中心議題：

• 傳統感應加熱電源及改進
• 高功率因數感應加熱電源的設計與實現

解決方案：

• 基於DSP的APFC技術引入到傳統的感應加熱電源

1 引 言

目前，感應加熱電源已廣泛用於金屬熔煉
、透熱、焊接
、彎管、biaomiancuihuodengrejiagongherechulixingye。ranerchuantongganyingjiaredianyuanzhengliubianhuanyibancaiyongjingzhaguanxiangkongzhengliuhuoerjiguanbukongzhengliufangshi，weihuodejiaoweiwendingdezhiliudianya，zhengliuhouwangwangcaiyongdadianrongchunengjianlvbo，daozhidianwangshurucegonglvyinshufeichangdi
，dianliujibian
，duidianwangzaochengxiebowuran


；此外，還對周圍及自身係統的信號產生嚴重的電磁幹擾
，係統效率降低。為了減小諧波電流、提高功率因數，有必要采用功率因數校正技術(APFC)。

有多種實現APFC的方法，目前常采用APFC控製芯片實現網側功率因數校正，具有電路簡單、控製方便、成本低的優點。但對於已采用功能強大數字信號處理器(DSP)作為控製器的感應加熱等複雜電源係統，再使用專用PFC芯片反而會增加係統硬件成本，降低係統的集成度，而且調試不方便，更不利於係統升級。本文研究在使用DSP控製感應加熱電源的基礎上，對輸入係統采取有源功率因數校正措施。實驗結果表明，引入APFC技術後
，網側輸入功率因數趨近於單位功率因數，網側電流是與電壓同相的標準正弦波，減少了對電網的汙染。

2 傳統感應加熱電源及改進

傳統的感應加熱電源的主電路結構如圖1所示，包括四個部分：不控整流、大電容儲能濾波、逆(ni)變(bian)電(dian)路(lu)和(he)諧(xie)振(zhen)負(fu)載(zai)。圖(tu)中(zhong)通(tong)過(guo)不(bu)可(ke)控(kong)整(zheng)流(liu)的(de)方(fang)式(shi)將(jiang)交(jiao)流(liu)變(bian)為(wei)直(zhi)流(liu)
，再(zai)通(tong)過(guo)大(da)電(dian)容(rong)濾(lv)波(bo)變(bian)成(cheng)比(bi)較(jiao)穩(wen)定(ding)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)作(zuo)為(wei)逆(ni)變(bian)電(dian)路(lu)的(de)供(gong)電(dian)電(dian)源(yuan)，在(zai)逆(ni)變(bian)側(ce)部(bu)分(fen)實(shi)現(xian)係(xi)統(tong)的(de)逆(ni)變(bian)輸(shu)出(chu)和(he)功(gong)率(lv)調(tiao)節(jie)。

整個係統由DSP控製
，電壓電流檢測裝置通過檢測直流母線的電壓值和電流值並變送給DSP，以實現功率反饋。負載檢測包括溫度檢測和頻率跟蹤
，通過將紅外線傳感器檢測到的溫度值變送給DSP

，以實現溫度反饋；通過檢測負載的諧振電流和電壓信號反饋給DSP以實現頻率跟蹤。在DSP內部對電壓、電流等反饋信號分別 A／D變換、保持，通過數字乘法運算求出實際輸出功率與數字給定功率比較
，對偏差進行數字PID控製，可實現電源輸出功率的閉環控製和DPLL頻率跟蹤
，故障檢測保護電路對缺水、過熱、過壓
、過流等故障實時監控
，由DSP故障處理子程序比較判斷後，以中斷方式處理各類故障、並報警顯示。

zhezhongchuantongganyingjiaredianyuanyouyucaiyongdadianrongwuyuanlvbo，zaochengshurudianliujibian，duidianwangzaochengxiebowuran，shurugonglvyinshujiangdi
，erqiebuliyujieyueyongdianchengben。weiletigaonengyuanliyonglv
，jianshaoganyingjiarezhuangzhiduidianwangdewuran，bixucaiyongyouyuangonglvyinshuxiaozhengjishu。
[page]
由於係統已采用DSP作為主控製器，使用專用PFC芯片反而會增加係統硬件成本，降低係統的集成度，而且調試不方便，更不利於係統升級

