基于HPDM的感应加热电源功率调节技术

彭咏龙，李荣荣，李亚斌，路智斌，李瑞珂。

（1.华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003； 2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 210032）

1 引言

感应加热电源可用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等诸多工业领域。依据控制方式的不同，感应加热电源输出功率调节可分为脉冲频率调节，脉冲宽度调节和脉冲密度调节等［1］。其中前2 种调节方式由于对功率开关器件来说不能始终工作在零电流和零电压开关状态，因而会导致开关损耗的增加和电磁噪声的干扰。另一方面，前2 种控制方式在调节输出功率的同时会改变输出电压和电流的相位差，从而影响频率跟踪控制器或者锁相环控制器的频率跟踪性能［2］。相比于前2 种功率调节方式，脉冲密度调节控制感应加热电源输出功率的方法，能够通过对脉冲序列的合理选择，实现对输出功率更大范围的调节，同时可以保证感应加热电源逆变器始终处于近似谐振工作状态，在整个运行过程中都具有较高的负载功率因数和较低的谐波畸变率［3］。

然而PDM主要用于负载Q值比较大的场合。在实际应用中，因负载的Q值一般不宜过大，使PDM在轻载时容易产生电流断续，导致感应加热电源输出电流波动很大。为了解决上述问题。文献［4］提出均匀脉冲密度调制（Symmetrical Pulse Density Modulation，SPDM）控制方法；文献［5］提出复合脉冲密度调制（Composite Pulse Density Modulation，CPDM）控制方法。SPDM在大部分功率调节范围内负载电流连续；但是SPDM控制复杂，且输出功率调节的级数为定值，改变输出功率调节的级数时，则必须重新设计。CPDM当负载Q值较小、轻载时，负载电流易断续、波动大。本文提出一种新的混合脉冲密度调制（ Hybrid Pulse Density Modulation，HPDM）的方法来调节感应加热电源的输出功率。详细分析了混合脉冲密度调制技术的原理和控制策略，搭建了基于Matlab/Simulink的仿真模型并与SPDM和CPDM控制方法进行比较。通过分析比较可知，这种方法控制脉冲分布均匀，电流连续性好，即使在负载Q值不太大的情况下，也能使感应加热电源输出电流波动很小；而其独特的模块化设计，使控制方法简易、灵活、易扩展。

2 脉冲密度调节

感应加热电源主电路结构如图1所示。

图1 感应加热电源主电路结构Fig.1 The main circuit structure of induction heating power supply

图1中，感应加热电源采用50 Hz三相交流电源u1供电；整流电路采用三相桥式不可控整流电路，整流器将交流电流转换为直流电流；直流电流经过滤波环节，减小直流电流的波动，然后将直流电流送往逆变器；逆变器将平滑的直流电电流转换为感应加热负载所需频率的交流电流。

根据三相桥式不可控整流原理可知：

逆变侧采用PDM 控制感应加热电源的输出功率，PDM 通过控制向负载馈送能量的时间来控制输出功率，其中假设一个PDM 的工作周期是T，TA是PDM 控制向负载传送能量的时间，而剩下（T-TA）的时间逆变器不输出功率，负载能量以自然振荡形式逐渐衰减，输出的脉冲密度为TA/T，通过改变脉冲密度就可改变输出功率[2]。PDM 的输出功率为：

式中：T是PDM 的工作周期；TA是PDM 控制向负载传送能量的时间；Pmax是负载的最大输出功率。

式中：Q是负载的品质因数，ω0是负载的谐振频率。

3 HPDM 控制策略

本文提出HPDM 的控制方法，设计了基于SPDM 的基本控制模块，并在宏观上对数个这样的基本控制模块进行复合控制，来调节谐振逆变器的输出功率。HPDM 的控制电路如图2 所示。

图2 HPDM 的控制电路Fig.2 The control circuit of HPDM

首先设计基于SPDM 的基本控制模块T，把逆变器开关管的控制信号看成是由n个 1/2j（j=1，2，…，n）计数器相加而成，即一个控制周期有2n个驱动脉冲组成。当第一个1/2 计数器的输出信号作为开关管的触发脉冲时，每2个驱动脉冲中有1 个作为触发脉冲，此时开关管的脉冲控制密度是1/2；同理当第j个1/2j（j=1，2…n）计数器的输出信号作为开关管的触发脉冲时，每2j个驱动脉冲中有1 个作为触发脉冲，此时开关管的脉冲控制密度是1/2j；通过把这n个1/2j（j=1，2…n）计数器进行不用的组合，则开关管的触发脉冲时间是以T/2n为公差，范围从0 到T的等差数列。控制这n个计数器的组合，就可以控制逆变器的输出功率。每个基本控制模块的功率调节级数不宜过大，本文选为8级，即把逆变器开关管的控制信号用1/2，1/4和1/8 3 个计数器相加而成，对这3 个计数器的输出脉冲进行组合相加，即可实现 8 级的SPDM，如图3 所示。

