放空火炬高頻點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 篷，蔣 林，楊高鵬，周 龍，楊 旭

(西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610500)

放空火炬高頻點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 篷，蔣 林，楊高鵬，周 龍，楊 旭

(西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610500)

針對(duì)傳統(tǒng)放空火炬的高壓電子點(diǎn)火系統(tǒng)電極易腐蝕的問(wèn)題，提出了一種基于感應(yīng)加熱原理的新型點(diǎn)火系統(tǒng)。該電源系統(tǒng)的主拓?fù)錇槿珮蛑C振結(jié)構(gòu)。通過(guò)檢測(cè)負(fù)載電流與電壓的相位差，利用脈沖頻率調(diào)制(PFM)方式使電源工作頻率實(shí)時(shí)跟蹤鎖定負(fù)載的固有頻率，利用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)在軟件上實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán)，讓電源工作在弱感性狀態(tài)?；赥I公司的TMS320F28335控制芯片，搭建了點(diǎn)火系統(tǒng)的控制平臺(tái)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)工作頻率對(duì)固有頻率的準(zhǔn)確跟蹤鎖定，且在弱感性工作狀態(tài)下，電源輸出滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，具有較小的開(kāi)關(guān)損耗。

感應(yīng)加熱；串聯(lián)諧振；DSP；數(shù)字鎖相環(huán)；saber

0 引言

在油氣田的開(kāi)采、天然氣管道的日常運(yùn)行中，放空火炬的使用是必不可少的一部分。它能夠?qū)⒂泻Φ臍怏w導(dǎo)引到高空中，并燃燒處理。目前國(guó)內(nèi)的放空火炬基本上采用的是傳統(tǒng)高壓電子點(diǎn)火，而由于電極長(zhǎng)期受腐蝕，在表面會(huì)形成硫化物薄膜，阻止了放電，因此電極的壽命較短。高空中的電極更換難度較大，并且頻繁的更換也給生產(chǎn)造成了極大的安全隱患。感應(yīng)加熱作為一種非接觸式的加熱方式，幾乎不受氣體腐蝕的影響，屬于免維護(hù)方式，這大大提高了點(diǎn)火系統(tǒng)的可靠性與安全性[1]。

感應(yīng)加熱是基于電磁感應(yīng)原理的，交變電流在周圍空間產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，當(dāng)磁感應(yīng)線切割導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于電阻的熱效應(yīng)，導(dǎo)體便會(huì)產(chǎn)生熱量，這就是感應(yīng)加熱的基本原理。

感應(yīng)加熱技術(shù)因其加熱速度快、不受腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用在焊類、鍛造、軋制、熱處理等領(lǐng)域。但是將感應(yīng)加熱技術(shù)運(yùn)用在放空火炬點(diǎn)火系統(tǒng)上，目前沒(méi)有應(yīng)用實(shí)例。因此，基于感應(yīng)加熱的放空火炬點(diǎn)火裝置具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用前景[2]。

1 系統(tǒng)原理與控制策略

1.1 主電路的設(shè)計(jì)

圖1 主電路拓?fù)鋱D

串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。進(jìn)線端為單相工頻交流電，經(jīng)過(guò)不可控全波整流得到直流電。Cd作為直流濾波電容，其作用是濾波穩(wěn)壓以及在換流時(shí)吸收感性無(wú)功電流。負(fù)載側(cè)采用高頻變壓器作為負(fù)載匹配使用，R、L是感應(yīng)頭的等效電阻和電感，C則是補(bǔ)償電容，以使逆變器工作在弱感性狀態(tài)，即電壓相位略微超前于電流相位，而為了避免直流偏磁，所以將補(bǔ)償電容器置于原邊側(cè)。

點(diǎn)火系統(tǒng)的主電路相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

系統(tǒng)輸入為220 V，50 Hz單相交流電，系統(tǒng)輸出為25 V，500 A，30～50 kHz單相交流電。直流側(cè)采用單相全波整流，經(jīng)計(jì)算直流母線電壓約為：

Ud=220×1.1=242(V)

(1)

濾波電容在逆變器中主要起到濾波、穩(wěn)定電壓、吸收無(wú)功電流等作用。在本設(shè)計(jì)中，采用工頻單相全波整流，電壓紋波脈動(dòng)的基波為100Hz。為了保證提供的電壓穩(wěn)定，濾波電路的時(shí)間常數(shù)必須為紋波基波周期的6～8倍，此處取6倍，即：

(2)

濾波電容的耐壓值必須高于直流峰值電壓311V，所以濾波電容采用400V耐壓4 700μF的電容。設(shè)計(jì)諧振電容時(shí)，需考慮它與電感上的無(wú)功能量交換。取品質(zhì)因數(shù)Q=3，式(3)得到諧振時(shí)電容兩端電壓，式(4)得到容抗值，式(5)得到諧振頻率為40 kHz時(shí)的諧振電容值。諧振時(shí)，感抗等于容抗，所以，式(6)得到諧振頻率為40 kHz時(shí)的電感值。

