周篷，蔣林，楊高鵬，周龍，楊旭

　　(西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610500)

       摘要：針對(duì)傳統(tǒng)放空火炬的高壓電子點(diǎn)火系統(tǒng)電極易腐蝕的問(wèn)題，提出了一種基于感應(yīng)加熱原理的新型點(diǎn)火系統(tǒng)。該電源系統(tǒng)的主拓?fù)錇槿珮蛑C振結(jié)構(gòu)。通過(guò)檢測(cè)負(fù)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(shí)時(shí)跟蹤鎖定負(fù)載的固有頻率，利用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)在軟件上實(shí)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(diǎn)火系統(tǒng)的控制平臺(tái)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)工作頻率對(duì)固有頻率的準(zhǔn)確跟蹤鎖定，且在弱感性工作狀態(tài)下，電源輸出滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)，具有較小的開(kāi)關(guān)損耗。

　　關(guān)鍵詞：感應(yīng)加熱；串聯(lián)諧振；DSP；數(shù)字鎖相環(huán)；saber

　　中圖分類(lèi)號(hào)：TN86文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（4）：4-6，17.

0引言

　　在油氣田的開(kāi)采、天然氣管道的日常運(yùn)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(dǎo)引到高空中，并燃燒處理。目前國(guó)內(nèi)的放空火炬基本上采用的是傳統(tǒng)高壓電子點(diǎn)火，而由于電極長(zhǎng)期受腐蝕，在表面會(huì)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(yīng)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(hù)方式，這大大提高了點(diǎn)火系統(tǒng)的可靠性與安全性［1］。

　　感應(yīng)加熱是基于電磁感應(yīng)原理的，交變電流在周?chē)臻g產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，當(dāng)磁感應(yīng)線(xiàn)切割導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于電阻的熱效應(yīng)，導(dǎo)體便會(huì)產(chǎn)生熱量，這就是感應(yīng)加熱的基本原理。

　　感應(yīng)加熱技術(shù)因其加熱速度快、不受腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用在焊類(lèi)、鍛造、軋制、熱處理等領(lǐng)域。但是將感應(yīng)加熱技術(shù)運(yùn)用在放空火炬點(diǎn)火系統(tǒng)上，目前沒(méi)有應(yīng)用實(shí)例。因此，基于感應(yīng)加熱的放空火炬點(diǎn)火裝置具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用前景［2］。

1系統(tǒng)原理與控制策略

　　1.1主電路的設(shè)計(jì)

　　串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。進(jìn)線(xiàn)端為單相工頻交流電，經(jīng)過(guò)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(shí)吸收感性無(wú)功電流。負(fù)載側(cè)采用高頻變壓器作為負(fù)載匹配使用，R、L是感應(yīng)頭的等效電阻和電感，C則是補(bǔ)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(bǔ)償電容器置于原邊側(cè)。

　　點(diǎn)火系統(tǒng)的主電路相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)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(cè)采用單相全波整流，經(jīng)計(jì)算直流母線(xiàn)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(wú)功電流等作用。在本設(shè)計(jì)中，采用工頻單相全波整流，電壓紋波脈動(dòng)的基波為100 Hz。為了保證提供的電壓穩(wěn)定，濾波電路的時(shí)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(shè)計(jì)諧振電容時(shí)，需考慮它與電感上的無(wú)功能量交換。取品質(zhì)因數(shù)Q=3，式(3)得到諧振時(shí)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(shí)的諧振電容值。諧振時(shí)，感抗等于容抗，所以，式(6)得到諧振頻率為40 kHz時(shí)的電感值。

　　1.2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　點(diǎn)火系統(tǒng)的加熱電源不需要對(duì)功率進(jìn)行實(shí)時(shí)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(duì)于串聯(lián)諧振電路來(lái)說(shuō)，工作在諧振狀態(tài)時(shí)其功率最大。因此，本控制系統(tǒng)的核心問(wèn)題就是讓系統(tǒng)工作在弱感性的準(zhǔn)諧振狀態(tài)，即負(fù)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(guò)零比較器將正弦波的每一個(gè)過(guò)零點(diǎn)翻轉(zhuǎn)成矩形波，并經(jīng)簡(jiǎn)單的保護(hù)電路送至DSP控制芯片信號(hào)采集端。其次，DSP的CAP2捕捉模塊1可以設(shè)定捕捉脈沖的上升沿或下降沿，并通過(guò)計(jì)數(shù)器將電流的相位和頻率信息傳遞進(jìn)DSP進(jìn)行處理［3］。而電流波形的采集、傳輸、變換過(guò)程需要一定的時(shí)間，因此在DSP內(nèi)部還需要對(duì)相位進(jìn)行補(bǔ)償。作為相位差比較的另一路電壓信號(hào)，這里沒(méi)有直接采集負(fù)載上的電壓，而是將控制脈沖的信號(hào)作為電壓的相位信號(hào)，送進(jìn)CAP1模塊，與CAP2模塊一起進(jìn)入DPLL數(shù)字鎖相環(huán)進(jìn)行程序運(yùn)算之后再輸出相應(yīng)控制的脈沖，最后經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)后直接控制逆變橋的通斷［4］。

