓定角控制是指逆变器运行过程中保持功 关系的控制,使逆变器工作在感性准谐振状态。传统控 率因数角恒定,且不受负载参数变化影响,从而确保逆 制系统框图如图1。 变电源安全、稳定、高效地工作。本文从定角控制角度 对串联型逆变器控制方法进行了研究,提出了一种按负 载电流扰动大小实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一般采用锁相环(PLL)电路。 图1传统控制系统框图 它主要由鉴相器(PD)、压控振荡器(VCO)和外接低 串联型逆变器传统控制电路的输入信号一般取代表 负载谐振频率、相位的负载电流信号,H。压控振荡器的输 收稿日期:2005—12—05;修回日期:2006—03—01 作者简介:张春雨(1981一),男,华北电力大学电力工程系,硕 出信号 经过死区形成电路和隔离驱动电路后,通过控 士研究生,从事电力电子技术应用方面的研究,主要研 制功率开关器件的开通与关断来控制负载电压的频率与 究方向为高频大功率谐振型逆变电源的研究和开发、电 相位,使负载电压的频率和相位跟随负载电流的频率和 机调速和控制等方面的研究; 相位变化。由于电流采样、隔离驱动、逆变功率开关器 张智娟(1971一),女,华北电力大学电子与通信工程 件的开通与关断都需要时间,导致锁相环输入输出信号 系,讲师,博士研究生,从事高频大功率谐振型逆变电 的相位关系并不代表负载电压电流的相位关系,需加入 源的研究和开发; 相位补偿环节,分析如图2所示。 彭咏龙(1967一),男,华北电力大学电力工程系,副 ,H为主电路中负载电流波形, ,为由电流互感器取 教授,工学博士,研究生导师,从事电力电子与电力传 动的教学和科研工作. 出的负载电流信号,由于电流互感器原边与副边信号问 45 维普资讯 http://www.cqvip.com
加热设备 I / /\ 一 \ \ / / \ / \ / 一、\ \ / \ . ● H At1 L t } △ — △t— 3 l l— l t △ f 图2控制信号时序图 存在延时At1,则,H 滞后,H的时间为△f 。从压控振荡器 输出到功率开关器件开通,延时为△fz,则 滞后 的 时间为△fz。锁相环锁定状态即^ 与 同频同相时,若不 加入相位补偿环节,即uf uf,则负载电压滞后负载电 流的时间为△f1+△f2,相位差 = ×(At1+At2)×360。。 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差,传 统控制电路一般加入相位补偿环节,当相位补偿环节完 全补偿控制电路信号延时,即补偿时间At=At1+At2时, 锁相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△f +△fz基础上 加入额外补偿时间At3,即相位补偿环节总延时为At=At +At2+At3,使得锁定状态下逆变器负载电压相位超前负 载电流At3,负载功率因数角 =fx At3×360。,从而保证 了逆变器工作在感性状态。 2.2传统控制方法的不足 感应加热负载为导磁材料时,其导磁率与磁场强度 和温度有关,当磁场强度一定时,导磁率随温度升高而 下降,且在居里点附近变化剧烈。负载从冷态被加热到 热态过程中,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 反馈回路相位补偿环节固定延时△f3虽可使逆变器工作在 感性状态,但负载频率变化时,由△f3所形成的负载功率 因数角( =_厂×At3×360。)将随之变化,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,对于磁性材料负载,传统控制方法中相位补 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方法在负载谐振频率变化前 46 工业加热》第35卷2006年第3期 后不能实现定角控制的缺点,本文提出了一种改进的控 制方法,即按负载电流扰动大小实现相位补偿的复合控 制方法。控制系统框图见图3。 图3复合控制系统框图 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,它在传统控制电路基础上由动态相位补偿电 路替代了目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。 3.1动态相位补偿电路 理论分析及大量研究试验证明,串联型感应加热电 源铁磁材料负载从冷态过渡到热态或从重载变为轻载的 过程中,负载电流频率(代表负载固有谐振频率)上升, 负载电流幅值随之增加,负载从热态过渡到冷态或从轻 载变为重载的过程中,负载电流频率下降,负载电流幅 值随之减小 3娟]。在加热过程中,负载电流频率和幅值是 受负载参数变化影响的变量,本文在锁相环控制电路基 础上以电流扰动作为控制信号设计了动态相位补偿电路, 使相位补偿时间跟随负载谐振频率变化,实现定角控制。 动态相位补偿电路图和相位补偿电路波形图见图4、图5。 图4动态相位补偿电路 图4中,,H一、,H 为电流互感器取出的负载电流信号, ,H 经电阻转换成电压信号 一,,H 经整流滤波环节变为平 直电流信号,d 三极管 工作在放大区。负载冷态或重 载时,频率较低,电压比较器阀值电压 =U一,补偿时 间At=At1(图5),负载功率因数角 =Ji×AtI×360。。负 载温度上升进入热态或发生轻载时,负载电流频率上升, 维普资讯 http://www.cqvip.com
