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固态高频感应加热电源控制技术的研究

李亚斌  
【摘要】: 感应加热电源具有高效、清洁、控制灵活及加热速度快等优点,在工业领域中有着广泛而重要的应用。针对目前固态高频感应加热电源的研究热点和存在问题,本文对构成固态高频感应加热电源的整流器、谐振逆变器、谐振槽路及控制电路进行了深入研究,主要的研究成果和结论如下: 1.研究了三相电流型PWM整流器(CSR-Current Source Rectifier)的拓扑结构和控制技术。提出了一种基于矢量合成原理的SVPWM多电平调制技术,这种多电平调制技术具有概念清晰、实现简单、通用性强等特点,可以使PWM整流器实现大功率、低开关频率和低网侧谐波;提出了一种三相电流型PWM整流器SVPWM过调制技术,拓展了整流器的直流输出范围,该过调制技术非常适合电网电压波动较大的应用场合;提出了一种采用晶闸管(SCR)实现的三相电流型PWM整流器多电平拓扑结构,并研究了其SVPWM调制策略,该拓扑可有效降低三相大功率电流型PWM整流器的装置成本。 2.研究了电压型谐振逆变器的换流过程及锁相控制策略。提出了一种使其开关损耗最小的零电压换流(ZVS-Zero Voltage Switching)控制策略,实现了电压型谐振逆变器的ZVS锁相控制;建立了全数字锁相环电路的数学模型,分析了控制参数对其稳定性和动态响应特性的影响;采用现场可编程门阵列(FPGA-Field Programmable Gate Array)实现了谐振逆变器的全数字锁相控制。同传统的模拟或数模锁相电路相比,采用这种软件编程硬件实现的逆变控制技术可以提高锁相电路的稳定性和锁相精度。 3.研究了电压型LLC谐振电路的拓扑结构及其控制技术,得出了一些具有实用价值的重要结论:a)三阶LLC谐振电路容易实现感应加热电源和负载之间的阻抗匹配;b)三阶LLC谐振电路对负载感应器的短路、开路、打火等故障具有比二阶LC谐振电路更强的适应能力;c)大功率LLC谐振逆变器并联时,各并联逆变单元对输出电压的幅值、相位、触发不同步等差异具有较强的适应能力。设计了基于逆变器输出电流、谐振电容电压反馈的双闭环全数字逆变锁相控制电路,优化了谐振逆变器开关器件的换流状态,实现了固态高频感应加热电源的高效可靠运行。 4.设计制作了一台全数字控制固态高频感应加热电源试验样机,电源的控制电路和保护电路全部由一片FPGA芯片完成,实现了控制系统的片上设计(SoC- System on Chip),文中所提的控制策略和所得结论都通过样机进行了试验验证。


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