周篷,蔣林,楊高鵬,周龍,楊旭
(西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院,四川 成都 610500)
摘要:針對(duì)傳統(tǒng)放空火炬的高壓電子點(diǎn)火系統(tǒng)電極易腐蝕的問(wèn)題,提出了一種基于感應(yīng)加熱原理的新型點(diǎn)火系統(tǒng)。該電源系統(tǒng)的主拓?fù)錇槿珮蛑C振結(jié)構(gòu)。通過(guò)檢測(cè)負(fù)載電流與電壓的相位差,利用脈沖頻率調(diào)制(PFM)方式使電源工作頻率實(shí)時(shí)跟蹤鎖定負(fù)載的固有頻率,利用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)在軟件上實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán),讓電源工作在弱感性狀態(tài)?;赥I公司的TMS320F28335控制芯片,搭建了點(diǎn)火系統(tǒng)的控制平臺(tái)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)工作頻率對(duì)固有頻率的準(zhǔn)確跟蹤鎖定,且在弱感性工作狀態(tài)下,電源輸出滿足設(shè)計(jì)指標(biāo),具有較小的開(kāi)關(guān)損耗。
關(guān)鍵詞:感應(yīng)加熱;串聯(lián)諧振;DSP;數(shù)字鎖相環(huán);saber
中圖分類號(hào):TN86文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.04.002
引用格式:周篷,蔣林,楊高鵬,等.放空火炬高頻點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2017,36(4):4-6,17.
0引言
在油氣田的開(kāi)采、天然氣管道的日常運(yùn)行中,放空火炬的使用是必不可少的一部分。它能夠?qū)⒂泻Φ臍怏w導(dǎo)引到高空中,并燃燒處理。目前國(guó)內(nèi)的放空火炬基本上采用的是傳統(tǒng)高壓電子點(diǎn)火,而由于電極長(zhǎng)期受腐蝕,在表面會(huì)形成硫化物薄膜,阻止了放電,因此電極的壽命較短。高空中的電極更換難度較大,并且頻繁的更換也給生產(chǎn)造成了極大的安全隱患。感應(yīng)加熱作為一種非接觸式的加熱方式,幾乎不受氣體腐蝕的影響,屬于免維護(hù)方式,這大大提高了點(diǎn)火系統(tǒng)的可靠性與安全性[1]。
感應(yīng)加熱是基于電磁感應(yīng)原理的,交變電流在周圍空間產(chǎn)生交變的磁場(chǎng),當(dāng)磁感應(yīng)線切割導(dǎo)體時(shí),導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,由于電阻的熱效應(yīng),導(dǎo)體便會(huì)產(chǎn)生熱量,這就是感應(yīng)加熱的基本原理。
感應(yīng)加熱技術(shù)因其加熱速度快、不受腐蝕等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛地應(yīng)用在焊類、鍛造、軋制、熱處理等領(lǐng)域。但是將感應(yīng)加熱技術(shù)運(yùn)用在放空火炬點(diǎn)火系統(tǒng)上,目前沒(méi)有應(yīng)用實(shí)例。因此,基于感應(yīng)加熱的放空火炬點(diǎn)火裝置具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用前景[2]。
1系統(tǒng)原理與控制策略
1.1主電路的設(shè)計(jì)
串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。進(jìn)線端為單相工頻交流電,經(jīng)過(guò)不可控全波整流得到直流電。Cd作為直流濾波電容,其作用是濾波穩(wěn)壓以及在換流時(shí)吸收感性無(wú)功電流。負(fù)載側(cè)采用高頻變壓器作為負(fù)載匹配使用,R、L是感應(yīng)頭的等效電阻和電感,C則是補(bǔ)償電容,以使逆變器工作在弱感性狀態(tài),即電壓相位略微超前于電流相位,而為了避免直流偏磁,所以將補(bǔ)償電容器置于原邊側(cè)。
點(diǎn)火系統(tǒng)的主電路相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)如下:
系統(tǒng)輸入為220 V,50 Hz單相交流電,系統(tǒng)輸出為25 V,500 A,30~50 kHz單相交流電。直流側(cè)采用單相全波整流,經(jīng)計(jì)算直流母線電壓約為:
Ud=220×1.1=242(V)(1)
濾波電容在逆變器中主要起到濾波、穩(wěn)定電壓、吸收無(wú)功電流等作用。在本設(shè)計(jì)中,采用工頻單相全波整流,電壓紋波脈動(dòng)的基波為100 Hz。為了保證提供的電壓穩(wěn)定,濾波電路的時(shí)間常數(shù)必須為紋波基波周期的6~8倍,此處取6倍,即:
濾波電容的耐壓值必須高于直流峰值電壓311 V,所以濾波電容采用400 V耐壓4 700 μF的電容。設(shè)計(jì)諧振電容時(shí),需考慮它與電感上的無(wú)功能量交換。取品質(zhì)因數(shù)Q=3,式(3)得到諧振時(shí)電容兩端電壓,式(4)得到容抗值,式(5)得到諧振頻率為40 kHz時(shí)的諧振電容值。諧振時(shí),感抗等于容抗,所以,式(6)得到諧振頻率為40 kHz時(shí)的電感值。
1.2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
點(diǎn)火系統(tǒng)的加熱電源不需要對(duì)功率進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,只需要保持最大功率輸出,其控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。對(duì)于串聯(lián)諧振電路來(lái)說(shuō),工作在諧振狀態(tài)時(shí)其功率最大。因此,本控制系統(tǒng)的核心問(wèn)題就是讓系統(tǒng)工作在弱感性的準(zhǔn)諧振狀態(tài),即負(fù)載電壓相位略微超前于電流相位[3]。
首先,將電流互感器采集的正弦電流波轉(zhuǎn)換為同相位的矩形波,利用過(guò)零比較器將正弦波的每一個(gè)過(guò)零點(diǎn)翻轉(zhuǎn)成矩形波,并經(jīng)簡(jiǎn)單的保護(hù)電路送至DSP控制芯片信號(hào)采集端。其次,DSP的CAP2捕捉模塊1可以設(shè)定捕捉脈沖的上升沿或下降沿,并通過(guò)計(jì)數(shù)器將電流的相位和頻率信息傳遞進(jìn)DSP進(jìn)行處理[3]。而電流波形的采集、傳輸、變換過(guò)程需要一定的時(shí)間,因此在DSP內(nèi)部還需要對(duì)相位進(jìn)行補(bǔ)償。作為相位差比較的另一路電壓信號(hào),這里沒(méi)有直接采集負(fù)載上的電壓,而是將控制脈沖的信號(hào)作為電壓的相位信號(hào),送進(jìn)CAP1模塊,與CAP2模塊一起進(jìn)入DPLL數(shù)字鎖相環(huán)進(jìn)行程序運(yùn)算之后再輸出相應(yīng)控制的脈沖,最后經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)后直接控制逆變橋的通斷[4]。
2數(shù)字鎖相環(huán)設(shè)計(jì)
利用DSP可以在軟件上實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán),其原理框圖如圖3所示。數(shù)字鎖相環(huán)的工作原理如下:利用CAP1捕捉電壓波形的脈沖,CAP2捕捉電流波形的脈沖。在CAP1中斷時(shí),對(duì)CAP2的計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零,因此CAP2的捕獲值就是兩個(gè)波形的相位差,CAP1的值就是電壓波形的周期值。再利用增量式PID環(huán)節(jié)的無(wú)差調(diào)節(jié)控制將相位差調(diào)節(jié)至零或者一個(gè)設(shè)定值。相位差和周期信號(hào)經(jīng)PID調(diào)節(jié)后的控制信號(hào)再經(jīng)相應(yīng)的頻率運(yùn)算即可得到對(duì)應(yīng)的頻率控制值,再控制產(chǎn)生PWM波的工作頻率[5]。
3仿真結(jié)果與分析
基于Saber仿真軟件搭建了系統(tǒng)仿真模型,分別對(duì)開(kāi)關(guān)頻率為100 kHz、23.8 kHz和在諧振狀態(tài)下的感性負(fù)載的電壓電流波形進(jìn)行了仿真測(cè)試,其中諧振狀態(tài)負(fù)載電流電壓波形如圖4所示,開(kāi)關(guān)管電流電壓波形如圖5所示,開(kāi)關(guān)管開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程如圖6所示。從不同的開(kāi)關(guān)頻率工作波形可以看出,電源在諧振點(diǎn)時(shí)具有最大的功率輸出,當(dāng)偏離諧振點(diǎn)時(shí),輸出功率開(kāi)始衰減,并且越偏離諧振點(diǎn),衰減越厲害。在諧振時(shí),負(fù)載電流和電壓是同相位的;當(dāng)工作頻率為100 kHz,大于固有頻率時(shí),電流滯后于電壓相位,隨著頻率增大到一定程度之后相位差為90°;而工作頻率為23.8 kHz,小于固有頻率時(shí),電流超前于電壓相位,但由于頻率過(guò)小,負(fù)載電流將失去穩(wěn)定。
當(dāng)MOS管上的電壓為0時(shí),表示MOS管處于導(dǎo)通狀態(tài),電流為漏極電流Id。正常工作時(shí),漏極電流為正,當(dāng)出現(xiàn)負(fù)的電流時(shí),則為IRFP460中的反并聯(lián)二極管的續(xù)流電流。開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)其管子上的電流幾乎為零。理論上,在諧振狀態(tài)時(shí)開(kāi)關(guān)管是零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)的,此時(shí)電源的開(kāi)關(guān)損耗為零[67]。實(shí)際上,電源工作于一個(gè)小的頻率變化區(qū)間,也就是弱感性的工作狀態(tài)。