(3)

(4)

(5)

(6)

1.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

點(diǎn)火系統(tǒng)的加熱電源不需要對(duì)功率進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，只需要保持最大功率輸出，其控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。對(duì)于串聯(lián)諧振電路來(lái)說(shuō)，工作在諧振狀態(tài)時(shí)其功率最大。因此，本控制系統(tǒng)的核心問(wèn)題就是讓系統(tǒng)工作在弱感性的準(zhǔn)諧振狀態(tài)，即負(fù)載電壓相位略微超前于電流相位[3]。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

首先，將電流互感器采集的正弦電流波轉(zhuǎn)換為同相位的矩形波，利用過(guò)零比較器將正弦波的每一個(gè)過(guò)零點(diǎn)翻轉(zhuǎn)成矩形波，并經(jīng)簡(jiǎn)單的保護(hù)電路送至DSP控制芯片信號(hào)采集端。其次，DSP的CAP2捕捉模塊1可以設(shè)定捕捉脈沖的上升沿或下降沿，并通過(guò)計(jì)數(shù)器將電流的相位和頻率信息傳遞進(jìn)DSP進(jìn)行處理[3]。而電流波形的采集、傳輸、變換過(guò)程需要一定的時(shí)間，因此在DSP內(nèi)部還需要對(duì)相位進(jìn)行補(bǔ)償。作為相位差比較的另一路電壓信號(hào)，這里沒(méi)有直接采集負(fù)載上的電壓，而是將控制脈沖的信號(hào)作為電壓的相位信號(hào)，送進(jìn)CAP1模塊，與CAP2模塊一起進(jìn)入DPLL數(shù)字鎖相環(huán)進(jìn)行程序運(yùn)算之后再輸出相應(yīng)控制的脈沖，最后經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)后直接控制逆變橋的通斷[4]。

2 數(shù)字鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

利用DSP可以在軟件上實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán)，其原理框圖如圖3所示。數(shù)字鎖相環(huán)的工作原理如下：利用CAP1捕捉電壓波形的脈沖，CAP2捕捉電流波形的脈沖。在CAP1中斷時(shí)，對(duì)CAP2的計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零，因此CAP2的捕獲值就是兩個(gè)波形的相位差，CAP1的值就是電壓波形的周期值。再利用增量式PID環(huán)節(jié)的無(wú)差調(diào)節(jié)控制將相位差調(diào)節(jié)至零或者一個(gè)設(shè)定值。相位差和周期信號(hào)經(jīng)PID調(diào)節(jié)后的控制信號(hào)再經(jīng)相應(yīng)的頻率運(yùn)算即可得到對(duì)應(yīng)的頻率控制值，再控制產(chǎn)生PWM波的工作頻率[5]。

圖3 鎖相環(huán)控制流程

3 仿真結(jié)果與分析

基于Saber仿真軟件搭建了系統(tǒng)仿真模型，分別對(duì)開(kāi)關(guān)頻率為100 kHz、23.8 kHz和在諧振狀態(tài)下的感性負(fù)載的電壓電流波形進(jìn)行了仿真測(cè)試，其中諧振狀態(tài)負(fù)載電流電壓波形如圖4所示，開(kāi)關(guān)管電流電壓波形如圖5所示，開(kāi)關(guān)管開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程如圖6所示。從不同的開(kāi)關(guān)頻率工作波形可以看出，電源在諧振點(diǎn)時(shí)具有最大的功率輸出，當(dāng)偏離諧振點(diǎn)時(shí)，輸出功率開(kāi)始衰減，并且越偏離諧振點(diǎn)，衰減越厲害。在諧振時(shí)，負(fù)載電流和電壓是同相位的；當(dāng)工作頻率為100 kHz,大于固有頻率時(shí)，電流滯后于電壓相位，隨著頻率增大到一定程度之后相位差為90°；而工作頻率為23.8 kHz，小于固有頻率時(shí)，電流超前于電壓相位，但由于頻率過(guò)小，負(fù)載電流將失去穩(wěn)定。

圖4 諧振狀態(tài)的負(fù)載電流和電壓波形

圖5 諧振時(shí)開(kāi)關(guān)管的電壓和電流波形

圖6 諧振時(shí)開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷(左)、開(kāi)通(右)過(guò)程

當(dāng)MOS管上的電壓為0時(shí)，表示MOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)，電流為漏極電流Id。正常工作時(shí)，漏極電流為正，當(dāng)出現(xiàn)負(fù)的電流時(shí)，則為IRFP460中的反并聯(lián)二極管的續(xù)流電流。開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)其管子上的電流幾乎為零。理論上，在諧振狀態(tài)時(shí)開(kāi)關(guān)管是零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)的，此時(shí)電源的開(kāi)關(guān)損耗為零[6-7]。實(shí)際上，電源工作于一個(gè)小的頻率變化區(qū)間，也就是弱感性的工作狀態(tài)。

