周篷,蔣林,,楊高鵬,,周龍,楊旭
(西南石油大學 電氣信息學院,,四川 成都 610500)
摘要:針對傳統(tǒng)放空火炬的高壓電子點火系統(tǒng)電極易腐蝕的問題,,提出了一種基于感應加熱原理的新型點火系統(tǒng)。該電源系統(tǒng)的主拓撲為全橋諧振結構,。通過檢測負載電流與電壓的相位差,,利用脈沖頻率調(diào)制(PFM)方式使電源工作頻率實時跟蹤鎖定負載的固有頻率,,利用數(shù)字信號處理(DSP)在軟件上實現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán),讓電源工作在弱感性狀態(tài),?;赥I公司的TMS320F28335控制芯片,搭建了點火系統(tǒng)的控制平臺,。仿真和實驗結果表明,,控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)工作頻率對固有頻率的準確跟蹤鎖定,且在弱感性工作狀態(tài)下,,電源輸出滿足設計指標,,具有較小的開關損耗。
關鍵詞:感應加熱,;串聯(lián)諧振,;DSP;數(shù)字鎖相環(huán),;saber
中圖分類號:TN86文獻標識碼:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.04.002
引用格式:周篷,,蔣林,楊高鵬,,等.放空火炬高頻點火系統(tǒng)設計[J].微型機與應用,,2017,36(4):4-6,17.
0引言
在油氣田的開采,、天然氣管道的日常運行中,,放空火炬的使用是必不可少的一部分。它能夠?qū)⒂泻Φ臍怏w導引到高空中,,并燃燒處理,。目前國內(nèi)的放空火炬基本上采用的是傳統(tǒng)高壓電子點火,而由于電極長期受腐蝕,,在表面會形成硫化物薄膜,,阻止了放電,因此電極的壽命較短,。高空中的電極更換難度較大,并且頻繁的更換也給生產(chǎn)造成了極大的安全隱患,。感應加熱作為一種非接觸式的加熱方式,,幾乎不受氣體腐蝕的影響,屬于免維護方式,,這大大提高了點火系統(tǒng)的可靠性與安全性[1],。
感應加熱是基于電磁感應原理的,交變電流在周圍空間產(chǎn)生交變的磁場,,當磁感應線切割導體時,,導體會產(chǎn)生感應電流,,由于電阻的熱效應,導體便會產(chǎn)生熱量,,這就是感應加熱的基本原理,。
感應加熱技術因其加熱速度快、不受腐蝕等優(yōu)點,,已被廣泛地應用在焊類,、鍛造、軋制,、熱處理等領域,。但是將感應加熱技術運用在放空火炬點火系統(tǒng)上,目前沒有應用實例,。因此,,基于感應加熱的放空火炬點火裝置具有廣泛的實際應用前景[2]。
1系統(tǒng)原理與控制策略
1.1主電路的設計
串聯(lián)諧振感應加熱電源的主電路結構如圖1所示,。進線端為單相工頻交流電,,經(jīng)過不可控全波整流得到直流電。Cd作為直流濾波電容,,其作用是濾波穩(wěn)壓以及在換流時吸收感性無功電流,。負載側采用高頻變壓器作為負載匹配使用,R,、L是感應頭的等效電阻和電感,,C則是補償電容,以使逆變器工作在弱感性狀態(tài),,即電壓相位略微超前于電流相位,,而為了避免直流偏磁,所以將補償電容器置于原邊側,。
點火系統(tǒng)的主電路相關參數(shù)設計如下:
系統(tǒng)輸入為220 V,,50 Hz單相交流電,系統(tǒng)輸出為25 V,,500 A,,30~50 kHz單相交流電。直流側采用單相全波整流,,經(jīng)計算直流母線電壓約為:
Ud=220×1.1=242(V)(1)
濾波電容在逆變器中主要起到濾波,、穩(wěn)定電壓、吸收無功電流等作用,。在本設計中,,采用工頻單相全波整流,電壓紋波脈動的基波為100 Hz。為了保證提供的電壓穩(wěn)定,,濾波電路的時間常數(shù)必須為紋波基波周期的6~8倍,,此處取6倍,即:
濾波電容的耐壓值必須高于直流峰值電壓311 V,,所以濾波電容采用400 V耐壓4 700 μF的電容,。設計諧振電容時,需考慮它與電感上的無功能量交換,。取品質(zhì)因數(shù)Q=3,,式(3)得到諧振時電容兩端電壓,式(4)得到容抗值,,式(5)得到諧振頻率為40 kHz時的諧振電容值,。諧振時,感抗等于容抗,,所以,,式(6)得到諧振頻率為40 kHz時的電感值。
1.2控制系統(tǒng)的設計
點火系統(tǒng)的加熱電源不需要對功率進行實時控制,,只需要保持最大功率輸出,,其控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。對于串聯(lián)諧振電路來說,,工作在諧振狀態(tài)時其功率最大,。因此,本控制系統(tǒng)的核心問題就是讓系統(tǒng)工作在弱感性的準諧振狀態(tài),,即負載電壓相位略微超前于電流相位[3],。
