CN107769603A - 二极管箝位型逆变器双频感应加热电源的解耦控制方法 - Google Patents
二极管箝位型逆变器双频感应加热电源的解耦控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了二极管箝位型逆变器双频感应加热电源的解耦控制方法，其具体包括以下步骤：步骤1：建立电平非叠加式信号中所需双频信号的谐波幅值表达式；步骤2：待步骤1完成后，利用前馈补偿方法设计双频信号解耦控制的前馈补偿器N12和N21；步骤3：待步骤2完成后，确定双频信号解耦控制参数cn1和cn2的取值范围。本发明二极管箝位型逆变器双频感应加热电源的解耦控制方法，解决了现有技术中存在的逆变器输出双频信号严重耦合、不能单独调节的问题。
Description
技术领域
本发明属于感应加热电源技术领域，具体涉及一种二极管箝位型逆变器双频感应加热电源的解耦控制方法。
背景技术
在人类环保意识不断增强的今天，感应加热的无污染、无噪音、作业环境条件的改善使它具有被广泛推广应用的巨大优势。在感应加热应用中，感应线圈中的交变电流产生相同频率的交变磁场，在被加热工件内部产生感应电流(电涡流)，使工件加热，因此，感应线圈中交变电流的频率是影响工件加热性能的主要因素。已有研究表明，在处理表面不规则几何形状的加热工件时，由于受不同部位加热厚度及角度半径的影响，常规的单频率感应加热技术难以满足这类材料的热处理要求，易造成工件变形、烧蚀等缺陷。如在汽车及航空工业领域应用广泛的齿轮、大宽厚比板状工件的硬化处理等。
为解决类似齿轮等复杂几何表面工件的热处理问题，近年来国内、外已有一些双频感应加热的方法被提出，主要分为两大类：一类为双逆变器结构，另一类为单逆变器结构。采取双逆变器结构实现双频率信号输出的方案，控制方式复杂，同步实现困难；两逆变器功率耗散不均衡；电磁干扰现象严重，输出频率信号不准确，设备体积大，投资费用高。因此，研究的方向还应着重于单逆变器结构的双频率输出研究。
现有的单逆变器结构的双频输出感应加热电源，如：带短路开关的准谐振单逆变器电源、带四元件谐振电路的单逆变器电源及基于多电平技术的单逆变器电源，其输出的双频率信号都存在信号严重耦合的问题，不能实现不同频率信号的单独调节控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二极管箝位型逆变器双频感应加热电源的解耦控制方法，解决了现有技术中存在的逆变器输出双频信号严重耦合、不能单独调节的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种二极管箝位型逆变器双频感应加热电源的解耦控制方法，具体包括以下步骤：
步骤1：建立电平非叠加式信号中所需双频信号的谐波幅值表达式；
步骤2：待步骤1完成后，利用前馈补偿方法设计双频信号解耦控制的前馈补偿器N12和N21；
步骤3：待步骤2完成后，确定双频信号解耦控制参数cn1和cn2的取值范围，完成二极管箝位型逆变器双频感应加热电源的解耦控制。
本发明的特点还在于：
步骤1中，建立的电平非叠加式信号的傅立叶表达式具体如下：
式(1)中：E为逆变器直流输入电压，θ1和θ2为逆变器开关器件的触发角；
根据式(1)能得到输出电压中基波和三次谐波的幅值V1、V3分别为：
式(2)中，x1＝cosθ1,x2＝cosθ2。
步骤2中：
根据解耦控制结构得到如下算法：
式(3)中：cn1和cn2为控制参数；
将式(3)代入式(2)中，得到基波幅值V1的表达式为：
式(4)中：
为了使V1不受cn2的影响，f(cn2)应等于零：
根据式(5)得到如下结果：
将式(3)、式(6)代入式(2)，得到三次谐波幅值V3的表达式如下：
式(7)中：
为使V3不受cn1的影响，g(cn1)应等于零，经整理后得到以N12为自变量的方程，该方程具体如下：
式(8)中：
利用卡尔丹公式对式(8)行求解，三次方程的三个根为：
式(9)中：判别式当Δ>0时，式(9)为一个实根和两个复数根；Δ＝0，式(9)为三个实根，当p＝q＝0时，为三重零根；当(q/2)2＝-(p/3)3≠0时，三个实根中有两个相等；Δ＜0时，式(9)为三个不等的实根；
结合式(3)、式(6)和式(9)中变量的关系，考虑x1、x2的取值约束条件：0＜x2＜x1＜1，及V1＞0和V3＞0的实际要求，能最终确定式(8)的解如下：
步骤3具体按照以下步骤实施：
结合式(3)、式(6)和式(9)中变量的关系，考虑x1、x2的取值约束条件：0＜x2＜x1＜1，及V1＞0和V3＞0的实际要求，能最终确定解耦控制参数cn1和cn2的取值条件如下：
①当时，
②当时，
③当时，
本发明的有益效果是：
本发明二极管箝位型逆变器双频感应加热电源的解耦控制方法，基于二极管箝位型逆变器输出的电平非叠加式信号的谐波分布特点，利用前馈补偿方法设计双频输出信号解耦控制的前馈补偿器，结合逆变器电路正常运行的合理取值条件及方程求解过程中有效解的求解条件，给出解耦控制变量的参数取值范围；本发明二极管箝位型逆变器双频感应加热电源的解耦控制方法，解决了现有单逆变器双频感应加热技术中存在的输出双频信号严重耦合，不同频率信号不能单独调节的问题，有效提高了单逆变器双频感应加热电源的可调节特性。
