基于DSP的火車(chē)制動(dòng)梁中頻加熱電源研制

摘要：針對(duì)目前普遍采用的火焰加熱式熱處理設(shè)備溫度控制精度低的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種適合于制動(dòng)梁加熱的中頻電源。該方案以DSP為控制核心，采用模糊PID溫度控制策略，增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)負(fù)載參數(shù)變化和外部干擾的適應(yīng)性，有效提高了溫度控制精度。分析了加熱電源的結(jié)構(gòu)和原理，并對(duì)控制電路和控制方法進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)該系統(tǒng)的性能進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，該系統(tǒng)提高了制動(dòng)梁熱處理溫度控制精度，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)要求，可用于對(duì)現(xiàn)有制動(dòng)梁熱處理系統(tǒng)進(jìn)行改造。
關(guān)鍵詞：中頻電源；制動(dòng)梁；恒溫控制

1 引言
Q460E等級(jí)新型微合金化鋼滿足L-B型組合式制動(dòng)梁的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，在加熱時(shí)對(duì)加熱溫度的控制精度要求較高，加熱溫度過(guò)高會(huì)使梁架中產(chǎn)生魏氏組織，影響梁架的沖擊強(qiáng)度。感應(yīng)加熱質(zhì)量高，表面氧化和脫碳很少，加熱效果穩(wěn)定，加熱的時(shí)間和溫度易于控制，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，非常適用于對(duì)制動(dòng)梁坯料進(jìn)行加熱。
火車(chē)制動(dòng)梁中頻加熱電源，以DSP為控制核心，采用以溫度環(huán)為外環(huán)，以電壓環(huán)、電流環(huán)和阻抗環(huán)為內(nèi)環(huán)的恒溫控制方案，集控制、觸發(fā)、顯示、上位機(jī)通信于一體，可實(shí)現(xiàn)恒溫控制。

2 加熱電源的結(jié)構(gòu)
該加熱電源采用如圖1所示的中頻感應(yīng)加熱主電路及控制電路。

三相交流電經(jīng)全控整流橋整流，再經(jīng)平波電抗器濾波變?yōu)橐粋€(gè)恒定直流電流源，單相可控逆變將直流電流逆變成一定頻率的中頻交流電，負(fù)載是由補(bǔ)償電容和感應(yīng)線圈組成的并聯(lián)諧振電路?？刂齐娐钒ǎ喝嗤叫盘?hào)電路、溫度給定電路、整流觸發(fā)脈沖隔離及功放電路、中頻電壓反饋電路、中頻頻率采樣電路、逆變觸發(fā)脈沖隔離及功放電路、模擬量采樣電路、鍵盤(pán)輸入及模擬量數(shù)字顯示電路等。同時(shí)控制電路中還包括三相過(guò)流保護(hù)、三相電源斷相保護(hù)、中頻電壓過(guò)壓保護(hù)、冷卻水的欠壓保護(hù)及控制板電源欠壓等保護(hù)電路。一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，即可進(jìn)入逆變保護(hù)狀態(tài)，然后可靠地停機(jī)。為保護(hù)晶閘管安全運(yùn)行，每個(gè)晶閘管還加了阻容吸收電路來(lái)減小器件的開(kāi)關(guān)損耗。
2．1 整流觸發(fā)
整流觸發(fā)電路由三相同步、數(shù)字觸發(fā)和末級(jí)驅(qū)動(dòng)等電路組成。三相整流的同步信號(hào)由共陽(yáng)極晶閘管的陰極引線從主電路三相進(jìn)線上取得，并送入DSP的ADC模塊，經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到同步電壓。在每個(gè)數(shù)據(jù)采樣程序里判斷電壓是否過(guò)零(包括由正到負(fù)和由負(fù)到正電壓的過(guò)零)，如果過(guò)零，則記下該時(shí)刻通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，并在此后的時(shí)間里實(shí)時(shí)地根據(jù)觸發(fā)角α的變化比較定時(shí)器計(jì)數(shù)值，如果相等則發(fā)出相應(yīng)晶閘管觸發(fā)脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)雙窄脈沖觸發(fā)。DSP輸出的窄脈沖經(jīng)過(guò)放大，驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器輸出觸發(fā)脈沖，通過(guò)改變整流控制角來(lái)改變整流器輸出電壓。
2．2 逆變控制
以全控型器件作為開(kāi)關(guān)的逆變器控制常采用他激轉(zhuǎn)自激的控制策略，即在開(kāi)機(jī)或負(fù)載電壓低于閾值時(shí)采用開(kāi)環(huán)定頻控制，工作在他激狀態(tài)；當(dāng)輸出負(fù)載電壓大于閾值電壓時(shí)進(jìn)行自動(dòng)切換，這時(shí)逆變器工作在閉環(huán)狀態(tài)，跟蹤負(fù)載頻率變化。
中頻電壓反饋信號(hào)是從中頻反饋?zhàn)儔浩魅〉茫?jīng)過(guò)零比較電路得到與中頻電壓同頻率的方波，該方波和輸出的PWM控制脈沖一起經(jīng)過(guò)鑒相器鑒相，得到二者的相位差；再經(jīng)過(guò)低通濾波器得到反映該相位差大小的直流電平。該電平經(jīng)過(guò)A／D采樣送入DSP中進(jìn)行PI調(diào)節(jié)并輸出相應(yīng)頻
率的控制脈沖模擬壓控振蕩器(VCO)的功能。
在并聯(lián)逆變電路中開(kāi)關(guān)管必須遵循先導(dǎo)通后關(guān)斷的原則，因此控制脈沖必須具有一個(gè)重疊死區(qū)。此處采用在DSP的PWM輸出端口接上反相器的方法，將DSP輸出的帶有死區(qū)的PWM脈沖反相，實(shí)現(xiàn)帶重疊區(qū)的PWM脈沖輸出信號(hào)。

3 保護(hù)電路設(shè)計(jì)
晶閘管中頻電源在運(yùn)行時(shí)會(huì)遇到各種非正常情況，對(duì)這些情況必須采取一定的保護(hù)措施。保護(hù)電路主要包括：冷卻水壓過(guò)低，直流電流過(guò)流保護(hù)，中頻電壓過(guò)高等。為保證故障檢測(cè)實(shí)時(shí)性，保護(hù)電路采用模擬電路。