首先,將電流互感器采集的正弦電流波轉(zhuǎn)換為同相位的矩形波,,利用過零比較器將正弦波的每一個過零點翻轉(zhuǎn)成矩形波,,并經(jīng)簡單的保護電路送至DSP控制芯片信號采集端。其次,,DSP的CAP2捕捉模塊1可以設定捕捉脈沖的上升沿或下降沿,,并通過計數(shù)器將電流的相位和頻率信息傳遞進DSP進行處理[3]。而電流波形的采集,、傳輸,、變換過程需要一定的時間,因此在DSP內(nèi)部還需要對相位進行補償,。作為相位差比較的另一路電壓信號,,這里沒有直接采集負載上的電壓,而是將控制脈沖的信號作為電壓的相位信號,,送進CAP1模塊,與CAP2模塊一起進入DPLL數(shù)字鎖相環(huán)進行程序運算之后再輸出相應控制的脈沖,,最后經(jīng)隔離驅(qū)動后直接控制逆變橋的通斷[4],。
2數(shù)字鎖相環(huán)設計
利用DSP可以在軟件上實現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán),,其原理框圖如圖3所示。數(shù)字鎖相環(huán)的工作原理如下:利用CAP1捕捉電壓波形的脈沖,,CAP2捕捉電流波形的脈沖,。在CAP1中斷時,對CAP2的計數(shù)器進行清零,,因此CAP2的捕獲值就是兩個波形的相位差,,CAP1的值就是電壓波形的周期值。再利用增量式PID環(huán)節(jié)的無差調(diào)節(jié)控制將相位差調(diào)節(jié)至零或者一個設定值,。相位差和周期信號經(jīng)PID調(diào)節(jié)后的控制信號再經(jīng)相應的頻率運算即可得到對應的頻率控制值,,再控制產(chǎn)生PWM波的工作頻率[5]。
3仿真結果與分析
基于Saber仿真軟件搭建了系統(tǒng)仿真模型,,分別對開關頻率為100 kHz,、23.8 kHz和在諧振狀態(tài)下的感性負載的電壓電流波形進行了仿真測試,其中諧振狀態(tài)負載電流電壓波形如圖4所示,,開關管電流電壓波形如圖5所示,,開關管開通關斷過程如圖6所示。從不同的開關頻率工作波形可以看出,,電源在諧振點時具有最大的功率輸出,,當偏離諧振點時,輸出功率開始衰減,,并且越偏離諧振點,,衰減越厲害。在諧振時,,負載電流和電壓是同相位的,;當工作頻率為100 kHz,大于固有頻率時,電流滯后于電壓相位,,隨著頻率增大到一定程度之后相位差為90°,;而工作頻率為23.8 kHz,小于固有頻率時,,電流超前于電壓相位,,但由于頻率過小,負載電流將失去穩(wěn)定,。
當MOS管上的電壓為0時,,表示MOS管處于導通狀態(tài),電流為漏極電流Id,。正常工作時,,漏極電流為正,當出現(xiàn)負的電流時,則為IRFP460中的反并聯(lián)二極管的續(xù)流電流,。開關管在開通和關斷時其管子上的電流幾乎為零,。理論上,在諧振狀態(tài)時開關管是零電流開關(ZCS)的,,此時電源的開關損耗為零[67],。實際上,電源工作于一個小的頻率變化區(qū)間,,也就是弱感性的工作狀態(tài),。
當開關管工作于感性狀態(tài)時,開關管電流電壓波形如圖7所示,,由圖可知,,開關管會產(chǎn)生明顯的反向電流,這是由于負載感性時電流相位滯后于電壓相位所造成的,。開關管的開關過程如圖8所示,,由圖可知,在感性狀態(tài)時,,開關管在開通和關斷時其電流是衰減的,,因此感性狀態(tài)屬于小電流的開關。反復測試發(fā)現(xiàn),,工作點越接近諧振點時開關損耗也越小,。
電源工作在容性狀態(tài)的情況下,開關管開通和關斷時電流很大,,同時會出現(xiàn)電流尖峰,,并且頻率越小尖峰越明顯,甚至可能超出MOS管的通流能力,,損壞MOS管,。對于串聯(lián)諧振電路來說,工作在容性區(qū)的開關損耗是很大的,,并且有可能損壞開關管,,因此應當避免工作在此區(qū)間[8]。
4實驗結果
利用DSP開發(fā)平臺,,模擬一次電源的啟動過程,,并用兩臺示波器,分別觀察“逆變橋”的工作頻率和輸出的相位差,?!澳孀儤颉钡摹肮逃蓄l率”設定為40 kHz。電源從較高的頻率(80 kHz)啟動,,此時的相位差是90°,,如圖9所示,。隨后由于相位差與目標值相差過大,控制頻率迅速減小,,并穩(wěn)定在42.7 kHz左右,,也就是達到了需要的弱感性工作狀態(tài),如圖10所示,。
5結論
利用Saber對串聯(lián)諧振電路的仿真表明,,當電源工作在容性狀態(tài)時,,電源的開關損耗大,并且可能損壞開關管,,因此要避免其進入此區(qū)間,;諧振時電源輸出功率最大,開關損耗也最小,,但是容易因為波動而誤入容性工作區(qū),;而工作在弱感性狀態(tài)時,具有較大的輸出功率,,并且具有較小的開關損耗,。所以應當使電源工作在弱感性狀態(tài)。
利用DSP實現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán),,大大減少了硬件電路開銷,,不存在溫漂、器件老化等問題,,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。實驗結果表明該控制算法能夠使系統(tǒng)跟蹤鎖定固有頻率,實現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán)功能,。
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