图3 8 级SPDM 的开关管触发脉冲Fig.3 Eight series SPDM trigger pulse of switches

由PDM 的控制原理可知，当T＞＞τ 时，输出功率与脉冲密度成正比，即当TA取T/m时，P等于最大功率Pmax的1/m。HPDM 取不同的TAi/T（i=1，2…n）值的组合，对n个基本控制模块的输出功率进行复合控制。制定好功率与n个TAi/T的查找表，根据功率给定的大小，通过查找表确定n个TAi/T分别对应的值。最后通过查找表选择控制模块来使这n个TAi/T值依次控制基本控制模块，即在（i-1）T-iT内Pi等于最大功率Pmax的TAi/T。本文取n=4，记P∑max为一个 HPDM 周期内全触发时输出的最大功率，可得P与P∑max的比值关系如表1 所示。如此可以用HPDM 实现感应加热电源输出功率的32 级调功。

表1 TAi/T与P/P∑max关系表Tab.1 The relationship between TAi/T and P/P∑max

4 仿真分析

对本文提出的用HPDM 调节感应加热电源输出功率的方法搭建Matlab/Simulink 仿真模型。按图1所示主电路设计的参数为：感应加热电源采用50 Hz三相交流电源u1供电，U1=220 V，设计负载谐振频率为50 kHz，C=0.265 μF，R=3 Ω，L=0.038 2 mH，Q=4。图4～图6 所示为开关器件的控制脉冲密度D分别为7/32、15/32、21/32 时，HPDM，CPDM 和SPDM 控制输出电压和电流的仿真波形。

图5 D=15/32输出电压和电流波形Fig.5 The output voltage and current D=15/32

图6 D=21/32输出电压和电流波形Fig.6 The output voltage and current D=21/32

记负载侧输出电流最大的峰值为Imax，最小的峰值为Imin，表2 给出这3 种控制方法负载侧的输出电流进行比较。

表2 各种PDM 控制负载电流对照表（单位：A）Tab.2 The load current table controlled by various PDM（Unit：A）

分析仿真波形和数据可以得出：当D小于7/32时CPDM 控制的负载电流会出现断流情况，而HPDM 和SPDM 控制的负载电流即使在D很小的情况下，仍不会出现断流。对比HPDM 和SPDM这两种方法我们可以发现：在同一调制比D的情况下，HPDM 控制的负载电流的Imin值要大于SPDM 控制电流的Imin值；相反，HPDM 控制的负载电流的Imax值要小于SPDM 控制电流的Imax值。也就是说HPDM 控制的负载电流波动性更小，连续性更好。

5 结论

本文提出了HPDM 调节感应加热电源输出功率的方法，合理优化了控制脉冲的分布，并对这种方法进行仿真验证。通过与已有脉冲密度控制方法进行比较可知，HPDM 使感应加热电源的输出电流更加平稳连续；通过设计基本控制模块可灵活扩展感应加热电源输出功率调节的级数，有效节约设计时间和成本。

［1］戚宗刚，柳鹏.感应加热调功方式的探讨［J］.金属热处理，2003，28（7）：54-57.

［2］FUJITA H，AKAGI H.Pulse Density Modulated Power Control of a 4 kW，450 kHz Voltage-source Inverter for Induction Melting Applications［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1996，32（2）：279-286.

［3］李亚斌，彭咏龙，李和明．串联谐振逆变器的最优ZVS控制［J］．电力电子技术，2006（03）：14-16．

［4］颜文旭，沈锦飞，惠晶，等.脉冲均匀调制功率控制串联谐振式逆变器［J］.电力电子技术，2004（04）：6-7，40.

［5］蔡爱军，惠晶，沈锦飞.基于CPDM 功率控制高频谐振电源的研究［J］.电力电子技术，2004（04）：43-45.