高功率因数感应加热电源的设计与实现

1 引 言

　　目前，感应加热电源已广泛用于金属熔炼、透热、焊接、弯管、表面淬火等热加工和热处理行业。然而传统感应加热电源整流变换一般采用晶闸管相控整流或二极管不控整流方式，为获得较为稳定的直流电压，整流后往往采用大电容储能兼滤波，导致电网输入侧功率因数非常低，电流畸变，对电网造成谐波污染；此外，还对周围及自身系统的信号产生严重的电磁干扰，系统效率降低。为了减小谐波电流、提高功率因数，有必要采用功率因数校正技术(APFC)。

　　有多种实现APFC的方法，目前常采用APFC控制芯片实现网侧功率因数校正，具有电路简单、控制方便、成本低的优点。但对于已采用功能强大数字信号处理器(DSP)作为控制器的感应加热等复杂电源系统，再使用专用PFC芯片反而会增加系统硬件成本，降低系统的集成度，而且调试不方便，更不利于系统升级。本文研究在使用DSP控制感应加热电源的基础上，对输入系统采取有源功率因数校正措施。实验结果表明，引入APFC技术后，网侧输入功率因数趋近于单位功率因数，网侧电流是与电压同相的标准正弦波，减少了对电网的污染。

　　2 传统感应加热电源及改进

　　传统的感应加热电源的主电路结构如图1所示，包括四个部分：不控整流、大电容储能滤波、逆变电路和谐振负载。图中通过不可控整流的方式将交流变为直流，再通过大电容滤波变成比较稳定的直流电作为逆变电路的供电电源，在逆变侧部分实现系统的逆变输出和功率调节。

　　整个系统由DSP控制，电压电流检测装置通过检测直流母线的电压值和电流值并变送给DSP，以实现功率反馈。负载检测包括温度检测和频率跟踪，通过将红外线传感器检测到的温度值变送给DSP，以实现温度反馈；通过检测负载的谐振电流和电压信号反馈给DSP以实现频率跟踪。在DSP内部对电压、电流等反馈信号分别A／D变换、保持，通过数字乘法运算求出实际输出功率与数字给定功率比较，对偏差进行数字PID控制，可实现电源输出功率的闭环控制和DPLL频率跟踪，故障检测保护电路对缺水、过热、过压、过流等故障实时监控，由DSP故障处理子程序比较判断后，以中断方式处理各类故障、并报警显示。

　　这种传统感应加热电源由于采用大电容无源滤波，造成输入电流畸变，对电网造成谐波污染，输入功率因数降低，而且不利于节约用电成本。为了提高能源利用率，减少感应加热装置对电网的污染，必须采用有源功率因数校正技术。

　　由于系统已采用DSP作为主控制器，使用专用PFC芯片反而会增加系统硬件成本，降低系统的集成度，而且调试不方便，更不利于系统升级，所以本文研究在原有系统的基础上，利用DSP实现功率因数校正。

　　在原有主电路的整流和逆变部分加入Boost电路，如图2所示，Boost电路是用来改善网侧电流波形，提高电源功率因数的DC／DC变换器；在直流母线侧，通过检测Boost电路的输入电压、电感电流和输出电压，通过DSP的软件控制算法，控制Boost开关管的通断来达到功率因数校正的目的。

　　3 基于DSP的APFC实现

　　图3给出基于DSP-TMS320F2812的APFC控制原理图。TMS320F2812芯片是TI公司推出的32位定点数字信号处理器，具有强大的控制和信号处理能力，是用于数字电力电子变换与控制的高性价比DSP芯片。

　　APFC控制原理如下：Boost电路的输出电压，即直流母线电压V0经传感器采样、隔离后送入DSP的ADCIN2口，并转换为数字信号，与参考数字电压Vref比较，其偏差值送入电压控制器Gv，通过纠偏控制使V0与Vref相等，Gv采用数字PI控制，有：

电压控制器G的输出信号B与Boost变换器的输入电压Vin经隔离、A／D变换后的数字信号A相乘，乘积作为电感电流Iin的参考信号Iref。电感电流Iin与参考信号Iref比较后，差值送入电流控制器Gc，Gc也采用数字Pl控制，有：

　　这样便输出脉宽调制波，经驱动器隔离、放大后驱动开关管高频导通／关断，以实现电感电流Iin实时跟踪Iref。

　　实现式(2)和式(4)时，为了防止Uv(n)，Uc(n)过大造成系统失控，还必须将他们限定在合适的范围内。对此，可按以下方法实现离散控制。

　　电流环同理，当开关管工作在很高的频率时(比如f=100 kHz)，电压环调节器Gv的输出基本不变，所以乘法器输出的Iref基本上是和输入电压成比例的波形，就可实现输入电流对输入电压的实时跟踪，且保持二者相位相同，使输入功率因数接近于1。

　　4 实验研究

　　根据以上理论，设计一台单相输入220 V、功率4 kW、谐振频率30 kHz的超音频感应加热电源样机，并且对加入APFC电路前后的网侧电压、电流进行对比分析，实验结果分别如图4，图5所示。图4为传统感应加热电源网侧的电压、电流波形，从图中可以看出，电压虽是正弦波，但由于直流侧中间储能大电容的存在，致使电流导通角只有90°，网侧电流波形严重畸变，呈一系列断续的尖峰脉冲，在同等功率条件下，电流的峰值成倍提高、谐波分量加大、电源功率因数降低(cosφ△0.7)。图5为引入APFC以后的感应加热电源网侧电压、电流波形，从图中可以看出，引入APFC技术后，电流波形与电压波形是同相位的正弦波，感应加热电源有接近于1的输入功率因数和很低的电流总畸变率，减少了对电网的污染。

　　5 结 语

　　本文将基于DSP的APFC技术引入到传统的感应加热电源中，对输入电源的功率因数进行有源校正。在传统感应加热电源的基础上，加入了Boost电路，利用DSP的超高速数据采样和信号处理能力，设计出包含有源功率因数校正(APFC)器的超音频感应加热电源，并对感应加热电源引入APFC前后进行了对比实验和分析。实验结果表明：APFC技术的引入使电源的输入功率因数接近于单位功率因数，减少了谐波对交流电网的污染，使感应加热电源的功率显著提高。