附图说明
图1是本发明的控制方法中基于二极管箝位型逆变器双频感应加热电源逆变电路的输出电压波形图；
图2是本发明的控制方法中二极管箝位型逆变器双频感应加热电源的解耦控制结构示意图；
图3是本发明实施例二极管箝位型逆变器双频感应加热电源电路拓扑；
图4是本发明实施例二极管箝位型逆变器双频感应加热电源的解耦控制数值仿真结果；
图5(a)是本发明实施例中当cn1＝0.75，cn2＝-0.2时，二极管箝位型逆变器的输出电压波形；
图5(b)是本发明实施例中当cn1＝0.75，cn2＝-0.2时，二极管箝位型逆变器输出电压的傅立叶波形；
图6(a)是本发明实施例中当cn1＝0.75，cn2＝-0.6时，二极管箝位型逆变器的输出电压波形；
图6(b)是本发明实施例中当cn1＝0.75，cn2＝-0.6时，二极管箝位型逆变器输出电压的傅立叶波形；
图7(a)是本发明实施例中当cn1＝0.84，cn2＝-0.6时，二极管箝位型逆变器的输出电压波形；
图7(b)是本发明实施例中当cn1＝0.84，cn2＝-0.6时，二极管箝位型逆变器输出电压的傅立叶波形。
图中，1.直流电源，2.二极管箝位型逆变器，3.单感应线圈负载电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明二极管箝位型逆变器双频感应加热电源的解耦控制方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：建立图1的电平非叠加式信号中所需双频信号的谐波幅值表达式；
建立图1电平非叠加式信号的傅立叶表达式具体为：
式(1)中：E为逆变器直流输入电压，θ1和θ2为逆变器开关器件的触发角；
以输出基频和三倍频信号为例，根据式(1)能得到图1输出电压中基波和三次谐波的幅值V1、V3分别为：
式(2)中，x1＝cosθ1,x2＝cosθ2。
步骤2：待步骤1完成后，利用前馈补偿方法设计图2中双频信号解耦控制的前馈补偿器N12和N21，具体如下：
根据图2的解耦控制结构得到如下算法：
式(3)中：cn1和cn2为控制参数；
将式(3)代入式(2)，得到基波幅值V1的表达式，该表达式具体如下：
式(4)中：
为了使V1不受cn2的影响，f(cn2)应等于零：
根据式(5)得到如下结果：
将式(3)、式(6)代入式(2)，得到三次谐波幅值V3的表达式如下：
式(7)中：
为使V3不受cn1的影响，g(cn1)应等于零，经整理后得到以N12为自变量的方程，该方程具体如下：：
式(8)中：
利用卡尔丹公式对式(8)行求解，三次方程的三个根为：
式(9)中：判别式当Δ>0时，式(9)为一个实根和两个复数根；Δ＝0，式(9)为三个实根，当p＝q＝0时，为三重零根；当(q/2)2＝-(p/3)3≠0时，三个实根中有两个相等；Δ＜0时，式(9)为三个不等的实根；
结合式(3)、式(6)和式(9)中变量的关系，考虑x1、x2的取值约束条件：0＜x2＜x1＜1，及V1＞0和V3＞0的实际要求，能最终确定式(8)的解如下：
步骤3：待步骤2完成后，确定双频信号解耦控制参数cn1和cn2的取值范围，完成二极管箝位型逆变器双频感应加热电源的解耦控制；
结合式(3)、式(6)和式(9)中变量的关系，考虑x1、x2的取值约束条件：0＜x2＜x1＜1，及V1＞0和V3＞0的实际要求，能最终确定解耦控制参数cn1和cn2的取值条件如下：
①当时，
②当时，
③当时，
本发明二极管箝位型逆变器双频感应加热电源的解耦控制方法，基于二极管箝位型逆变器电平非叠加式输出信号谐波幅值与逆变器开关器件触发角的关系，利用前馈补偿策略，设计双频信号解耦控制前馈补偿器，确定解耦控制参数的取值条件，实现了单逆变器双频感应加热电源输出不同频率信号的单独调节控制，提高了单逆变器双频感应加热电源输出信号的可调节特性。
如图2所示，其中解耦控制变量cn1的初始输入值取为0.75，在2秒后变化为0.84，控制变量cn2的初始输入值为-0.2，在1秒后变化为-0.6；如图3所示，图中涉及直流电源1、二极管箝位型逆变2、单感应线圈负载电路3，其中，直流电源1的直流输入电压E＝110V，二极管箝位型逆变2的功率开关管开关频率为20kHz，分压电容C1＝C2＝10mF，单感应线圈负载电路3的参数为：C3＝16μF，C4＝9μF，L1＝2.2μH，L＝1.408μH。
图4为解耦控制数值仿真结果，图4中的曲线依次为解耦控制变量cn1、cn2，基波幅值V1和三次谐波幅值V3。图5(a)、图5(b)分别为当cn1＝0.75，cn2＝-0.2时，二极管箝位型逆变器的输出电压波形及其傅立叶波形。图6(a)、图6(b)为当cn1＝0.75，cn2＝-0.6时，二极管箝位型逆变器的输出电压波形及其傅立叶波形。图7(a)、图7(b)为当cn1＝0.84，cn2＝-0.6时，二极管箝位型逆变器的输出电压波形及其傅立叶波形。由图4、图5(a)、图5(b)、图6(a)、图6(b)、图7(a)及图7(b)可以看出：本发明的二极管箝位型逆变器双频感应加热电源的解耦控制方法实现了基波和三次谐波信号的解耦控制，可通过控制变量cn1单独调节基波幅值，通过控制变量cn2单独调节三次谐波的幅值，提高了单逆变器双频感应加热电源输出信号的可调节特性。
