大功率串聯諧振中頻電源監控系統
大功率感應加熱電源有加熱速度快、工件受加均勻、采用非接觸式加熱、容易實現自動控制等諸多優點，在工業中有著廣泛的應用，如在制造業和冶金業用于淬火、透熱、熔煉、保溫、釬焊以及燒結等。隨著感應加熱理論和感應加熱裝置的不斷發展，其應用領域也隨之擴大，應用范圍越來越廣。
1串聯諧振逆變拓撲結構
感應加熱電源一般由主電路、控制電路及其保護電路組成框圖如圖1所示。其中主電路包括整流電路、濾波電路、逆變電路、負載電路組成。三相工頻電流經整流器整流，濾波器濾波后，變成平直的直流電流送給逆變器，再由逆變器轉換為負載電路所需要的中頻電流。
中頻電源結構圖
圖1中頻電源結構圖
逆變電路的輸出為負載直接提供能源。中頻電流通過感應線圈對工件加熱時，可等效為一個電感和電阻，負載呈感性，為了提高功率因數和逆變器的輸出頻率，一般采用加補償電容的方法，使補償后負載工作在諧振頻率上。根據補償電容和感應加熱線圈連接方式的不同，電源逆變電路可分為并聯諧振式和串聯諧振式兩種形式。
串聯諧振逆變電路結構
圖2串聯諧振逆變電路結構
串聯諧振逆變電路如圖2所示，它將補償電容和感應圈（等值電阻和電感）串聯后作為逆變橋的負載。由于補償電容值較大，可以近似認為逆變器輸入端電壓固定不變。交替開通和關斷逆變器上的可控器件就可以在逆變器的輸出端得到交變的方波電壓[1]。由于當串聯逆變器采用適當的工作方式時開關損耗較小，因而可以有較寬范圍的工作頻率。正因為這一原因，目前在半導體高頻感應加熱電源中，串聯逆變器方案受到更多的重視。
在加熱和熔化金屬爐料過程中，因溫度變化和爐料溶化等因素，使負載等效參數和固有諧振頻率發生變化。為了提高電源效率應使串聯逆變器始終工作在功率因數接近于或等于1的準諧振狀態，這就要求逆變器的輸出頻率能跟隨負載固有頻率變化，以實現逆變器件的零電流開關或零電壓開關。本文采用的PWM頻率跟蹤方法對負載的電壓電流波形進行采樣，根據過零點的位置取得電壓和電流之間的相位差，得到系統實時的功率因數，以此來調節逆變器的工作頻率，提升感應爐的功率因數。
2系統硬件組成
感應加熱系統由感應爐體、中頻電源、PLC控制柜和觸摸屏HMI四部分組成。系統結構示意圖如圖3所示：
系統結構示意圖
圖3系統結構示意圖
感應爐體是工件加熱的主體，它是在一個由耐火材料筑成的坩堝外面套一層螺旋形的感應線圈，將待熔的金屬爐料置于坩堝內，當線圈通上交流電時，金屬爐料的內部在交變磁場的作用下產生渦流效應和磁滯損失而引起熱效應，從而達到加熱熔煉的目的[2]。
中頻電源通過“交-直-交”的方式為感應爐體供電，其輸出的中頻電流頻率在300Hz~20KHz之間。它是感應加熱系統主要的主要組成部分，是主要的監控對象。
PLC是整個系統的核心單元，其功能是采集并完成所有模擬量和數字量的處理，負責爐體的溫度采集、中頻電源的功率和加熱工藝控制，實現與上位機觸摸屏HMI的通信。
觸摸屏HMI是系統人機交互的監控終端，既可以實時準確地顯示系統的運行狀態，又可以通過觸摸式按鈕修改系統的工作參數以及對設備下達動作指令，還可以自動將系統的報警信息、歷史記錄和趨勢信息存入自定義的數據庫中。
3監控系統功能
3.1主要監測參數
