CN113946174B

CN113946174B - 一种控制多路输出功率转换装置及方法

Info

Publication number: CN113946174B
Application number: CN202111214099.1A
Authority: CN
Inventors: 武周; 刘培元; 杨振宇; 骆宇时; 戴圣龙
Original assignee: AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Current assignee: AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Priority date: 2021-10-19
Filing date: 2021-10-19
Publication date: 2022-08-09
Anticipated expiration: 2041-10-19
Also published as: CN113946174A

Abstract

本发明涉及电能功率转换技术领域，提供了一种控制多路输出功率转换装置及方法，包括主电路和控制电路，其中主电路包括依次连接的三相交流电源、三相全桥整流装置、稳压滤波装置、逆变装置和若干个输出回路；控制电路包括处理器、信号反馈电路、目标值预设电路、整流触发驱动电路和逆变触发驱动电路；处理器具有A/D转换通道和差频异相算法单元，所述差频异相算法单元用于控制所述逆变触发驱动电路。本发明不仅可以控制多路输出功率的转换，还保证了电源整体资源的合理配置和利用，并同时解决了同轴放置邻近感应圈的电磁干扰问题，保证了分区温度控制的精确稳定。

Description

一种控制多路输出功率转换装置及方法

技术领域

本发明涉及电能功率转换技术领域，具体是一种控制多路输出功率转换装置及方法。

背景技术

感应加热技术广泛应用于金属材料热加工过程，主要工作原理是利用电磁感应定律，给感应线圈中交变的电流产生磁场，在线圈的中心位置放置金属材料或导磁材料，利用感应磁场所产生的感应电流在导磁材料中产生涡流，去实现材料的加热、融化或烧结等工艺。此外感应技术还是一门伴随电力电子器件发展而发展的技术，之前的电力开关元器件无论是从耐压等级、开关频率、功率承受能力方面，在近几十年中都经历了一段突飞猛进的发展，从早期的电力二极管、MOS管、GTR、可控硅晶闸90管、到IGBT(绝缘栅双极性晶体管)各种开关器件的技术发展变化，相应的推进了感应加热技术的发展，其中整流、逆变、保护模块的控制技术是感应加热技术的关键，近年来微电子技术与嵌入式微处理器技术也是突飞猛进，尤其对感应加热控制技术有很大的提升。传统的感应加热控制技术是模拟信号的电路板对输入和反馈回路信号进行处理，然后再通过LCR元器件产生振荡电路电力开关器件所需的触发脉冲进行控制，此方法在早期确实可以解决一部分控制需求，但实际上控制精度并不高，检测反馈所需实现的电路复杂，装置体积庞大。进入21世纪后，电力电子器件IGBT广泛工程化应用，此元器件所采用的全控开关方式，单管容量高等优越性能受到市场的追捧，没有关断死区的限制大大提高了开关频率，单管容量增大提高了装置的工作效率，IGBT中频感应电源功率转换装置逐渐成为感应加热领域研发的热门。

但是在感应加热领域通常是一个电源功率转换装置配一套输出回路负载，如果是多套输出回路，必然会需要配置多个电源功率换能装置，这给生产厂家带来了较高的资产投入，而多个装置的使用效率不尽相同，有的输出容量有富裕，有的满功率输出还不能满足，造成投资大、占地广、使用效率不高等问题矛盾。且当在热加工中经常出现的多个感应加热区域同时工作相互干扰，出现无法正常工作等故障问题，有时导致分区温度控制不准确，有时干扰太强，直接影响到几个输出回路不能同时工作的地步。尤其是现有一类真空感应熔炼炉，内置3个安装比较邻近的感应线圈，其中两个线圈是同轴相邻放置间隙很小，控制干扰问题一直迟迟不能解决，以至于到了严重影响生产工艺产品质量的程度。

发明内容

本发明的目的是提供一种控制多路输出功率转换装置及方法，以实现控制多路输出功率转换装置合理分配电能的同时，还能有效避免各输出回路见的相互干扰。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

