一种感应加热电源及其控制方法与流程

本发明属于加热电源技术领域，具体涉及一种感应加热电源及其控制方法。

背景技术：

在我国传统加热方式大多是以煤、油、气或电为加热，存在能耗高、劳动条件差、环境污染严重、工艺质量难以控制等缺陷，而感应加热有着许多传统方式所不具备的优点：工作可靠性高、无污染、效率高以及加热容易控制等，广泛应用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等工业生产过程中，成为冶金、国防、机械加工等部门及铸造、锻造和船舶、飞机、汽车制造业等不可缺少的技术手段。随着工业的发展，感应加热电源的应用也日益广泛，当前，感应加热电源作为一种节能、高效的加热热处理装备，正朝着全固态化、高频大功率、产品性能绿色化、以及控制方式智能化的方向发展。

传统的感应加热电源控制系统采用分立元件组成的模拟电子电路，存在电路复杂、控制参数难以调整、零漂和老化、通用性差等缺点，而随着数字集成芯片、单片机、dsp、fpga的出现，使得感应加热设备智能化控制成为一种趋势。将数字化控制技术应用于感应加热设备系统中，可为用户提供良好的人机交互界面，操作方便；而且有利于实现感应加热电源的更新换代。并且随着感应加热设备智能化控制的发展，不仅能够实现模拟控制中较难实现的一些控制功能，并为先进控制算法在控制系统中的应用提供了可能，因此研究感应加热设备智能化控制有一定意义。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种可靠性高、加热控制容易、效率高的感应加热电源及其控制方法，不仅能够实现模拟控制中较难实现的一些控制功能，并为先进控制算法在控制系统中的应用提供了可能。

本发明的技术方案具体为：

一种感应加热电源，包括感应加热电源主电路，控制模块，报警模块，所述感应加热电源主电路分别与控制模块、报警模块连接，所述感应加热电源主电路包括依次连接的整流滤波电路、斩波电路、桥式逆变电路，所述整流滤波电路连接三相交流电；所述斩波电路由大功率绝缘栅型三极管igbt（g5）、电抗器（l1）和滤波电容（c1）组成；所述桥式逆变电路由4组igbt（g1~g4）、谐振电容（c2）、匹配变压器（t）初级组成。

所述感应加热电源还包括按键模块，包括启动、停止、急停三个按键。

所述报警模块的报警信号包括过流信号、过压信号、缺水信号。

启动按键按下后，控制模块使用pwm信号控制感应加热电源主电路输出的功率和频率，启动按键抬起后，感应加热电源工作状态不变；停止按键按下后，系统停止pwm信号，感应加热电源主电路不再输出电流，停止按键抬起后，感应加热电源工作状态不变；急停按键按下后，感应加热电源主电路不再输出电流，并且感应加热电源其他按键功能失效，不起控制作用，急停按键抬起后，急停功能失效，设备其他按键功能正常使用；感应加热电源工作状态不正常时，控制模块根据报警信号进行感应加热电源工作状态的处理。

报警信号分为两级，重要报警信号过流、过压为一级，一级报警需要停机并进行报警锁存，缺水信号为二级，二级报警需要停机，不锁存，也就是报警消失后感应加热电源能够继续工作，报警信号能够通过复位操作取消。

感应加热电源正常工作时，感应加热电源主电路输出频率的控制方法包括：获得当前pwm和电流相位差，计算给定相位差和获得相位差的差值，由差值获得比例项、积分项和微分项，将比例项、积分项和微分项求和得到控制值，若控制值大于预设的积分饱和值，pwm信号的频率值等于预设的积分饱和值，否则，pwm信号的频率值等于预设的控制值。

感应加热电源正常工作时，感应加热电源主电路输出功率的控制方法包括：获得当前感应加热电源的输出功率，计算给定输出功率和获得输出功率的差值，由差值获得比例项、积分项和微分项，将比例项、积分项和微分项求和得到控制值，若控制值大于预设的积分饱和值，pwm信号的占空比等于预设的积分饱和值，否则，pwm信号的占空比等于预设的控制值。

相对于现有技术，本发明的技术效果为，本发明提供的感应加热电源可通过调节变压器匝数比调节带负载能力，加热效率高，使用数字算法通过控制斩波pwm信号的占空比来控制电源的输出功率；使用数字pid算法通过控制逆变pwm信号的频率来控制电源的输出频率，可靠性高，加热控制准确，反应速度快。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2为感应加热电源主电路图。

图3为输出功率闭环控制系统框图。

图4为输出功率实现流程图。

图5为输出频率闭环控制系统框图。

图6为输出频率实现流程图。

具体实施方式

如附图1所示，一种感应加热电源，包括感应加热电源主电路，按键模块，控制模块，报警模块，所述感应加热电源主电路分别与按键模块、控制模块、报警模块连接。

如附图2所示，所述感应加热电源主电路包括依次连接的整流滤波电路、斩波电路、桥式逆变电路，所述整流滤波电路连接三相交流电，包括六个大功率二极管d1~d6，组成一个三相不控整流系统，将三相工频交流电整流，成为直流脉动电压，经滤波电容c3滤波获得稳定的直流电压。所述斩波电路由大功率绝缘栅型三极管g5、电抗器l1和滤波电容c1组成；所述桥式逆变电路由4组igbt（g1~g4）、谐振电容c2、匹配变压器t初级组成。所述桥式逆变电路是h桥，负责将直流电逆变成高频电流，由4组igbt（g1~g4）、谐振电容c2、匹配变压器t初级组成。h桥工作过程是，四组igbt（g1、g4和g3、g2）在受控的两组互补的逆变pwm信号控制下（含死区电压），g1、g4导通半个周期后关闭，g3、g2经死区延时后再导通下半个周期，同时g1、g4关闭，这样将在由c2和t初级电感l1组成的串联谐振电路两端产生以为c2和l1为固有频率的正弦波振荡电流，该电流经t耦合输出到感应加热线圈上，从而实现在新的逆变频率下的感应加热过程。