2數(shù)字鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

　　利用DSP可以在軟件上實(shí)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(shí)，對(duì)CAP2的計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零，因此CAP2的捕獲值就是兩個(gè)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(wú)差調(diào)節(jié)控制將相位差調(diào)節(jié)至零或者一個(gè)設(shè)定值。相位差和周期信號(hào)經(jīng)PID調(diào)節(jié)后的控制信號(hào)再經(jīng)相應(yīng)的頻率運(yùn)算即可得到對(duì)應(yīng)的頻率控制值，再控制產(chǎn)生PWM波的工作頻率［5］。

3仿真結(jié)果與分析

　　基于Saber仿真軟件搭建了系統(tǒng)仿真模型，分別對(duì)開(kāi)關(guān)頻率為100 kHz、23.8 kHz和在諧振狀態(tài)下的感性負(fù)載的電壓電流波形進(jìn)行了仿真測(cè)試，其中諧振狀態(tài)負(fù)載電流電壓波形如圖4所示，開(kāi)關(guān)管電流電壓波形如圖5所示，開(kāi)關(guān)管開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程如圖6所示。從不同的開(kāi)關(guān)頻率工作波形可以看出，電源在諧振點(diǎn)時(shí)具有最大的功率輸出，當(dāng)偏離諧振點(diǎn)時(shí)，輸出功率開(kāi)始衰減，并且越偏離諧振點(diǎn)，衰減越厲害。在諧振時(shí)，負(fù)載電流和電壓是同相位的；當(dāng)工作頻率為100 kHz,大于固有頻率時(shí)，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(shí)，電流超前于電壓相位，但由于頻率過(guò)小，負(fù)載電流將失去穩(wěn)定。

　　當(dāng)MOS管上的電壓為0時(shí)，表示MOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)，電流為漏極電流Id。正常工作時(shí)，漏極電流為正，當(dāng)出現(xiàn)負(fù)的電流時(shí)，則為IRFP460中的反并聯(lián)二極管的續(xù)流電流。開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)其管子上的電流幾乎為零。理論上，在諧振狀態(tài)時(shí)開(kāi)關(guān)管是零電流開(kāi)關(guān)（ZCS）的，此時(shí)電源的開(kāi)關(guān)損耗為零［67］。實(shí)際上，電源工作于一個(gè)小的頻率變化區(qū)間，也就是弱感性的工作狀態(tài)。

　　當(dāng)開(kāi)關(guān)管工作于感性狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)管電流電壓波形如圖7所示，由圖可知，開(kāi)關(guān)管會(huì)產(chǎn)生明顯的反向電流，這是由于負(fù)載感性時(shí)電流相位滯后于電壓相位所造成的。開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)過(guò)程如圖8所示，由圖可知，在感性狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)其電流是衰減的，因此感性狀態(tài)屬于小電流的開(kāi)關(guān)。反復(fù)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，工作點(diǎn)越接近諧振點(diǎn)時(shí)開(kāi)關(guān)損耗也越小。

　　電源工作在容性狀態(tài)的情況下，開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)電流很大，同時(shí)會(huì)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(duì)于串聯(lián)諧振電路來(lái)說(shuō)，工作在容性區(qū)的開(kāi)關(guān)損耗是很大的，并且有可能損壞開(kāi)關(guān)管，因此應(yīng)當(dāng)避免工作在此區(qū)間［8］。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　利用DSP開(kāi)發(fā)平臺(tái)，模擬一次電源的啟動(dòng)過(guò)程，并用兩臺(tái)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(shè)定為40 kHz。電源從較高的頻率（80 kHz）啟動(dòng)，此時(shí)的相位差是90°，如圖9所示。隨后由于相位差與目標(biāo)值相差過(guò)大，控制頻率迅速減小，并穩(wěn)定在42.7 kHz左右，也就是達(dá)到了需要的弱感性工作狀態(tài)，如圖10所示?！?/p>

5結(jié)論

　　利用Saber對(duì)串聯(lián)諧振電路的仿真表明，當(dāng)電源工作在容性狀態(tài)時(shí)，電源的開(kāi)關(guān)損耗大，并且可能損壞開(kāi)關(guān)管，因此要避免其進(jìn)入此區(qū)間；諧振時(shí)電源輸出功率最大，開(kāi)關(guān)損耗也最小，但是容易因?yàn)椴▌?dòng)而誤入容性工作區(qū)；而工作在弱感性狀態(tài)時(shí)，具有較大的輸出功率，并且具有較小的開(kāi)關(guān)損耗。所以應(yīng)當(dāng)使電源工作在弱感性狀態(tài)。

　　利用DSP實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán)，大大減少了硬件電路開(kāi)銷(xiāo)，不存在溫漂、器件老化等問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制算法能夠使系統(tǒng)跟蹤鎖定固有頻率，實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán)功能。

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