带 加热设备 同时负载电流幅值增加使,d 增加,引起 基极电流增加, 发射极电位上升,电压比较器阀值电压 =u2,u2>UI, 补偿时间At=At2,At2<At1,负载功率因数角≯ xAt2× 360。,补偿时间减小频率上升过程中负载电压电流相 位差增加,控制功率因数角基本不变,实现了定角控制。 ,Hl/ 工业加热 第35卷2006年第3期 数变化前,负载谐振频率为180 kHz,负载功率因数角为 14。,负载参数变化后,负载谐振频率为2 10 kHz,其变化 率为18%,此时负载功率因数角为14.2。,其变化率为1.4%, 负载功率因数角基本不变,可以达到定角控制的效果。 smiu- t/ ̄10-3S (a) 图6锁相环控制负载电压、电流仿真波形 图5动态相位补偿电路波形图 在动态相位补偿电路中,负载功率因数角随负载参 数变化而动态调整确保逆变器具有稳定的工作效率。另 外,逆变器负载电流很大时, 完全导通,动态相位补 偿电路最小补偿时间可以通过选择R 与Rs的比值决定, R 的存在使逆变器严格工作在感性状态,保证了逆变器 具有较高的安全性能。 4仿真和试验 4.1控制系统的仿真 基于目前普遍采用的锁相环控制方法和本文提出的 按负载电流扰动大小实现相位补偿的复合控制方法,建 立了主电路和控制电路模型,并进行了仿真和比较。 f/×10—3S (a) 图7复合锁相环控制负载电压、电流仿真波形 图6、图7分别给出了采用目前普遍应用的锁相环控 制和复合锁相环控制时负载电压、电流仿真波形,仿真电 路负载参数在2 ms时刻发生变化,以模拟加热过程中负载 变化隋况。图6中,负载参数变化前,负载谐振频率为195 kHz,负载功率因数角为14。,负载参数变化后,负载谐振 频率为230 kHz,其变化率为17.9%,此时负载功率因数角 为16.6。,其变化率为18.6%,变化较大。图7中,负载参 I2{ 8: …as’!…‘!… :62 7111:#xs: : : 4.2控制系统的试验结果 图8为本文提出的按负载电流扰动大小实现相位补 偿的复合控制样机的试验波形。试验时的直流桥电压为 200V,电流幅值约为50A,图8(a)的负载谐振频率 约为166.7 kHz,负载参数变化后负载谐振频率约为192.8 kHz,如图8(b),样机的负载电压电流波形和仿真效果 很相似,试验结果比较理想。 …’:…!…’:X:5・4o4444,,., s : ::…’ !… r ・ ,…。 ’I…}’ ●■ … 、 ●L. ;负糟路电压: / .._;一.1 I’. ...。‘i~硒 满 耄菌 ::I : / :… I:,t | } F . ● :‘…,● ●● l ● t‘ ‘‘ —t Il ● t ● ● ● _ 整 《 昌 逛 > ’l 基 \… i,,: ,t' t¨,’…l j● , …■ } _ , ●:: - - …一 } t…t ‘ ’ I _-_ l…:…一 。…:… j ..。Ht●_ 。.., i…t t ■ - _ 一 : ’ ■ I 4 …I I: j g = 一 -●● -■‘ ‘: ●…■- -i- j’■ ● -..‘ ‘l { ‘ I■ t’ t● j。 ● …_ t,…‘+_… ‘ ’ '… 鳖 《 _ 1 , ' 。t0[ k1.CH1 200V S: l11[蕾kL.od2_。 上一 . 一一 : ….:...1 1_5_f] L 14[ k】 cH1700V: Bs:一, :一 :, 。: }' , ’ '…● t一- ’ ●一.1-。: :..i■ h l 一…■ ●…i.■ 图8负载电压电流试验波形 5结论 本文分析了目前普遍应用的锁相环控制方法在实现 逆变器工作状态控制时存在的不足,在此基础上提出了 种按负载电流扰动大小实现相位补偿的复合控制方法, 一47 维普资讯 http://www.cqvip.com
j3凸热设备 工业加热 第35卷2006年第3期 燃煤高洁净度干燥介质直接发生系统的开发与应用 宋新南 ,陆建忠2 (1.江苏大学能源与动力工程学院,江苏镇江212013;2.杭州协和炉窑工程有限公司,浙江杭州310022) 摘要:提出并开发的一种以原煤为燃料的直接式干燥介质发生系统,对其工作原理、应用效果、适用领域和发展前景系统地进行了 介绍。这种系统针对我国洁净燃料短缺的特点和干燥生产降低成本的要求,通过机械化给煤、区域控温、二次燃烧等技术手段实现 了原煤的充分燃烧和SOx控制,通过熔聚、沉降和黏附实现了高温烟气的除尘净化,通过混风调节实现了干燥介质的温度控制。该 系统目前已在国内上百家企业、30余种工业产品中得到应用,与其他干燥介质发生系统相比,该系统可以使生产成本降低20%-50%。 可以有效地控制干燥介质中的烟尘和硫化物含量,可以用于对纯净度没有过高要求的各种干燥工艺过程。 