系統電壓電流檢測參數共10路，包括2路進線電壓、2路進線電流、2路直流電壓、2路直流電流、1路中頻電壓、1路中頻電流。
系統溫度檢測有：電源冷卻水入口溫度1路、電爐冷卻水入口溫度1路、爐體溫度6路、可控硅冷卻溫度25路、諧振電容器冷卻溫度12路，共計45路。
狀態量檢測信號有：電源故障、水泵故障、噴淋泵故障、風扇故障、冷卻水壓高低、Y缺相、D缺相、Y過流、D過流檢測等9路。
3.2主要控制參數
開頭量輸出量共10路，包括控制電源開頭、儲能動作、合閘動作、分閘動作、噴淋起停、風扇起停、水泵起停等。
電源輸出功率調節2路：輸出電壓、中頻頻率調節。
4主要軟件功能設計
系統的軟件部分包括PLC端的測控軟件和上位機觸摸屏的操作界面。
PLC部分負責傳感器組的模擬信號的采集，開關量的邏輯控制，通過D/A模塊實現對中頻電源的功率調節，以及與觸摸屏的通信。其中由于系統溫度監測點多達45路，為減少A/D模塊的數量，降低系統成本，故選用單總線接口的數字式溫度傳感器DS18b20來實現對溫度的采集，通過Modbus通信協議與PLC通信，既提高了系統的速度又增加了可靠性。關于這部分的內容另有文章詳述，。
上位機觸摸屏系統的主要功能分六個方面，即系統用戶管理、報警參數設定、狀態參數顯示、烘爐工藝控制、輸出控制和系統數據管理等[5]。
系統用戶管理：包括用戶注冊、用戶登錄、用戶權限設定等。本系統將用戶操作權限分為三級，不同級別的用戶擁有不同的操作權限，以實現系統的多級管理和保證數據的安全。
報警參數設定：包括系統限壓設定、過壓設定、限流設定、過流設定、水壓設定、水溫設定、最大輸出功率設定等。對于不同容量的爐體，可以設定一組不同的報警參數，從而提高了系統的擴展性。
狀態參數顯示：包括工作參數的顯示和報警信息的顯示。其中主要的工作參數包括中頻電源交-直-交三個環節的進線電壓和進線電流、輸出環節的功率和頻率，冷卻系統的進水水溫、進水水壓及出水水溫，以及各輔助裝置的運行狀態。上述工作參數超過或低于預設值范圍時，系統自動切換到相應的報警界面。報警信息狀態指示燈能實時精確地在觸摸屏上閃爍。
烘爐工藝控制：烘爐工藝控制是指操作者按照烘爐加熱曲線對爐體的溫度進行調節的過程，其中烘爐工藝曲線是一條以加熱時間為橫軸，爐體溫度為縱軸的實時曲線。溫度的調節是通過調節中頻電源的輸出功率來實現的，它是由PLC控制系統給出某一范圍的數字控制結果，通過D/A模塊將其轉化為相應的模擬量信號，再經過合適的放大驅動電路來實現對功率的調節。
輸出控制：包括設備的主電源控制和輔助設備的控制。其中要求通過編程實現系統異常報警時主電源自動斷電。儲能動作、分合閘動作、噴淋起停、風扇及水泵起停控制等。
系統數據管理：將熔煉記錄和系統的故障記錄存入自定義的數據庫中，能隨時調出查閱。系統數據信息能自動生成Excel格式的表格數據，通過串口導出到外存貯設備中。
5系統運行及效果
本系統在某鑄造廠實際使用的運行控制界面和電源柜溫度巡檢界面分別如圖4、圖5所示。實效表明系統操作簡單，減輕了工人勞動強度，提高了熔煉加工的自動化水平，實現了對熔爐負載功率的控制，對爐體的壽命和金屬的熔煉質量有顯著的提高，增強了熔煉過程的動態和穩態性能。