放空火炬高频点火系统设计

周 篷，蒋 林，杨高鹏，周 龙，杨 旭

(西南石油大学 电气信息学院，四川 成都 610500)

放空火炬高频点火系统设计

周 篷，蒋 林，杨高鹏，周 龙，杨 旭

(西南石油大学 电气信息学院，四川 成都 610500)

针对传统放空火炬的高压电子点火系统电极易腐蚀的问题，提出了一种基于感应加热原理的新型点火系统。该电源系统的主拓扑为全桥谐振结构。通过检测负载电流与电压的相位差，利用脉冲频率调制(PFM)方式使电源工作频率实时跟踪锁定负载的固有频率，利用数字信号处理(DSP)在软件上实现数字锁相环，让电源工作在弱感性状态。基于TI公司的TMS320F28335控制芯片，搭建了点火系统的控制平台。仿真和实验结果表明，控制算法能够实现工作频率对固有频率的准确跟踪锁定，且在弱感性工作状态下，电源输出满足设计指标，具有较小的开关损耗。

感应加热；串联谐振；DSP；数字锁相环；saber

0 引言

在油气田的开采、天然气管道的日常运行中，放空火炬的使用是必不可少的一部分。它能够将有害的气体导引到高空中，并燃烧处理。目前国内的放空火炬基本上采用的是传统高压电子点火，而由于电极长期受腐蚀，在表面会形成硫化物薄膜，阻止了放电，因此电极的寿命较短。高空中的电极更换难度较大，并且频繁的更换也给生产造成了极大的安全隐患。感应加热作为一种非接触式的加热方式，几乎不受气体腐蚀的影响，属于免维护方式，这大大提高了点火系统的可靠性与安全性[1]。

感应加热是基于电磁感应原理的，交变电流在周围空间产生交变的磁场，当磁感应线切割导体时，导体会产生感应电流，由于电阻的热效应，导体便会产生热量，这就是感应加热的基本原理。

感应加热技术因其加热速度快、不受腐蚀等优点，已被广泛地应用在焊类、锻造、轧制、热处理等领域。但是将感应加热技术运用在放空火炬点火系统上，目前没有应用实例。因此，基于感应加热的放空火炬点火装置具有广泛的实际应用前景[2]。

1 系统原理与控制策略

1.1 主电路的设计

图1 主电路拓扑图

串联谐振感应加热电源的主电路结构如图1所示。进线端为单相工频交流电，经过不可控全波整流得到直流电。Cd作为直流滤波电容，其作用是滤波稳压以及在换流时吸收感性无功电流。负载侧采用高频变压器作为负载匹配使用，R、L是感应头的等效电阻和电感，C则是补偿电容，以使逆变器工作在弱感性状态，即电压相位略微超前于电流相位，而为了避免直流偏磁，所以将补偿电容器置于原边侧。

点火系统的主电路相关参数设计如下：

系统输入为220 V，50 Hz单相交流电，系统输出为25 V，500 A，30～50 kHz单相交流电。直流侧采用单相全波整流，经计算直流母线电压约为：

Ud=220×1.1=242(V)

(1)

滤波电容在逆变器中主要起到滤波、稳定电压、吸收无功电流等作用。在本设计中，采用工频单相全波整流，电压纹波脉动的基波为100Hz。为了保证提供的电压稳定，滤波电路的时间常数必须为纹波基波周期的6～8倍，此处取6倍，即：

(2)

滤波电容的耐压值必须高于直流峰值电压311V，所以滤波电容采用400V耐压4 700μF的电容。设计谐振电容时，需考虑它与电感上的无功能量交换。取品质因数Q=3，式(3)得到谐振时电容两端电压，式(4)得到容抗值，式(5)得到谐振频率为40 kHz时的谐振电容值。谐振时，感抗等于容抗，所以，式(6)得到谐振频率为40 kHz时的电感值。

(3)

(4)

(5)

(6)