第一方面，提供了一种控制多路输出功率转换装置，包括：

主电路，所述主电路包括依次连接的三相交流电源、三相全桥整流装置、稳压滤波装置、逆变装置和若干个输出回路；

控制电路，所述控制电路包括处理器、信号反馈电路、目标值预设电路、整流触发驱动电路和逆变触发驱动电路；

其中，所述处理器具有A/D转换通道和差频异相算法单元，所述差频异相算法单元用于控制所述逆变触发驱动电路；

所述信号反馈电路的输入端与所述三相全桥整流装置和所述输出回路连接，输出端与所述A/D转换通道连接；

所述目标值预设电路的输出端与所述处理器连接；

所述整流触发驱动电路的输入端与所述处理器连接，输出端与所述三相全桥整流装置连接；

所述逆变触发驱动电路的输入端与所述处理器连接，输出端与所述逆变装置连接。

进一步地，所述处理器具有数字锁相环。

进一步地，所述处理器还具有脉冲宽度调制单元。

进一步地，所述控制电路还包括保护监测电路，所述保护监测电路的输入端与所述主电路连接，输出端通过modbus总线与所述处理器连接。

进一步地，所述三相全桥整流装置和所述逆变装置上均设有IGBT模块。

进一步地，所述处理器为相互连接的DSP芯片和FPGA芯片。

第二方面，提供了一种控制多路输出功率转换的方法，包括以下步骤：

获取三相全桥整流装置和各个所述输出回路的电流、电压反馈信号，并将所述反馈信号转换成数字信号；

根据所述数字信号和预设功率、温度值获取整流触发脉冲和逆变触发脉冲；

根据各个所述输出回路的差频异相对所述逆变触发脉冲进行错位控制，用以调节所述逆变触发脉冲的频率；

根据所述整流触发脉冲将主电路输入的三相交流电整流为直流电；

根据所述逆变触发脉冲将所述直流电逆变输出。

进一步地，还包括：

对错位控制后的所述逆变触发脉冲进行脉冲宽度调制处理。

进一步地，还包括：

根据所述数字信号获取所述输出回路的谐振频率；

根据所述谐振频率调节所述逆变触发脉冲的频率。

进一步地，在逆变输出所述直流电前，对所述直流电进行稳压滤波处理。

本申请的实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

通过信号反馈电路采集三相全桥整流装置和各输出回路的电流、电压反馈信号，并利用A/D转换通道将这些模拟信号转换成可以用于计算的数字信号。处理器再根据这些数字信号并结合目标值预设电路输入的预设功率、温度值控制整流触发驱动电路和逆变触发驱动电路产生脉冲，进而控制三相全桥整流装置将主电路输入的三相交流电整流为直流电，和控制逆变装置根据预设功率、温度值智能地分配功率转换后的直流电，已到达本发明多路输出功率转换的目的。同时，处理器还内置有差频异相算法单元，它会根据各输出回路上感应线圈间的差频异相情况对逆变触发脉冲进行错位控制，以调节逆变触发脉冲的频率，从而解决各感应线圈由于电场磁场能量叠加，产生的相互干扰，避免出现LC振荡失败、振荡过流的问题。与现有技术相比，本发明不仅能实现多输出回路的逆变控制，还能保证电源整体资源的合理配置与利用。另外，最重要的是由于各个输出回路是同一整体协作的关系，控制信号、反馈信号的参考基准同步，再借助差频异相错位控制的算法，解决了同轴放置邻近感应圈的电磁干扰问题，保证了分区温度控制的精确稳定。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是本发明实施例1提供的电路示意图；

图2是本发明实施例1和实施例2提供的电气原理图。

1、三相交流电源；2、热保护继电器；3、断路器；4、三相全桥整流装置；5、稳压滤波装置；6、逆变装置；7、输出回路。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的方法和装置的例子。

在感应加热领域通常是一个电源功率转换装置配一套输出回路负载，当需要多套输出回路时，配置过多的电源功率转换装置会给生产厂家带来较重的经济压力。而且多个功率转换装置的使用效率不同，即有的可能输出容量有富裕，有的可能满功率输出还不能满足，因此产生了投资大、占地广、使用效率不高等问题。而且在多个加热区域同时工作时经常出现感应区相互干扰的情况，导致分区温度控制不准确或直接无法正常工作。尤其是现有的真空感应熔炼炉，其内置的感应线圈同轴相邻放置且间隙很小，控制干扰问题一直迟迟不能解决，严重影响了产品的质量。

