固态高频感应加热电源控制技术的研究

论文摘要

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。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.1.1 课题研究的背景
• 1.1.2 课题研究的意义
• 1.2 固态感应加热电源的研究现状及发展趋势
• 1.2.1 固态感应加热电源的功率调节
• 1.2.2 谐振逆变器的拓扑结构
• 1.2.3 固态感应加热电源的控制技术
• 1.2.4 负载谐振槽路的拓扑结构
• 1.2.5 固态感应加热电源的发展趋势
• 1.3 本文的主要研究工作
• 第二章 三相电流型 PWM整流器（CSR）
• 2.1 三相CSR 和三相 VSR 的拓扑结构
• 2.2 三相 CSR 的数学模型
• 2.2.1 三相 CSR 的一般模型
• 2.2.2 三相 CSR 的dq 模型
• 2.3 三相CSR 的 SVPWM 调制技术
• 2.3.1 三相 CSR 电流空间矢量的定义
• 2.3.2 三相 CSR SVPWM 的生成
• 2.3.3 三相 CSR SVPWM 调制方法的对比
• 2.3.4 三相 CSR 的过调制技术
• 2.4 三相 CSR 的多电平技术
• 2.4.1 基于矢量合成原理的 SVPWM 多电平技术
• 2.4.2 采用全控器件的三相 SVPWM 多电平 CSR
• 2.4.3 采用半控器件的三相 SVPWM 多电平 SCR-CSR
• 2.5 本章小结
• 第三章 谐振逆变器的全数字化控制研究
• 3.1 电压型谐振逆变器的 ZVS 控制
• 3.1.1 电压型谐振逆变器工作状态分析
• 3.1.2 电压型谐振逆变器 ZVS 控制的分析和实现
• 3.1.3 ZVS 换流策略的仿真和试验
• 3.2 电压型谐振逆变器的频率跟踪控制电路
• 3.2.1 锁相环的数学模型
• 3.2.2 锁相环的稳定性及动态性能
• 3.2.3 提高锁相环响应能力的方法
• 3.3 基于 FPGA 的全数字锁相环电路（ADPLL）
• 3.3.1 FPGA 简介
• 3.3.2 全数字锁相环（ADPLL）的系统构成
• 3.3.3 全数字锁相环的性能分析
• 3.3.4 全数字锁相环的硬件仿真和试验
• 3.4 本章小结
• 第四章 LLC 电压型感应加热电源的研究
• 4.1 LLC 谐振电路的拓扑结构和特性
• 4.1.1 LLC 谐振电路的基本特性
• 4.1.2 LLC 谐振电路各变量之间的关系
• 4.1.3 LLC 谐振电路与 LC 串联谐振电路的关系
• 4.2 LLC 电压型感应加热电源的控制
• 4.2.1 基于电容电压反馈的单闭环锁相控制
• 4.2.2 基于输出电流和电容电压反馈的双闭环锁相控制
• 4.2.3 感应器故障时的LLC 谐振电路特性
• 4.3 LLC 电压型感应加热电源的并联特性
• 4.3.1 谐振逆变器并联的理论分析
• 4.3.2 理想状态下的谐振逆变器并联
• 4.3.3 谐振逆变器输出电压不同时的并联
• 4.3.4 串联电感不同时的谐振逆变器并联
• 4.4 本章小节
• 第五章 固态高频感应加热电源的试验研究
• 5.1 试验样机的硬件设计
• 5.1.1 交流侧LC 滤波器设计
• 5.1.2 直流储能电感、电容设计
• 5.1.3 三相多电平 CSR 的硬件设计
• 5.1.4 电压型谐振逆变器及 LLC 槽路设计
• 5.2 试验样机的控制电路设计
• 5.2.1 三相多电平 CSR 的控制
• 5.2.2 电压型谐振逆变器的全数字锁相控制
• 5.3 试验结果
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结及工作展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间参加的科研工作及学术论文发表