段建民，吴雨川*, ，周国鹏,

（1. 武汉纺织大学 机械工程与自动化学院，湖北 武汉 430200；2. 三峡大学 水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443002）

传统的中频电源多采用扫频触发工作方式[1]，当扫频输出信号频率和负载谐振频率相等时，系统产生谐振，再经锁频电路保持谐振频率输出，进而起动成功，并在负载变动不大的情况下维持稳定运行[2]。这种中频电源电路普遍存在以下问题：（1）需要提供扫频信号，且该信号频率范围需要包含谐振频率，否则就需要调整扫频信号范围，一般通过反复设定才能成功起振；（2）传统技术多采用锁频技术以稳定谐振频率，一旦负载变化导致参数变化较大，就会锁频不成功，导致电源工作中途停振，需要重新扫频起振；（3）传统技术采用的扫频和锁频电路相对复杂，不易维护。

针对上述问题，本文提出了一种快速起振中频电源电路，能够一次起振并自动跟踪负载频率变化，从而有效避免电源停振失控，即使当负载参数变化幅度较大时也可以稳定工作，且结构简单，可靠性高。

1 主电路工作原理与分析

本研究采用半桥串联谐振逆变电路作为主电路[3]，并利用在续流电路中增加的电流互感器作为传感元件获得电路中续流电流的过零变化情况，捕捉负载固有频率，进而通过谐振电路控制晶闸管导通，实现以谐振频率起振并维持工作，主电路结构拓扑图如下图1 所示。

图1 主电路结构拓扑图

上图中主电路主要包括：（1）三相交流供电整流后经滤波电容C0 和电感L0 得到直流电作用于半桥串联谐振逆变电路，设定电源电压Ud 为1200V；（2）谐振电容C1=C2=C，用于与负载一起工作产生谐振；（3）晶闸管VT1、VT2，用于逆变直流，每个晶闸管分别导通小半个周期；（4）续流二级管D1、D2，其上通过的电流为续流电流；（5）负载主电路（其中R 为负载等效电阻，L 为负载等效电感），其阻抗随熔炼过程会发生一定幅度的变化；（6）电流互感器LT1 和LT2，用于感知流经续流二极管上的续流电流变化并将感应到的信号送给谐振电路。

起振时，由谐振电路发出一个起振触发脉冲使晶闸管VT1 先导通，此时VT2 无触发脉冲保持截止，二极管D1 和D2 均为反向偏置故截止，忽略VT1 的导通电阻后，可以将主电路简化为图2 电路。

当晶闸管VT1 导通时可以视为t=0时刻引入了一个幅值为Ud的阶跃信号，因为电容C1 和C2 上有初始电压Ud/2，所以此时电路响应为二阶全响应。此时电路的全响应可以看成是两部分构成的：一部分是由C1 与负载R 和电感L 构成的放电电路，一部分是由负载R、电感L 和C2 构成的充电电路。

图2 VT1 导通、VT2 截止时的电路拓扑图

1.1 计算二阶零输入响应

可以看出主电流的波形为衰减的正弦形式。

1.2 计算二阶零状态响应

上面的计算结果表明图2 中的充电电路在VT1 导通、VT2 无触发脉冲保持截止，输入阶跃激励的零状态响应结果，即电容电压uC2的充电过程是衰减的自由正弦振荡。

本设计在二极管D1 和D2 的支路当中加入了电流互感器LT1 和LT2。当VT1 导通时，电容C2 上电压持续增加，直至峰值UC2=UC2m=3Ud/2，此时VT1 截止，但VT2 并未控制导通，电路进入续流状态，变为由C1 经负载与LT1 和D1 反向放电，C2 经负载与LT1 和D1 放电，此时如果电路中没有接入电流互感器LT1，因为电路参数相同，则负载上的电流波形应该和VT1 导通时相同，但是因为受到电流互感器LT1 的互感影响，电路的阻抗值发生了变化，输出电流变得更为平滑；当电流互感器LT1检测到D1 上的电流过零时，取样得到的信号经谐振电路输出触发脉冲触发VT2 导通，反方向重复VT1 导通时的工作状态，直至电流互感器LT2检测到D1 上的电流过零，再次触发VT1 导通，如此循环不断，输出一个频率稳定的中频电源信号。负载上的电流工作波形图如下图3 所示。

