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作者：www.wfyle.cn 發(fā)布日期：2015-01-15 22:58 信息來源：http://www.wfyle.cn
摘要：感應加熱用變頻電源是由整流、濾波、逆變及諧振負載電路組成，本文論述了感應加熱電源的逆變和負載工作中的頻率跟蹤技術，具體分析了不同的方法實現(xiàn)鎖相環(huán)、頻率跟蹤的工作原理和優(yōu)缺點，并展望了這項技術的未來發(fā)展趨勢。
關鍵詞：感應加熱；變頻電源；頻率跟蹤；鎖相環(huán)
1、引言
在工業(yè)加熱中，感應加熱方式越來越受到人們的重視，其特點是以電為能源，通過電磁感應的原理對金屬工件進行熔化、透熱、表面淬火加熱，感應加熱環(huán)保、節(jié)能、自動化程度高。工業(yè)感應加熱裝置主要由變頻電源和感應爐組成。變頻電源的作用是依靠電力電子功率器件，對50Hz的電網(wǎng)工頻電源進行整流、濾波、然后再逆變?yōu)樾枰念l率。變頻電源也叫感應加熱電源，輸出端負載接并聯(lián)、串聯(lián)、或串并聯(lián)諧振電路。逆變輸出頻率工作在槽路諧振電路的固有頻率f0 附近，是負載電路有一個高的效率和較好的功率因數(shù)。但是，金屬在加熱過程中，由冷態(tài)到熱態(tài)電阻是變化的，磁性金屬材料過了居里點后，失去磁性，諧振等效參數(shù)變化較大，為了能使逆變輸出保持和槽路的諧振頻率變化一致，必須在感應加熱變頻電源的逆變控制電路設計有頻率跟蹤電路，由于各種跟蹤方法的不同，形成了逆變跟蹤控制技術。
2、模擬鎖相環(huán)技術
鎖相環(huán)技術最早應用于廣播和通訊方面的電路，現(xiàn)在在感應加熱電源上應用比較普遍。鎖相環(huán)簡稱PLL。其主要有三個基本單元構成，即鑒相器PD、壓控震蕩器VCO和低通濾波器LPF。PLL的基本結構見圖1所示。
圖1 壓控振蕩器結構框圖示意
PLL的工作原理：輸入電壓ui與輸出電壓uo通過鑒相器對兩個相位進行比較。形成相位誤差電壓uo'，這個誤差電壓再經(jīng)過低通濾波后得到控制電壓Ud，控制電壓的大小決定了壓振振蕩器產(chǎn)生的頻率高低的偏移大小，這個新的頻率偏移信號再次和輸入信號ui進入鑒相器比較，形成新的誤差電壓uo'及濾波后Ud控制電壓，直到進入鑒相器的兩個信號相同，輸出誤差電壓uo=0，控制電壓Ud=0，從而實現(xiàn)了輸入信號頻率和輸出信號頻率相同，鎖相環(huán)實現(xiàn)了鎖定，這實質(zhì)就是頻率跟蹤過程。
能夠?qū)崿F(xiàn)鎖相環(huán)功能的集成電路很多，下面僅以國內(nèi)常用的集成鎖相環(huán)芯片CD4046為例分析頻率跟蹤電路技術。4046芯片內(nèi)集成有2個鑒相器，即PD1和PD2，壓控振蕩器，外接低通濾波器。按一定的電路接法能組成一個鎖相環(huán)電路，對負載電流進行頻率跟蹤。見圖2所示。
圖2 CD4046組成的鎖相環(huán)頻率跟蹤電路
感應加熱電源輸出到負載電流的為io，經(jīng)過LEM傳感器采樣后，送入到過零比較器LM339，變成方波信號，送入到CD4046的14腳，內(nèi)部接PD2的輸入端，PD2的輸出端13腳外接R3、R4、C2構成低通濾波器，濾波后的信號輸入到9腳，9腳內(nèi)部接的是壓控振蕩器的輸入端，壓控振蕩器的輸出端為3腳，由3腳輸出的信號分為兩路，一路接3腳，3腳內(nèi)是PD2鑒相器輸入，另一路去驅(qū)動逆變器的功率開關器件，這路是負載電壓信號。當負載電流與負載電壓信號相位差為零時，鎖相環(huán)進入鎖定狀態(tài)，頻率跟蹤實現(xiàn)。PD2由邏輯門控制的四個邊沿觸發(fā)器和三態(tài)輸出電路組成，為0o相移，并與脈沖的占空比無關，常選用鑒相器PD2來實現(xiàn)無相差的頻率跟蹤。
電源工作中，負載的等效參數(shù)發(fā)生變化而引起固有頻率f0變化時，由于鎖相環(huán)有一定范圍頻率的鎖相寬度，這個寬度覆蓋了f0的變化范圍，鎖相環(huán)一般不會失鎖，所以頻率始終是能夠跟蹤的。
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