大功率串联谐振中频电源监控系统
大功率感应加热电源有加热速度快、工件受加均匀、采用非接触式加热、容易实现自动控制等诸多优点，在工业中有着广泛的应用，如在制造业和冶金业用于淬火、透热、熔炼、保温、钎焊以及烧结等。随着感应加热理论和感应加热装置的不断发展，其应用领域也随之扩大，应用范围越来越广。
1串联谐振逆变拓扑结构
感应加热电源一般由主电路、控制电路及其保护电路组成框图如图1所示。其中主电路包括整流电路、滤波电路、逆变电路、负载电路组成。三相工频电流经整流器整流，滤波器滤波后，变成平直的直流电流送给逆变器，再由逆变器转换为负载电路所需要的中频电流。
中频电源结构图
图1中频电源结构图
逆变电路的输出为负载直接提供能源。中频电流通过感应线圈对工件加热时，可等效为一个电感和电阻，负载呈感性，为了提高功率因数和逆变器的输出频率，一般采用加补偿电容的方法，使补偿后负载工作在谐振频率上。根据补偿电容和感应加热线圈连接方式的不同，电源逆变电路可分为并联谐振式和串联谐振式两种形式。
串联谐振逆变电路结构
图2串联谐振逆变电路结构
串联谐振逆变电路如图2所示，它将补偿电容和感应圈（等值电阻和电感）串联后作为逆变桥的负载。由于补偿电容值较大，可以近似认为逆变器输入端电压固定不变。交替开通和关断逆变器上的可控器件就可以在逆变器的输出端得到交变的方波电压[1]。由于当串联逆变器采用适当的工作方式时开关损耗较小，因而可以有较宽范围的工作频率。正因为这一原因，目前在半导体高频感应加热电源中，串联逆变器方案受到更多的重视。
在加热和熔化金属炉料过程中，因温度变化和炉料溶化等因素，使负载等效参数和固有谐振频率发生变化。为了提高电源效率应使串联逆变器始终工作在功率因数接近于或等于1的准谐振状态，这就要求逆变器的输出频率能跟随负载固有频率变化，以实现逆变器件的零电流开关或零电压开关。本文采用的PWM频率跟踪方法对负载的电压电流波形进行采样，根据过零点的位置取得电压和电流之间的相位差，得到系统实时的功率因数，以此来调节逆变器的工作频率，提升感应炉的功率因数。
2系统硬件组成
感应加热系统由感应炉体、中频电源、PLC控制柜和触摸屏HMI四部分组成。系统结构示意图如图3所示：
系统结构示意图
图3系统结构示意图
感应炉体是工件加热的主体，它是在一个由耐火材料筑成的坩埚外面套一层螺旋形的感应线圈，将待熔的金属炉料置于坩埚内，当线圈通上交流电时，金属炉料的内部在交变磁场的作用下产生涡流效应和磁滞损失而引起热效应，从而达到加热熔炼的目的[2]。
中频电源通过“交-直-交”的方式为感应炉体供电，其输出的中频电流频率在300Hz~20KHz之间。它是感应加热系统主要的主要组成部分，是主要的监控对象。
PLC是整个系统的核心单元，其功能是采集并完成所有模拟量和数字量的处理，负责炉体的温度采集、中频电源的功率和加热工艺控制，实现与上位机触摸屏HMI的通信。
触摸屏HMI是系统人机交互的监控终端，既可以实时准确地显示系统的运行状态，又可以通过触摸式按钮修改系统的工作参数以及对设备下达动作指令，还可以自动将系统的报警信息、历史记录和趋势信息存入自定义的数据库中。
3监控系统功能
3.1主要监测参数
系统电压电流检测参数共10路，包括2路进线电压、2路进线电流、2路直流电压、2路直流电流、1路中频电压、1路中频电流。
系统温度检测有：电源冷却水入口温度1路、电炉冷却水入口温度1路、炉体温度6路、可控硅冷却温度25路、谐振电容器冷却温度12路，共计45路。
状态量检测信号有：电源故障、水泵故障、喷淋泵故障、风扇故障、冷却水压高低、Y缺相、D缺相、Y过流、D过流检测等9路。
3.2主要控制参数
开头量输出量共10路，包括控制电源开头、储能动作、合闸动作、分闸动作、喷淋起停、风扇起停、水泵起停等。
电源输出功率调节2路：输出电压、中频频率调节。
4主要软件功能设计
系统的软件部分包括PLC端的测控软件和上位机触摸屏的操作界面。
PLC部分负责传感器组的模拟信号的采集，开关量的逻辑控制，通过D/A模块实现对中频电源的功率调节，以及与触摸屏的通信。其中由于系统温度监测点多达45路，为减少A/D模块的数量，降低系统成本，故选用单总线接口的数字式温度传感器DS18b20来实现对温度的采集，通过Modbus通信协议与PLC通信，既提高了系统的速度又增加了可靠性。关于这部分的内容另有文章详述，。
上位机触摸屏系统的主要功能分六个方面，即系统用户管理、报警参数设定、状态参数显示、烘炉工艺控制、输出控制和系统数据管理等[5]。
系统用户管理：包括用户注册、用户登录、用户权限设定等。本系统将用户操作权限分为三级，不同级别的用户拥有不同的操作权限，以实现系统的多级管理和保证数据的安全。
报警参数设定：包括系统限压设定、过压设定、限流设定、过流设定、水压设定、水温设定、最大输出功率设定等。对于不同容量的炉体，可以设定一组不同的报警参数，从而提高了系统的扩展性。
状态参数显示：包括工作参数的显示和报警信息的显示。其中主要的工作参数包括中频电源交-直-交三个环节的进线电压和进线电流、输出环节的功率和频率，冷却系统的进水水温、进水水压及出水水温，以及各辅助装置的运行状态。上述工作参数超过或低于预设值范围时，系统自动切换到相应的报警界面。报警信息状态指示灯能实时精确地在触摸屏上闪烁。
烘炉工艺控制：烘炉工艺控制是指操作者按照烘炉加热曲线对炉体的温度进行调节的过程，其中烘炉工艺曲线是一条以加热时间为横轴，炉体温度为纵轴的实时曲线。温度的调节是通过调节中频电源的输出功率来实现的，它是由PLC控制系统给出某一范围的数字控制结果，通过D/A模块将其转化为相应的模拟量信号，再经过合适的放大驱动电路来实现对功率的调节。
输出控制：包括设备的主电源控制和辅助设备的控制。其中要求通过编程实现系统异常报警时主电源自动断电。储能动作、分合闸动作、喷淋起停、风扇及水泵起停控制等。
系统数据管理：将熔炼记录和系统的故障记录存入自定义的数据库中，能随时调出查阅。系统数据信息能自动生成Excel格式的表格数据，通过串口导出到外存贮设备中。
5系统运行及效果
本系统在某铸造厂实际使用的运行控制界面和电源柜温度巡检界面分别如图4、图5所示。实效表明系统操作简单，减轻了工人劳动强度，提高了熔炼加工的自动化水平，实现了对熔炉负载功率的控制，对炉体的寿命和金属的熔炼质量有显著的提高，增强了熔炼过程的动态和稳态性能。