显然，改变VT1 和VT2 导通角就可以改变逆变电源振荡频率，改变负载上电流导通时间，进而改变电源输出功率。

图3 负载上的电流波形图

2 谐振电路工作原理与分析

谐振电路用于自动扑捉负载谐振频率，并使系统在谐振状态下稳定运行。电路原理方框图如图4 所示。

图4 谐振电路原理方框图

2.1 起振过程分析

起振初始，因为主电流为零，不存在过流现象，故过流判断单元5 输入为低电平0，起振电路中的整形单元输出信号可以无阻塞进入脉冲成型单元。

起振时，起振单元4 的信号输出端与第一整形单元的信号输入端相连接，起振单元向第一整形单元发出起振方波信号后，经第一整形单元11 向第一与非门输出起振方波，反相后的方波信号再进入脉冲成型单元，将输出方波上升沿处理为单脉冲，再经功率放大后进入晶闸管控制器，输出脉冲接入到晶闸管VT1的门极G1，VT1 此时承受正向压降，当触发脉冲加入门极G1 则VT1 导通，负载上流过电流，电路中的电流电压变化，此时如上述主电路描述；当D1 上续流电流过零，此电流变化由电流互感器LT1 取样后输入第二整形单元，经第二整形单元21 整形为方波，并输入第二与非门，反相后的方波进入脉冲成型单元，将方波上升沿处理为单脉冲，再经功率放大后进入晶闸管控制器，输出脉冲接入到晶闸管VT2 的门极G2，VT2 此时承受正向压降，当触发脉冲加入门极G2 则VT2 导通，负载上流过反向电流；当D2 上续流电流过零，电流变化由电流互感器LT2 取样后输入第一整形单元，整形为方波后再次用于产生触发VT1 导通的控制脉冲，如此反复工作，电路进入振荡状态，即一次起振成功。

2.2 维持振荡分析

如上述起振后，电路进入振荡状态。当物料从固态到熔融的过程中，物料的电学性质将会有变化，体现为负载阻抗会有变化，该变化会导致电路谐振频率的偏移。对于采用扫频跟踪方式维持谐振状态的中频电源而言，当负载阻抗变化较大以致谐振频率超出设定谐振频率范围就会导致中频电源失谐停振。

本设计当负载阻抗变化时，因为不是采用扫频跟踪的工作方式，而是通过电流互感器实时跟踪续流电路电流过零状态，而续流电流的波形变化情况是和负载电路的阻抗值相关的，所以理论上无论主电路负载阻抗如何变化都可以准确输出晶闸管触发信号，维持电路稳定工作。当起振成功后，谐振电路可以轮流输出稳定的触发脉冲维持中频电源电路工作。

2.3 过流判断分析

过流判断单元的信号输出端与非门的信号输入端相连接，本设计设定当负载电流信号i 大于负载电路的额定电流的1.1-1.5 倍时，判断电流信号过载，此时过流判断单元发出高电平信号，经反相电路变化为低电平信号，此低电平信号分别于第一、第二整形单元输出的方波信号相与后反相，因为任何信号与低电平信号相与，输出均为低电平信号，所以第一与非门与第二与非门的信号输出端均输出高电平信号，相当于阻塞了第一、第二脉冲成型单元的输入，脉冲成型单元无法得到有效输入，故而无法产生有效脉冲输出，导致VT1 与VT2 均无法获得有效门极控制脉冲，相当于截断第一晶闸管VT1 或第二晶闸管VT2 的下一次导通；当负载电流信号i 小于负载电路的额定电流的1.1-1.5 倍时，判断电流信号正常，过流判断单元发出低电平信号，反向后变为高电平信号，不影响与非门输出，控制电路正常工作。

图5 为图4 中各单元输出信号的时序图。

图5 谐振电路各单元输出时序图

图6 为谐振电路图4 的实际电路图。

通过上述主电路与快速起振/维持电路工作原理的分析，可以看出本设计电源启动时无需扫频即可以产生有效触发信号，能够一次起振成功。又因为本设计并不依赖负载电路的参数进行定频工作，也就不需要锁频。而且当负载参数变化时，只要续流二极管D1、D2 支路上的电流互感器LT1、LT2 能够有效采样续流电流过零变化就能够经控制电路产生VT1、VT2 有效触发脉冲，从而维持电路振荡工作，所以本设计可以满足快速起振/维持中频电源的要求。

图6 谐振电路原理图

3 结论

本中频电源电路利用快速起振电路直接提供起振信号触发晶闸管起振，再利用电流互感器取样续流电流信号id1和id2的过零变化，进而根据其变化分别控制晶闸管VT1 和VT2 的导通从而实现持续振荡；同时当负载电路的阻抗变化导致谐振频率发生漂移时，由于设计实时跟踪续流电路电流过零变化，控制电路输出的控制信号频率随着负载电路谐振频率的变化而变化，避免了电路停振失控情况的发生，所以本电路是一种可以快速起振/维持并自动跟踪频率变化的中频电源电路。