傳統感應加熱電源及改進

傳統的感應加熱電源的主電路結構如圖1所示
，包括四個部分：不控整流
、大電容儲能濾波
、逆ni變bian電dian路lu和he諧xie振zhen負fu載zai。圖tu中zhong通tong過guo不bu可ke控kong整zheng流liu的de方fang式shi將jiang交jiao流liu變bian為wei直zhi流liu
，再zai通tong過guo大da電dian容rong濾lv波bo變bian成cheng比bi較jiao穩wen定ding的de直zhi流liu電dian作zuo為wei逆ni變bian電dian路lu的de供gong電dian電dian源yuan，在zai逆ni變bian側ce部bu分fen實shi現xian係xi統tong的de逆ni變bian輸shu出chu和he功gong率lv調tiao節jie。

圖1：傳統感應加熱電源係統結構圖

整個係統由DSP控製

，電壓電流檢測裝置通過檢測直流母線的電壓值和電流值並變送給DSP，以實現功率反饋。負載檢測包括溫度檢測和頻率跟蹤，通過將紅外線傳感器檢測到的溫度值變送給DSP，以實現溫度反饋;通過檢測負載的諧振電流和電壓信號反饋給DSP以實現頻率跟蹤。在DSP內部對電壓、電流等反饋信號分別A/D變換
、保持，通過數字乘法運算求出實際輸出功率與數字給定功率比較，對偏差進行數字PID控製，可實現電源輸出功率的閉環控製和DPLL頻率跟蹤，故障檢測保護電路對缺水、過熱、過壓、過流等故障實時監控，由DSP故障處理子程序比較判斷後
，以中斷方式處理各類故障、並報警顯示。

這zhe種zhong傳chuan統tong感gan應ying加jia熱re電dian源yuan由you於yu采cai用yong大da電dian容rong無wu源yuan濾lv波bo，造zao成cheng輸shu入ru電dian流liu畸ji變bian
，對dui電dian網wang造zao成cheng諧xie波bo汙wu染ran，輸shu入ru功gong率lv因yin數shu降jiang低di，而er且qie不bu利li於yu節jie約yue用yong電dian成cheng本ben。為wei了le提ti高gao能neng源yuan利li用yong率lv，減jian少shao感gan應ying加jia熱re裝zhuang置zhi對dui電dian網wang的de汙wu染ran，必bi須xu采cai用yong有you源yuan功gong率lv因yin數shu校xiao正zheng技ji術shu。

由於係統已采用DSP作為主控製器，使用專用PFC芯片反而會增加係統硬件成本，降低係統的集成度
，而且調試不方便
，更不利於係統升級，所以本文研究在原有係統的基礎上，利用DSP實現功率因數校正。

在原有主電路的整流和逆變部分加入Boost電路，如圖2所示，Boost電路是用來改善網側電流波形

，提高電源功率因數的DC/DC變換器;在直流母線側

，通過檢測Boost電路的輸入電壓、電感電流和輸出電壓，通過DSP的軟件控製算法，控製Boost開關管的通斷來達到功率因數校正的目的。

圖2：具有APFC的感應加熱電源主電路結構圖

基於DSP的APFC實現

圖3給出基於DSP-TMS320F2812的APFC控製原理圖。TMS320F2812芯片是TI公司推出的32位定點數字信號處理器
，具有強大的控製和信號處理能力
，是用於數字電力電子變換與控製的高性價比DSP芯片。

APFC控製原理如下：Boost電路的輸出電壓
，即直流母線電壓V0經傳感器采樣、隔離後送入DSP的ADCIN2口，並轉換為數字信號
，與參考數字電壓Vref比較
，其偏差值送入電壓控製器Gv

，通過糾偏控製使V0與Vref相等，Gv采用數字PI控製，有：

電壓控製器G的輸出信號B與Boost變換器的輸入電壓Vin經隔離
、A/D變換後的數字信號A相乘，乘積作為電感電流Iin的參考信號Iref。電感電流Iin與參考信號Iref比較後，差值[member]
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送入電流控製器Gc，Gc也采用數字Pl控製
，有：

這樣便輸出脈寬調製波
，經驅動器隔離、放大後驅動開關管高頻導通/關斷，以實現電感電流Iin實時跟蹤Iref。

圖3：基於TMS320F2812的APFC控製原理圖

實現式(2)和式(4)時，為了防止Uv(n)，Uc(n)過大造成係統失控，還必須將他們限定在合適的範圍內。對此，可按以下方法實現離散控製。


 
電流環同理，當開關管工作在很高的頻率時(比如f=100 kHz)，電壓環調節器Gv的輸出基本不變，所以乘法器輸出的Iref基本上是和輸入電壓成比例的波形，就可實現輸入電流對輸入電壓的實時跟蹤，且保持二者相位相同，使輸入功率因數接近於1。

實驗研究

根據以上理論
，設計一台單相輸入220 V、功率4 kW、諧振頻率30 kHz的超音頻感應加熱電源樣機，並且對加入APFC電路前後的網側電壓

、電流進行對比分析

，實驗結果分別如圖4，圖5所示。圖4為傳統感應加熱電源網側的電壓、電流波形，從圖中可以看出
，電壓雖是正弦波，但由於直流側中間儲能大電容的存在
，致使電流導通角隻有90°，網側電流波形嚴重畸變，呈一係列斷續的尖峰脈衝，在同等功率條件下，電流的峰值成倍提高、諧波分量加大、電源功率因數降低(cosφ△0.7)。圖5為引入APFC以後的感應加熱電源網側電壓
、電流波形，從圖中可以看出，引入APFC技術後
，電流波形與電壓波形是同相位的正弦波
，感應加熱電源有接近於1的輸入功率因數和很低的電流總畸變率，減少了對電網的汙染。　　

圖4：傳統感應加熱電源網側電壓與電流波形

圖5：引入APFC校正後的電網電壓與電流波形

實驗結果表明：APFC技術的引入使電源的輸入功率因數接近於單位功率因數，減少了諧波對交流電網的汙染，使感應加熱電源的功率顯著提高。