當(dāng)開(kāi)關(guān)管工作于感性狀態(tài)時(shí),開(kāi)關(guān)管電流電壓波形如圖7所示,由圖可知,開(kāi)關(guān)管會(huì)產(chǎn)生明顯的反向電流,這是由于負(fù)載感性時(shí)電流相位滯后于電壓相位所造成的。開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)過(guò)程如圖8所示,由圖可知,在感性狀態(tài)時(shí),開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)其電流是衰減的,因此感性狀態(tài)屬于小電流的開(kāi)關(guān)。反復(fù)測(cè)試發(fā)現(xiàn),工作點(diǎn)越接近諧振點(diǎn)時(shí)開(kāi)關(guān)損耗也越小。
電源工作在容性狀態(tài)的情況下,開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)電流很大,同時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流尖峰,并且頻率越小尖峰越明顯,甚至可能超出MOS管的通流能力,損壞MOS管。對(duì)于串聯(lián)諧振電路來(lái)說(shuō),工作在容性區(qū)的開(kāi)關(guān)損耗是很大的,并且有可能損壞開(kāi)關(guān)管,因此應(yīng)當(dāng)避免工作在此區(qū)間[8]。
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果
利用DSP開(kāi)發(fā)平臺(tái),模擬一次電源的啟動(dòng)過(guò)程,并用兩臺(tái)示波器,分別觀察“逆變橋”的工作頻率和輸出的相位差?!澳孀儤颉钡摹肮逃蓄l率”設(shè)定為40 kHz。電源從較高的頻率(80 kHz)啟動(dòng),此時(shí)的相位差是90°,如圖9所示。隨后由于相位差與目標(biāo)值相差過(guò)大,控制頻率迅速減小,并穩(wěn)定在42.7 kHz左右,也就是達(dá)到了需要的弱感性工作狀態(tài),如圖10所示?!?/p>
5結(jié)論
利用Saber對(duì)串聯(lián)諧振電路的仿真表明,當(dāng)電源工作在容性狀態(tài)時(shí),電源的開(kāi)關(guān)損耗大,并且可能損壞開(kāi)關(guān)管,因此要避免其進(jìn)入此區(qū)間;諧振時(shí)電源輸出功率最大,開(kāi)關(guān)損耗也最小,但是容易因?yàn)椴▌?dòng)而誤入容性工作區(qū);而工作在弱感性狀態(tài)時(shí),具有較大的輸出功率,并且具有較小的開(kāi)關(guān)損耗。所以應(yīng)當(dāng)使電源工作在弱感性狀態(tài)。
利用DSP實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán),大大減少了硬件電路開(kāi)銷,不存在溫漂、器件老化等問(wèn)題,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制算法能夠使系統(tǒng)跟蹤鎖定固有頻率,實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán)功能。
參考文獻(xiàn)
?。?] 付正博.感應(yīng)加熱與節(jié)能——感應(yīng)加熱器(爐)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.
?。?] 徐先澤,肖雅靜,時(shí)千峰.感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展[J].現(xiàn)代零部件,2010(3):62-63.
?。?] 呂宏,黃玉水,張仲超.感應(yīng)加熱電源的PWMPFM控制方法[J].電力電子技術(shù),2003,37(1):8-11.
?。?] 粟堅(jiān)定.基于DSP的感應(yīng)加熱中頻電源應(yīng)用研究[D].無(wú)錫:江南大學(xué),2012.
?。?] 曾素瓊.鎖相環(huán)CD4046的應(yīng)用設(shè)計(jì)及研究[J].電子質(zhì)量,2012(1):72-75.
?。?] GAMAGE L, AHMED T, SUGIMURA H, et al. Series load resonant phase shifted ZVSPWM high frequency inverter with a single auxiliary edge resonant AC load side snubber for induction heating super heated steamer[C]. The Fifth International Conference on Power Electronics and Drive Systems,Singapore,1720,2003:30-37.
?。?] 周志軍.軟開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)與仿真研究[D].武漢:武漢大學(xué),2004.
[8] 倪徐良.50kHz IGBT串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源研制[D].西安:西安理工大學(xué),2008.