Claims (4)
1.二极管箝位型逆变器双频感应加热电源的解耦控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：建立电平非叠加式信号中所需双频信号的谐波幅值表达式；
步骤2：待步骤1完成后，利用前馈补偿方法设计双频信号解耦控制的前馈补偿器N12和N21；
步骤3：待步骤2完成后，确定双频信号解耦控制参数cn1和cn2的取值范围，完成二极管箝位型逆变器双频感应加热电源的解耦控制。
2.根据权利要求1所述的二极管箝位型逆变器双频感应加热电源的解耦控制方法，其特征在于，所述步骤1中，建立的电平非叠加式信号的傅立叶表达式具体如下：
式(1)中：E为逆变器直流输入电压，θ1和θ2为逆变器开关器件的触发角；
根据式(1)能得到输出电压中基波和三次谐波的幅值V1、V3分别为：
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式(2)中，x1＝cosθ1,x2＝cosθ2。
3.根据权利要求2所述的二极管箝位型逆变器双频感应加热电源的解耦控制方法，其特征在于，所述步骤2中：
根据解耦控制结构得到如下算法：
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式(3)中：cn1和cn2为控制参数；
将式(3)代入式(2)中，得到基波幅值V1的表达式为：
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为了使V1不受cn2的影响，f(cn2)应等于零：
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将式(3)、式(6)代入式(2)，得到三次谐波幅值V3的表达式如下：
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<mn>3</mn>
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</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
<mo>;</mo>
</mrow>
为使V3不受cn1的影响，g(cn1)应等于零，经整理后得到以N12为自变量的方程，该方程具体如下：
<mrow>
<msubsup>
<mi>N</mi>
<mn>12</mn>
<mn>3</mn>
</msubsup>
<mo>+</mo>
<msubsup>
<mi>aN</mi>
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<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>+</mo>
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<mn>12</mn>
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<mo>+</mo>
<mi>c</mi>
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<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>8</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>;</mo>
</mrow>
式(8)中：
利用卡尔丹公式对式(8)行求解，三次方程的三个根为：
式(9)中：判别式当Δ>0时，式(9)为一个实根和两个复数根；Δ＝0，式(9)为三个实根，当p＝q＝0时，为三重零根；当(q/2)2＝-(p/3)3≠0时，三个实根中有两个相等；Δ＜0时，式(9)为三个不等的实根；
结合式(3)、式(6)和式(9)中变量的关系，考虑x1、x2的取值约束条件：0＜x2＜x1＜1，及V1＞0和V3＞0的实际要求，能最终确定式(8)的解如下：
4.根据权利要求3所述的二极管箝位型逆变器双频感应加热电源的解耦控制方法，其特征在于，所述步骤3具体按照以下步骤实施：
结合式(3)、式(6)和式(9)中变量的关系，考虑x1、x2的取值约束条件：0＜x2＜x1＜1，及V1＞0和V3＞0的实际要求，能最终确定解耦控制参数cn1和cn2的取值条件如下：
①当时，
②当时，
③当时，
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