1、CD4046集成鎖相環在感應加熱電源中的應用重慶大學(630044)毛鴻成都鐵路分局供電段(610081)王翔摘要:提出一種由CD4046集成鎖相環設計的應用于感應加熱電源的無相差頻率跟蹤控制系統,并就控制系統的相位補償、電源的起動等問題進行了分析討論。關鍵詞:鎖相環頻率跟蹤相位補償感應加熱電源在加熱過程中,由于溫度的變化和爐料熔化等因素,負載等效參數發生變化,率也發生變化。,逆,也就是說,控制電路必須具有自動頻率跟蹤功能2。由可關斷器件構成的逆變器件,雖然不象可控硅那樣存在換流問題,但為了使逆變器始終工作在功率因數接近或等于1的準諧振或諧振狀態,以實現逆變器件的零電流換流(ZCS)或零電壓換

2、流(ZVS),頻率跟蹤電路也是不可缺少的。而且,由于逆變器輸出頻率的提高,頻率跟蹤電路的快速性和準確性要求也相應提高,為此,本文提出一種用集成鎖相環CD4046,霍爾電流傳感器和高速比較器實現的無相差頻率跟蹤控制系統,該控制電路具有跟蹤快速、準確、保護容易、抗干擾能力強等優點。益,。4046的鑒相器PD ,即使不用有,也可保證鎖相環輸出與輸入信號相位差為零。2頻率跟蹤控制電路CD4046集成鎖相環可實現無相差的頻率跟蹤,如果將負載電壓或電流相位作為鎖相環的輸入信號,將鎖相環輸出作為逆變器的驅動信號,就正好可以實現逆變器對負載的頻率跟蹤。基于上述思路,本文設計制作了如圖2(a)所示的控制電路,對

3、應的主電路如圖2(b)所示。圖2頻率跟蹤控制電路與主電路1CD4046集成鎖相環的特點鎖相環(PLL)主要由鑒相器PD,壓控振蕩器VCO和外接無源R、C低通濾波器(也可接有源低通濾波器)組成,如圖1所示。VRCUVCO圖1鎖相環原理控制電路中比較器LM339起波形變換作用,它將霍爾電流傳感器送來的負載正弦電流信號變換為方波信號,然后送給CD4046鎖相環。鎖相輸出信號作器件S1(IGBT)的驅動信號,圖3電路波形圖()反向后作S2IGBT的驅動信號。從圖3各點波形可以看出,S1和S2剛好在負載電流過零時開通與斷開,電路實現了負載諧振零電流開關。逆變器輸出電壓和頻率始終使負載工作在功率因數為1的

4、諧振狀態。CD4046具有兩個獨立的鑒相器PD 與PD 。PD 是異或門鑒相器,若采用無源低通濾波器,信號鎖定時輸入信號和輸出信號(反饋輸入)之間的相角將3相位補償的實現按上節的分析,S1與S2應在電流過零時換流,但在實際電路中,電流采樣,鎖相跟蹤,器件的驅動都需要時間,這將引起驅動信號滯后負載電流一個相角度,逆變器實際工作在容性負載狀態。實驗表明,從電流采樣到IGBT完全開通,大約需要(2153)s的時間,對超音頻感應加熱電源而言,這個時間引起的負載電壓在0度到180度之間變化,采用該鑒相器無法實現無相差的頻率跟蹤。PD 是鑒頻鑒相器,它由受邏輯門控制的四個邊沿觸發器和三態輸出電路組成,它的

5、輸出為三態結構。系統一旦入鎖,輸出將處于高阻狀態,無源低通濾波器的電容C無放電回路,鑒相器相當于具有極高的增電子技術應用1997年第10期51© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 與電流相位差是不容忽視的,它一方面使IGBT無法工作于零電流開關狀態,另一方面它將影響電源的功率因數,從而影響功率輸出。基于以上原因,電路中須加入相位補償環節。本文利用CD4046鎖相環的特點,配合比較器,巧妙地實現了相位補償。CD4046的鑒相器PD 構成的鎖相環的特點是:輸

6、出信號占空比始終為50%,與輸入信號占空比無關,輸入信號上升沿觸發有效。相位補償原理見圖4,在比較器輸入正端加一比較偏置電壓VP,使比較器輸出信號上升沿提前T時間,鎖相環對應的輸出信號作S2的驅動信號,反相后作S1的驅動信號,驅動信號相對于電流而言提前了T時間,T就是相位補償時間,調節偏置電壓Vp償時間值。調節補償時間值,容性和諧振狀態,。4起動電路感應加熱電源的起動一般有個從它激到自激的過程,串聯逆變感應加熱電源相圖4相位補償原理圖對并聯逆變電源起動可靠性較高2。串聯逆變器起動的可靠程度同它激頻率與負載固有頻率的比值以及負載品質因素Q有關。在不知道負載固有振蕩頻率時,串聯逆變器可以在任何低頻

7、下投入運行,換言之,只要由低到高調節它激觸發頻率,起動很容易完成1。現有串聯感應加熱電源一般都設有較復雜的由它23激到自激的轉換電路1,而且它激信號由外加振(上接第45頁)蕩器產生3,本文提出一種由CD4046自身實現的由它激轉自激的頻率掃描式起動電路。CD4046鎖相環上電時,壓控振蕩器(VCO)將以最低頻率工作,在VCO控制端(9端)加控制電壓,可使VCO輸出頻率在最低與最高頻率之間變化。因此,可以利用VCO的輸出信號作為它激信號,而不必另加信號發生電路。圖5為起動控制電路原理圖,9端是壓控振蕩器電壓控制端,電時,輸,4046起動瞬圖5起動電路原理圖,電容CT相當于短路,9端所加電壓最高,

8、VCO輸出最高頻率,隨著CT的充電,控制端電壓逐漸降低,只要負載的固有頻率VCO從最高頻率滑向最低頻率。在最高頻率與最低頻率之間,那么VCO的輸出掃描頻率就會引起負載產生諧振,鎖相環進入鎖定狀態,起動極為容易。起動完成后,二極管D將起動電路與濾波電路隔離,鎖相環工作于無相差跟蹤狀態。在5kW實驗樣機上試驗表明,只要合理設計參數,起動可靠性在90%以上。利用CD4046集成鎖相環實現的無相差頻率跟蹤控制電路,為串聯逆變器實現零電流諧振開關創造了條件。零電流諧振開關減輕了器件的開關應力和電磁損耗,使逆變器可運行于更高的頻率。實驗表明,利用CD4046自身特點設計的相位補償電路和起動電路,使控制電路

9、更加簡化,可靠性得以提高,具有較大實用(收稿日期:1997-03-31)價值。在PC計算機初始化任意信號發生卡后,它的工奎斯特頻率的濾波器和專門用于脈沖信號的寬帶濾波作不需要PC計算機干預,初始化的內容相對簡單,并器。在不同的信號輸出時由PC計算機程控選擇不同且對數據的實時性要求不強,因此在數據傳輸方面不的濾波器對信號進行模擬濾波。需作過多的考慮。PC計算機本文論述了基于PC總線高性能虛擬儀器主時鐘及控制電路要幾個硬件模塊的結構、工作方式以及工程設計上任意信號輸出的一些技術問題。在PC計算機上掛接這幾個硬件模塊,配合相功率驅動應的軟件系統,可以構成一臺功能較為完善的PC電平調整連至PC總線虛擬儀器,對大多數用戶來說已經達到實用化要求,具有很高的性能價格化,是一種特別適合我國國情的虛擬儀器方案。參考文獻高速局部總線圖3任意信號發生卡框圖1劉陽1虛擬儀