有鉴于此，如图1和图2所示，本申请提供了实施例1，一种控制多路输出功率转换装置，包括：

主电路和控制电路，主电路包括依次连接的三相交流电源1、三相全桥整流装置4、稳压滤波装置5、逆变装置6和若干个输出回路7；控制电路包括处理器、信号反馈电路、目标值预设电路、整流触发驱动电路和逆变触发驱动电路。

其中，处理器具有A/D转换通道和用于控制逆变触发驱动电路的差频异相算法单元；信号反馈电路的输入端与三相全桥整流装置4和输出回路7连接，输出端与A/D转换通道连接；目标值预设电路的输出端与处理器连接；整流触发驱动电路的输入端与处理器连接，输出端与三相全桥整流装置4连接；逆变触发驱动电路的输入端与处理器连接，输出端与逆变装置6连接。

实施例1通过信号反馈电路采集三相全桥整流装置4和各输出回路7的电流、电压反馈信号，并利用A/D转换通道将这些模拟信号转换成可以用于计算的数字信号。处理器再根据这些数字信号并结合目标值预设电路输入的预设功率、温度值控制整流触发驱动电路和逆变触发驱动电路产生脉冲，进而控制三相全桥整流装置将主电路输入的三相交流电整流为直流电，和控制逆变装置根据预设功率、温度值智能地分配功率转换后的直流电，以到达实施例1控制多路输出功率转换，并保证电源整体资源合理配置与利用的目的。同时，实施例1的处理器还内置有差频异相算法单元，它会根据各输出回路7上感应线圈间的差频异相情况对逆变触发脉冲进行错位控制，以调节逆变触发脉冲的频率，再加上各个输出回路7是同一整体协作的关系，控制信号、反馈信号的参考基准同步，通过差频异相错位控制的算法对脉冲频率进行调节，可以解决各感应线圈由于电场磁场能量叠加，产生的相互干扰，避免出现LC振荡失败、振荡过流的问题，保证了各加热分区温度控制的精确稳定。

另外，在实际生产中，感应线圈会由于工况的改变而产生谐振频率的变化，导致功率转换过程中出现电能的损失，降低功率因数。有鉴于此，本申请还提供了实施例2，其中实施例2的处理器内置有数字锁相环，该数字锁相环可以根据各个输出回路7的反馈信号获取谐振频率，并进行跟踪。使处理器可以实时地跟随系统负载的变化来调节触发脉冲的频率，并维持功率因数始终在0.85以上，以长期保持电源高效率输出。同时，为保证负载感应线圈LC振荡的持续稳定输出与温度功率控制，达到金属热加工工艺过程中的温度区域控制目的，实施例2还优选地在处理器中内置脉冲宽度调制单元，其可以通过PWM算法对错位调节后逆变触发脉冲进行处理，从而达到稳定输出电压的目的。

进一步地，为保证装置安全运行，实施例2的主电路还优选地设置有热保护继电器2和断路器3。同时，控制电路还设有保护监测电路，该保护监测电路的输入端与主电路连接，输出端通过modbus总线与处理器连接。处理器通过modbus总线可以接收过压、过流、水压上限、水压下限、水温超温、交流过压等多种保护监测电路传来的报警信号，从而触发控制电路的保护机制，及时调整主电路的输出状态，避免出现过流、过压、短路等重大故障。

更近一步地，为提高工作效率，实施例2的三相全桥整流装置4和逆变装置6上均设有IGBT模块，该模块具有单管容量高，且没有关断死区的限制，大大提高了开关频率，进而保证工作效率。

为保证上述工作的顺利开展，本申请实施例2的处理器优选为相互连接的DSP芯片和FPGA芯片。其中DSP芯片具有高精度A/D转换单元和目标值预设单元，高精度A/D转换单元可处理电流、电压、频率等反馈信号，可接收功率、温度设定及热电偶反馈信号，配合该处理器300MHZ的工作主频，其可在几十纳秒的周期内对电流电压的变化率做出判断和反应，使控制信号、反馈信号的参考基准同步。FPGA芯片内置算法，根据各个输出回路的电压、电流反馈信号，先采用各个输出回路差频异相的算法控制逆变触发频率，再采用PWM算法调节逆变触发频率，以维持负载感应线圈LC振荡的持续稳定输出与温度功率控制，并达到金属热加工工艺过程中的温度区域控制目的。

