[發明專利]一種超音頻感應加熱電源裝置及其數字化控制方法

有效

• 申請號: 201610304375.6
• 申請日: 2016-05-10
• 公開（公告）號: CN105915070B
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發明（設計）人: 李曉麗;鄒傳智;顧天
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: H02M5/458
• 分類號: H02M5/458;H02H7/12;H05B6/06
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司31001
• 代理人: 翁若瑩,柏子雵

技術領域

本發明涉及一種可控加熱電源的數字化控制技術，屬于AC-AC變換技術領域。

背景技術

傳統的加熱方法普遍采用電阻絲加熱和燃爐加熱等方式，這些方式不僅效率低而且環境污染大，并且控制精度很低。又由于現代工業發展的需求以及IGBT等固態電力電子器件的出現，超音頻感應加熱電源得以廣泛應用，它利用電磁感應原理產生渦流損耗而對金屬類工件進行加熱，達到熔煉、透熱、淬火等要求。這種加熱方法不僅改善了傳統方法加熱不均、效率低、速度慢等問題，還解決了不易實現自動控制的問題。

已有的超音頻感應加熱大部分采用模擬控制，而模擬控制存在著硬件老化帶來偏差以及不易升級和擴展等問題，同時也不易進行故障診斷和遠程控制。

目前在感應加熱電源功率調節的方法上有晶閘管全控整流調功法、直流斬波調功法和逆變調功法。而晶閘管全控整流法在晶閘管的控制角較大時，電路的功率因數會很低，并且晶閘管存在固有延時，會使得系統在閉環調節時響應較慢。直流斬波比晶閘管全控整流方案降低了對供電電網的干擾，提高了輸入功率因數，但是這種方案需要在主電路增加額外的功率器件以及功率控制電路，而且斬波開關器件工作在硬開關狀態，開關損壞較大。逆變調功是通過在逆變環節對開關功率器件的通斷進行控制，調節輸出電壓的頻率來調節負載功率因數，調節輸出電壓的有效值大小來調節輸出功率，它的優點是控制電路比前面兩種方案簡單，調節輸出功率的速度比晶閘管全控整流方案要快。

在逆變調功的方案里又分為脈沖頻率調制(PFM)方法、脈沖密度調整(PDM)方法和脈沖寬度調制(PWM)方法。PFM方法通過改變逆變器輸出電壓頻率來改變負載功率因數從而調節輸出功率的大小，這種方法的主要缺點是工作頻率在功率調節過程中不斷變化，導致集膚深度也會改變，這在很多要求嚴格的場合中不適用。PDM方法通過控制脈沖密度，實際上是控制負載饋送能量的時間控制輸出功率，它的優點是輸出頻率基本不變，開關損壞相對較小，缺點是工作穩定性比較差。PWM方式是通過改變兩斜對開關管驅動信號之間的相位差來改變輸出電壓的有效值以此來調節功率，它可以實現對輸出功率的大范圍調節而頻率變化很小，還有利于數字化實現，易于實現電路的準諧振軟開關條件。

在對電路進行無功功耗的優化時，都要考慮功率管的開關頻率是否匹配負載的諧振頻率，只有當二者相等時，無功功率造成的損耗才最小。而在頻率匹配的方法上目前普遍采用的是鎖相環技術，它是一個相位反饋控制系統，作用是實現對輸入信號頻率和相位的自動跟蹤。這種系統適用范圍廣而且抗干擾能力較強，但它是一種模擬化的控制方法，并且存在頻率跟蹤范圍窄和響應速度較慢的缺點。

發明內容

本發明的目的是提出一種超音頻感應加熱電源，并在此基礎上實現數字化控制。

為了達到上述目的，本發明的一個技術方案是提供了一種超音頻感應加熱電源裝置，包括整流電路，整流電路依次連接濾波電路、過壓保護回路以及由IGBT管構成的逆變橋，逆變橋的逆變側與負載回路相連，通過負載回路對工件進行超音頻感應加熱，其特征在于，在逆變橋的逆變側連接有電壓采集電路及電流采集電路，電壓采集電路及電流采集電路的輸出均連接控制單元，控制單元通過電壓采集電路及電流采集電路不停地檢測逆變側的輸出電壓與輸出電流的相位差，基于相位差通過二分法調整控制單元輸出PWM波的頻率，讓PWM波的頻率與負載回路的諧振頻率相差在一個設定的范圍內，控制單元輸出頻率調整后的PWM波至驅動電路，利用驅動電路驅動逆變橋的IGBT管開關，使得IGBT管的開關頻率準確跟蹤到負載回路的諧振頻率。

優選地，所述控制單元包括兩路過零檢測電路及兩路AD采樣電路，其中：

兩路過零檢測電路分別連接所述電壓采集電路及所述電流采集電路的輸出，通過兩路過零檢測電路分別得到與電壓同相位同頻率的方波及與電流同相位同頻率的方波，通過定時器二采集任意一路方波的周期，根據采集到的周期獲得需產生的PWM波的頻率后輸入定時器一，由定時器一利用兩路PWM波發生器產生所述逆變橋的基準臂的PWM波及所述逆變橋的移相臂的PWM波；

兩路AD采樣電路分別連接所述電壓采集電路及所述電流采集電路的輸出，通過兩路AD采樣電路來采集實時的電壓有效值和電流有效值，從而計算出實時功率，將實時功率與設定的期望功率進行比較，經過增量式PID調節后對移相臂的移相臂的PWM波進行移相角度的調節，實現功率控制。

本發明的另一個技術方案是提供了一種上述的超音頻感應加熱電源裝置的數字化控制方法，其特征在于，包括以下步驟：