當(dāng)開(kāi)關(guān)管工作于感性狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)管電流電壓波形如圖7所示，由圖可知，開(kāi)關(guān)管會(huì)產(chǎn)生明顯的反向電流，這是由于負(fù)載感性時(shí)電流相位滯后于電壓相位所造成的。開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)過(guò)程如圖8所示，由圖可知，在感性狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)其電流是衰減的，因此感性狀態(tài)屬于小電流的開(kāi)關(guān)。反復(fù)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，工作點(diǎn)越接近諧振點(diǎn)時(shí)開(kāi)關(guān)損耗也越小。

圖7 弱感時(shí)開(kāi)關(guān)管的電壓和電流波形

圖8 弱感時(shí)開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷(左)、開(kāi)通(右)過(guò)程

電源工作在容性狀態(tài)的情況下，開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)電流很大，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流尖峰，并且頻率越小尖峰越明顯，甚至可能超出MOS管的通流能力，損壞MOS管。對(duì)于串聯(lián)諧振電路來(lái)說(shuō)，工作在容性區(qū)的開(kāi)關(guān)損耗是很大的，并且有可能損壞開(kāi)關(guān)管，因此應(yīng)當(dāng)避免工作在此區(qū)間[8]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用DSP開(kāi)發(fā)平臺(tái)，模擬一次電源的啟動(dòng)過(guò)程，并用兩臺(tái)示波器，分別觀察“逆變橋”的工作頻率和輸出的相位差?！澳孀儤颉钡摹肮逃蓄l率”設(shè)定為40 kHz。電源從較高的頻率(80 kHz)啟動(dòng)，此時(shí)的相位差是90°，如圖9所示。隨后由于相位差與目標(biāo)值相差過(guò)大，控制頻率迅速減小，并穩(wěn)定在42.7 kHz左右，也就是達(dá)到了需要的弱感性工作狀態(tài)，如圖10所示。

圖9 啟動(dòng)瞬間波形

圖10 弱感時(shí)穩(wěn)定波形

5 結(jié)論

利用Saber對(duì)串聯(lián)諧振電路的仿真表明，當(dāng)電源工作在容性狀態(tài)時(shí)，電源的開(kāi)關(guān)損耗大，并且可能損壞開(kāi)關(guān)管，因此要避免其進(jìn)入此區(qū)間；諧振時(shí)電源輸出功率最大，開(kāi)關(guān)損耗也最小，但是容易因?yàn)椴▌?dòng)而誤入容性工作區(qū)；而工作在弱感性狀態(tài)時(shí)，具有較大的輸出功率，并且具有較小的開(kāi)關(guān)損耗。所以應(yīng)當(dāng)使電源工作在弱感性狀態(tài)。

利用DSP實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán)，大大減少了硬件電路開(kāi)銷，不存在溫漂、器件老化等問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制算法能夠使系統(tǒng)跟蹤鎖定固有頻率，實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán)功能。

[1] 付正博．感應(yīng)加熱與節(jié)能——感應(yīng)加熱器(爐)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

[2] 徐先澤，肖雅靜，時(shí)千峰．感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展[J]．現(xiàn)代零部件，2010(3)：62-63．

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作者簡(jiǎn)介：

周篷(1993-)，男，本科，主要研究方向：感應(yīng)加熱技術(shù)。

蔣林(1974-)，男，博士研究生，副教授，主要研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)、智能控制、新能源變換與控制。

楊高鵬(1990-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子技術(shù)。E-mail:249186809@qq.com。

The design of high-frequency ignition system of release flare

Zhou Peng, Jiang Lin, Yang Gaopeng, Zhou Long, Yang Xu

(School of Electrical Engineering and Information, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

Aiming at the problem of electrode corrosion for traditional flare high-voltage electronic ignition system, an induction heating based ignition system is proposed. The main topology of the power system is a full-bridge resonance structure. After detecting phase difference between load current and voltage, the work frequency of the power supply would track the load natural frequency timely by using Pulse Frequency Modulation (PFM), and then realize Digital Phase Locked Loop (DPLL) in software through digital signal processing (DSP), which makes the power supply work in weak inductive state. Based on TMS320F28335 controller of TI, the ignition system is built. The results of both simulation and test show that the proposed control algorithm can realize the accurate tracking lock, and the output of power supply can satisfy the design objective under the work state of weak inductive with low switching loss.

induction heating; series resonance; DSP; digital phase locked loop; saber

楊振宇(1975-)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向：自動(dòng)控制等。

TN86

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.04.002

周篷，蔣林，楊高鵬，等.放空火炬高頻點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(4)：4-6，17.

2016-09-22)