1.2 控制系统的设计

点火系统的加热电源不需要对功率进行实时控制，只需要保持最大功率输出，其控制系统框图如图2所示。对于串联谐振电路来说，工作在谐振状态时其功率最大。因此，本控制系统的核心问题就是让系统工作在弱感性的准谐振状态，即负载电压相位略微超前于电流相位[3]。

图2 控制系统框图

首先，将电流互感器采集的正弦电流波转换为同相位的矩形波，利用过零比较器将正弦波的每一个过零点翻转成矩形波，并经简单的保护电路送至DSP控制芯片信号采集端。其次，DSP的CAP2捕捉模块1可以设定捕捉脉冲的上升沿或下降沿，并通过计数器将电流的相位和频率信息传递进DSP进行处理[3]。而电流波形的采集、传输、变换过程需要一定的时间，因此在DSP内部还需要对相位进行补偿。作为相位差比较的另一路电压信号，这里没有直接采集负载上的电压，而是将控制脉冲的信号作为电压的相位信号，送进CAP1模块，与CAP2模块一起进入DPLL数字锁相环进行程序运算之后再输出相应控制的脉冲，最后经隔离驱动后直接控制逆变桥的通断[4]。

2 数字锁相环设计

利用DSP可以在软件上实现数字锁相环，其原理框图如图3所示。数字锁相环的工作原理如下：利用CAP1捕捉电压波形的脉冲，CAP2捕捉电流波形的脉冲。在CAP1中断时，对CAP2的计数器进行清零，因此CAP2的捕获值就是两个波形的相位差，CAP1的值就是电压波形的周期值。再利用增量式PID环节的无差调节控制将相位差调节至零或者一个设定值。相位差和周期信号经PID调节后的控制信号再经相应的频率运算即可得到对应的频率控制值，再控制产生PWM波的工作频率[5]。

图3 锁相环控制流程

3 仿真结果与分析

基于Saber仿真软件搭建了系统仿真模型，分别对开关频率为100 kHz、23.8 kHz和在谐振状态下的感性负载的电压电流波形进行了仿真测试，其中谐振状态负载电流电压波形如图4所示，开关管电流电压波形如图5所示，开关管开通关断过程如图6所示。从不同的开关频率工作波形可以看出，电源在谐振点时具有最大的功率输出，当偏离谐振点时，输出功率开始衰减，并且越偏离谐振点，衰减越厉害。在谐振时，负载电流和电压是同相位的；当工作频率为100 kHz,大于固有频率时，电流滞后于电压相位，随着频率增大到一定程度之后相位差为90°；而工作频率为23.8 kHz，小于固有频率时，电流超前于电压相位，但由于频率过小，负载电流将失去稳定。

图4 谐振状态的负载电流和电压波形

图5 谐振时开关管的电压和电流波形

图6 谐振时开关管的关断(左)、开通(右)过程

当MOS管上的电压为0时，表示MOS管处于导通状态，电流为漏极电流Id。正常工作时，漏极电流为正，当出现负的电流时，则为IRFP460中的反并联二极管的续流电流。开关管在开通和关断时其管子上的电流几乎为零。理论上，在谐振状态时开关管是零电流开关(ZCS)的，此时电源的开关损耗为零[6-7]。实际上，电源工作于一个小的频率变化区间，也就是弱感性的工作状态。

当开关管工作于感性状态时，开关管电流电压波形如图7所示，由图可知，开关管会产生明显的反向电流，这是由于负载感性时电流相位滞后于电压相位所造成的。开关管的开关过程如图8所示，由图可知，在感性状态时，开关管在开通和关断时其电流是衰减的，因此感性状态属于小电流的开关。反复测试发现，工作点越接近谐振点时开关损耗也越小。

图7 弱感时开关管的电压和电流波形

图8 弱感时开关管的关断(左)、开通(右)过程

电源工作在容性状态的情况下，开关管开通和关断时电流很大，同时会出现电流尖峰，并且频率越小尖峰越明显，甚至可能超出MOS管的通流能力，损坏MOS管。对于串联谐振电路来说，工作在容性区的开关损耗是很大的，并且有可能损坏开关管，因此应当避免工作在此区间[8]。