所述斩波电路中，g5的工作受控制系统输出的斩波pwm信号控制，斩波pwm信号频率为15khz，其占空比从1%到98%，电容c1的电压等于电容c3的电压乘以斩波pwm信号的占空比。通过控制pwm的占空比可以控制c1的电压，该电压就是斩波电压，也就是逆变桥的工作电压，改变电压就能改变逆变桥的输出功率，也就是电源的输出功率。

所述桥式逆变电路中，四组igbt（g1、g4和g3、g2）的工作状态受逆变pwm信号控制，逆变pwm信号的占空比始终为50%，改变pwm信号的频率就可以改变逆变桥的工作频率。

感应加热电源在使用时由操作者操作面板上的按键来使用设备。当按键未被按下时，系统检测到按键对应的信号为高电平（也就是数字1）。当某个按键被认为按下时，系统检测到按键对应的信号为低电平（也就是数字0）。按键模块包括启动、停止、急停等，功能如下：

当按下启动按键，系统检测到启动按键对应信号由高电平（数字1）变为低电平（数字0），系统设置启动信号有效，启停控制模块开始工作，开启pwm信号的输出，使用pwm信号控制主电路输出功率。启动按键抬起后，设备工作状态不变。

当按下停止按键，系统检测到停止按键对应信号由高电平（数字1）变为低电平（数字0），系统设置启动信号失效，启停控制模块停止工作，系统停止pwm信号，主电路不再电流。停止按键抬起后，设备工作状态不变。

当按下急停按键，系统检测到急停按键对应信号由高电平（数字1）变为低电平（数字0），系统设置启动信号失效，系统立即停止pwm信号，主电路停止输出电流。并且，设备其他按键功能失效，不起控制作用。急停按键抬起后，急停按键对应信号由低电平（数字0）变为高电平（数字1），急停功能失效，设备其他按键功能正常使用。

感应加热电源工作状态不正常时将产生对应的报警信号，所述报警信号分为两级，包括过流信号、过压信号、缺水信号。过流、过压信号为一级，当输出电流超出额定范围时，过流信号将从低电平（数字0）变为高电平（数字1）；当滤波电容c3的电压超出额定范围时，过压信号将从低电平（数字0）变为高电平（数字1），一级报警需要停机并进行报警锁存。缺水信号为二级，设备工作时需要冷却水冷却电子器件，若是冷却水压不足，水压表输出信号将从低电平（数字0）变为高电平（数字1），该信号就是缺水信号，二级报警需要停机，不锁存，也就是报警消失后设备能够继续工作。报警信号都可以通过复位操作取消。

感应加热电源正常工作时，包括输出功率和频率控制。通过检测斩波电路输出电压和负载电流，二者的乘积就是输出功率。由于感应加热电源负载的惯性比较大，参数变化慢，因此功率输出控制对实时要求不高，采用是pi控制器实现，其闭环控制系统框图如附图3所示，

输出功率和给定功率信号作为pi控制器的输入量，经过函数内部进行计算，函数返回值为斩波pwm输出值，用于控制斩波电路的输出电压。函数的实现流程如附图4所示，获得当前感应加热电源的输出功率，计算给定输出功率和获得输出功率的差值，由差值乘以系数获得比例项，差值乘以系数并进行积分运算获得积分项，差值乘以系数并进行微分运算获得微分项，将比例项、积分项和微分项求和得到控制值，若控制值大于预设的积分饱和值，pwm信号的占空比等于预设的积分饱和值，否则，pwm信号的占空比等于预设的控制值。

输出频率控制的闭环控制系统框图如附图5所示，检测当前的pwm信号和电流的相位差，并计算二者的差值为实际相位差，作为pi控制器函数的输入信号，给定相位作为pi控制器函数的另外一个输入信号，函数返回值为逆变pwm信号输出值，用于控制逆变负载电路的频率。函数的实现流程如附图6所示，获得当前pwm和电流的相位差，计算给定相位差和获得相位差的差值，由差值乘以系数获得比例项，差值乘以系数并进行积分运算获得积分项，差值乘以系数并进行微分运算获得微分项，将比例项、积分项和微分项求和得到控制值，若控制值大于预设的积分饱和值，pwm信号的频率值等于预设的积分饱和值，否则，pwm信号的频率值等于预设的控制值，可靠性高，加热控制准确，反应速度快。

电源的输出电压除以输出电流就是电源的负载阻抗，计算负载阻抗并输出阻抗数据，可通过调节变压器匝数比来提高带负载能力。

显示模块包括led显示和上位机显示。当控制系统处于待机状态时，控制模块控制led以1hz的频率间歇式闪烁指示；当控制系统处于工作状态时，也就是控制主电路输出功率时，led以3hz的频率间歇式闪烁指示。同时，控制模块能够获取电流信号周期值，对周期值进行求和平均算法处理，可以得到电流信号的周期值，对周期值求倒数乘以cpu的频率可以得到电流信号的工作频率，通过串口可将电流工作频率值显示到电脑上。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。