关键词:煤燃烧;干燥介质;高纯净度 中图分类号:TQ534 文献标识码:A 文章编号:1002-1639(2006)03—0048-04 Development and Application on a Coal-Based Direct Producing System For High Cleanness Drying Medium SONG Xin—nan ,LU Jian—zhong (1.School of Energy and Power Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 21 201 3,China; 2.Xiehe Furnaces Ltd,Hangzhou 3 1 0022,China) Abstract:In this paper,the principle,effectiveness,applicability and prospect are presented and discussed about the coal—based direct producing system for high cleanness drying medium(CBDHC)that is suggested and developed by the author ̄In the system,the combustion completeness and SOx in coal’S burnt gas could be controlled through mechanization ofcoal’S feeding,two steps combustion and multi—section temperature regulating;the dust in coal’S burnt gas could be cleaned though agglomerating,sinking and adhering;and the temperature of the drying medium could be controlled by air—feeding.The system is developed in consideration of the clean fuel’S shortage in China and the need to decrease the cost in drying process.Up to now,about 1 00 CBDHC systems have been used in all China onto about 30s drying products, and about 20%~50%production cost could saved.It’S showed the system could be used in any drying process that does not require very high cleanness. Key words:raw—coal’S combustion;drying medium;high cleanness 1前言 耗能总量的13%~20%,我国这方面的数值约为10%l1】, 其总量也相当可观。因此,干燥过程的节能问题历来受 到广泛的关注_1, 。 如图1所示,完成干燥过程的工艺系统主要由干燥 干燥通常是指将机械水分从物料中脱除的工业过程, 干燥过程几乎存在于所有的工业领域,是应用最为广泛 的单元操作之一,同时也是耗能量较大的工业过程之一。 从某种意义上讲,干燥耗能量的大小可以反映一个国家 的工业化程度,工业发达国家的干燥耗能量通常占社会 收稿日期:2005—12—14 作者简介:宋新南(1957一),教授、高级工程师,主要从事节能、 介质发生系统和干燥操作系统两部分组成。其中,干燥 介质发生系统直接消耗煤炭、石油、燃气、电力等能源, 产出热空气、过热蒸汽等干燥介质;干燥操作系统则利 用干燥介质发生系统产出的干燥介质,对含水物料进行 干燥工艺操作,使产品得以干燥。 从工艺关系上看,干燥介质发生系统是干燥工艺过 环保、燃烧等技术研究. 邑雷e eS邑雷电G乜G邑G邑G乜G邑G己S邑G邑雷邑S也G邑雷电雷电S乜Se e雷电S邑雷邑雷乜S邑雷邑S乜G邑G S 设计了动态相位补偿电路,实现了定角控制,有效地解 决了加热负载由冷态到热态转变过程中以及发生重载或 轻载时功率因数变化较大的问题,并通过仿真和试验验 证了此方法的正确性和有效性。 参考文献: …潘天明.现代感应加热装置[M】.北京:冶金工业出版社, 1996. 踪控制的实现[J].电力电子技术,2003(4):31—33. 【5】李亚斌,彭咏龙,李和明.提高串联型逆变器频率跟踪速度 的研究[J].电工技术学报,2004,11(1):77—8l [6张智娟.I6]GBT超音频感应加热电源的研究【D】.保定:华 北电力大学,2000. 【7】FUMIYO SATO,TAKAHIKO SABA,DUK—KYU PARK, P,a1.Digital Phase—locked Loop with Wide Lock—in Range Using Fractional Divider【C】.IEEE Paciifc Rim Conference on Communications,Computers and Signal Processing,1 993. 【2】潘天明.工频和中频感应炉[M】.北京:冶金工业出版社, l981. 【8】FUMIYO RANGEL dE SOUSA,BERNARD HUYART.A Reconfigurable High—frequency Phase—locked Loop【J1.IEEE Trans.On Instrumentation and Measurement,2004,53(4): 1O35—1039. 【3】李亚斌,彭咏龙,李和明.自采样比例积分控制全数字锁相环 的性能分析和实现[J].中国电机工程学报,2005。25(18):64-69. [4】李金刚,陈建洪,钟彦儒。基于DSP感应加热电源频率跟 48
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