，所以本文研究在原有係統的基礎上，利用DSP實現功率因數校正。

在原有主電路的整流和逆變部分加入Boost電路，如圖2所示
，Boost電路是用來改善網側電流波形，提高電源功率因數的DC／DC變換器；在直流母線側，通過檢測Boost電路的輸入電壓
、電感電流和輸出電壓，通過DSP的軟件控製算法
，控製Boost開關管的通斷來達到功率因數校正的目的。

3 基於DSP的APFC實現

圖3給出基於DSP-TMS320F2812的APFC控製原理圖。TMS320F2812芯片是TI公司推出的32位定點數字信號處理器，具有強大的控製和信號處理能力，是用於數字電力電子變換與控製的高性價比DSP芯片。

APFC控製原理如下：Boost電路的輸出電壓
，即直流母線電壓V0經傳感器采樣、隔離後送入DSP的ADCIN2口，並轉換為數字信號，與參考數字電壓Vref比較
，其偏差值送入電壓控製器Gv，通過糾偏控製使V0與Vref相等

，Gv采用數字PI控製
，有：


電壓控製器G的輸出信號B與Boost變換器的輸入電壓Vin經隔離
、A／D變換後的數字信號A相乘，乘積作為電感電流Iin的參考信號Iref。電感電流Iin與參考信號Iref比較後，差值送入電流控製器Gc
，Gc也采用數字Pl控製，有：

這樣便輸出脈寬調製波，經驅動器隔離
、放大後驅動開關管高頻導通／關斷，以實現電感電流Iin實時跟蹤Iref。

實現式(2)和式(4)時，為了防止Uv(n)，Uc(n)過大造成係統失控
，還必須將他們限定在合適的範圍內。對此，可按以下方法實現離散控製。

電流環同理
，當開關管工作在很高的頻率時(比如f=100 kHz)

，電壓環調節器Gv的輸出基本不變，所以乘法器輸出的Iref基本上是和輸入電壓成比例的波形
，就可實現輸入電流對輸入電壓的實時跟蹤，且保持二者相位相同，使輸入功率因數接近於1。
[page]
4 實驗研究

根據以上理論，設計一台單相輸入220 V、功率4 kW
、諧振頻率30 kHz的超音頻感應加熱電源樣機，並且對加入APFC電路前後的網側電壓、電流進行對比分析，實驗結果分別如圖4
，圖5所示。圖4為傳統感應加熱電源網側的電壓、電流波形，從圖中可以看出，電壓雖是正弦波，但由於直流側中間儲能大電容的存在，致使電流導通角隻有90°
，網側電流波形嚴重畸變，呈一係列斷續的尖峰脈衝，在同等功率條件下，電流的峰值成倍提高
、諧波分量加大、電源功率因數降低(cosφ△0.7)。圖5為引入APFC以後的感應加熱電源網側電壓
、電流波形，從圖中可以看出，引入APFC技術後
，電流波形與電壓波形是同相位的正弦波
，感應加熱電源有接近於1的輸入功率因數和很低的電流總畸變率
，減少了對電網的汙染。

5 結 語

本文將基於DSP的APFC技術引入到傳統的感應加熱電源中，對輸入電源的功率因數進行有源校正。在傳統感應加熱電源的基礎上
，加入了 Boost電路，利用DSP的超高速數據采樣和信號處理能力，設計出包含有源功率因數校正(APFC)器的超音頻感應加熱電源

，並對感應加熱電源引入 APFC前後進行了對比實驗和分析。實驗結果表明：APFC技術的引入使電源的輸入功率因數接近於單位功率因數
，減少了諧波對交流電網的汙染
，使感應加熱電源的功率顯著提高。