4 实验结果

利用DSP开发平台，模拟一次电源的启动过程，并用两台示波器，分别观察“逆变桥”的工作频率和输出的相位差。“逆变桥”的“固有频率”设定为40 kHz。电源从较高的频率(80 kHz)启动，此时的相位差是90°，如图9所示。随后由于相位差与目标值相差过大，控制频率迅速减小，并稳定在42.7 kHz左右，也就是达到了需要的弱感性工作状态，如图10所示。

图9 启动瞬间波形

图10 弱感时稳定波形

5 结论

利用Saber对串联谐振电路的仿真表明，当电源工作在容性状态时，电源的开关损耗大，并且可能损坏开关管，因此要避免其进入此区间；谐振时电源输出功率最大，开关损耗也最小，但是容易因为波动而误入容性工作区；而工作在弱感性状态时，具有较大的输出功率，并且具有较小的开关损耗。所以应当使电源工作在弱感性状态。

利用DSP实现数字锁相环，大大减少了硬件电路开销，不存在温漂、器件老化等问题，提高了系统的稳定性。实验结果表明该控制算法能够使系统跟踪锁定固有频率，实现数字锁相环功能。

[1] 付正博．感应加热与节能——感应加热器(炉)的设计与应用[M]．北京：机械工业出版社，2008．

[2] 徐先泽，肖雅静，时千峰．感应加热技术的应用及发展[J]．现代零部件，2010(3)：62-63．

[3] 吕宏，黄玉水，张仲超．感应加热电源的PWM-PFM控制方法[J]．电力电子技术，2003，37(1)：8-11．

[4] 粟坚定．基于DSP的感应加热中频电源应用研究[D]．无锡：江南大学，2012．

[5] 曾素琼．锁相环CD4046的应用设计及研究[J]．电子质量，2012(1)：72-75．

[6] GAMAGE L, AHMED T, SUGIMURA H, et al. Series load resonant phase shifted ZVS-PWM 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,17-20，2003：30-37.

[7] 周志军．软开关电源设计与仿真研究[D]．武汉：武汉大学，2004．

[8] 倪徐良．50kHz IGBT串联谐振感应加热电源研制[D]．西安：西安理工大学，2008．

作者简介：

周篷(1993-)，男，本科，主要研究方向：感应加热技术。

蒋林(1974-)，男，博士研究生，副教授，主要研究方向：电力电子与电力传动、智能控制、新能源变换与控制。

杨高鹏(1990-)，通信作者，男，硕士研究生，主要研究方向：电力电子技术。E-mail:249186809@qq.com。

The design of high-frequency ignition system of release flare

Zhou Peng, Jiang Lin, Yang Gaopeng, Zhou Long, Yang Xu

(School of Electrical Engineering and Information, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

Aiming at the problem of electrode corrosion for traditional flare high-voltage electronic ignition system, an induction heating based ignition system is proposed. The main topology of the power system is a full-bridge resonance structure. After detecting phase difference between load current and voltage, the work frequency of the power supply would track the load natural frequency timely by using Pulse Frequency Modulation (PFM), and then realize Digital Phase Locked Loop (DPLL) in software through digital signal processing (DSP), which makes the power supply work in weak inductive state. Based on TMS320F28335 controller of TI, the ignition system is built. The results of both simulation and test show that the proposed control algorithm can realize the accurate tracking lock, and the output of power supply can satisfy the design objective under the work state of weak inductive with low switching loss.

induction heating; series resonance; DSP; digital phase locked loop; saber

杨振宇(1975-)，男，高级工程师，主要研究方向：自动控制等。

TN86

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.04.002

周篷，蒋林，杨高鹏，等.放空火炬高频点火系统设计[J].微型机与应用，2017,36(4)：4-6，17.

2016-09-22)