另一方面根据实施例1所提供的方案，本申请还提供了实施例3，一种控制多路输出功率转换方法，包括以下步骤：

获取各个输出回路7的电流、电压反馈信号，并将这些反馈信号转换成可以用于运算的数字信号；

根据转换后的数字信号和预设的功率、温度值获取整流触发脉冲和逆变触发脉冲；

根据各个输出回路7的差频异相对逆变触发脉冲进行错位控制，用以调节逆变触发脉冲的频率；

根据整流触发脉冲将主电路输入的三相交流电整流为直流电；

根据逆变触发脉冲将所述直流电逆变输出。

更近一步地，本申请还提供了实施例4，一种控制多路输出功率转换方法，在实施例3的基础上还包括以下步骤：

根据换后的数字信号获取输出回路的谐振频率；

根据谐振频率调节逆变触发脉冲的频率；

在逆变输出直流电前，对直流电进行稳压滤波处理。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种控制多路输出功率转换装置，其特征在于，包括：

所述目标值预设电路的输出端与所述处理器连接；

所述逆变触发驱动电路的输入端与所述处理器连接，输出端与所述逆变装置连接；

所述信号反馈电路采集三相全桥整流装置和各输出回路的电流、电压反馈信号，并利用A/D转换通道将模拟信号转换成用于计算的数字信号；所述处理器根据所述数字信号并结合所述目标值预设电路输入的预设功率、温度值控制整流触发驱动电路和逆变触发驱动电路产生脉冲，控制三相全桥整流装置将主电路输入的三相交流电整流为直流电，和控制逆变装置根据预设功率、温度值智能地分配功率转换后的直流电，完成多路输出功率转换；

所述处理器通过内置的所述差频异相算法单元根据各输出回路上感应线圈间的差频异相情况对逆变触发脉冲进行错位控制，调节逆变触发脉冲的频率，用于防止各感应线圈由于电场磁场能量叠加产生的相互干扰和防止出现LC振荡失败、振荡过流，实现多输出回路的逆变控制。

2.根据权利要求1所述的控制多路输出功率转换装置，其特征在于，所述处理器具有数字锁相环；所述数字锁相环根据各个输出回路的反馈信号获取谐振频率，并进行跟踪，使处理器实时地跟随系统负载的变化来调节触发脉冲的频率，并维持功率因数始终在0.85以上，以长期保持电源高效率输出。

3.根据权利要求1所述的控制多路输出功率转换装置，其特征在于，所述处理器还具有脉冲宽度调制单元；所述脉冲宽度调制单元用于通过PWM算法对错位调节后逆变触发脉冲进行处理，稳定输出电压，保证负载感应线圈LC振荡的持续稳定输出与温度功率控制，实现金属热加工工艺过程中的温度区域控制。

4.根据权利要求1所述的控制多路输出功率转换装置，其特征在于，所述控制电路还包括保护监测电路，所述保护监测电路的输入端与所述主电路连接，输出端通过modbus总线与所述处理器连接。

5.根据权利要求1所述的控制多路输出功率转换装置，其特征在于，所述三相全桥整流装置和所述逆变装置上均设有IGBT模块。

6.根据权利要求1所述的控制多路输出功率转换装置，其特征在于，所述处理器为相互连接的DSP芯片和FPGA芯片。

7.一种控制多路输出功率转换的方法，其特征在于，基于权利要求1所述的一种控制多路输出功率转换装置，所述方法包括以下步骤：

根据所述逆变触发脉冲将所述直流电逆变输出。

8.根据权利要求7所述的控制多路输出功率转换的方法，其特征在于，还包括：

对错位控制后的所述逆变触发脉冲进行脉冲宽度调制处理。

9.根据权利要求7所述的控制多路输出功率转换的方法，其特征在于，还包括：

根据所述数字信号获取所述输出回路的谐振频率；

根据所述谐振频率调节所述逆变触发脉冲的频率。

10.根据权利要求7所述的控制多路输出功率转换的方法，其特征在于，在逆变输出所述直流电前，对所述直流电进行稳压滤波处理。