面向鐵氧體裂紋檢測的感應(yīng)加熱電源研制

何 昕,唐 波,王曉娜,葉樹亮

(中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院 工業(yè)與商貿(mào)計量技術(shù)研究所,浙江 杭州 310018)

面向鐵氧體裂紋檢測的感應(yīng)加熱電源研制

何 昕,唐 波,王曉娜,葉樹亮

(中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院 工業(yè)與商貿(mào)計量技術(shù)研究所,浙江 杭州 310018)

針對常規(guī)感應(yīng)加熱電源對鐵氧體加熱時存在加熱均勻性差和負載回路諧振頻率漂移的問題,提出了一種全橋逆變拓撲結(jié)構(gòu)的串聯(lián)諧振式數(shù)字感應(yīng)加熱電源.基于負載串聯(lián)諧振回路換流時電壓和電流的相位差特性,通過PSPICE軟件分析了阻性、感性和容性三種換流狀態(tài),仿真結(jié)果表明，串聯(lián)諧振回路工作于弱感性狀態(tài),可以保證電路安全可靠運行;基于電磁耦合原理,對比分析了原邊補償和副邊補償兩類負載匹配變壓器,通過匹配負載等效電阻實現(xiàn)電源系統(tǒng)最大能效輸出;采用Fuzzy-PI頻率跟蹤技術(shù)實現(xiàn)負載諧振頻率實時跟蹤.最后，將研制的數(shù)字感應(yīng)加熱電源成功地應(yīng)用于鐵氧體裂紋檢測實驗.

鐵氧體;裂紋檢測;串聯(lián)諧振;感應(yīng)加熱電源;熱成像

鐵氧體器件廣泛應(yīng)用于儀器儀表和直流電源中,是導(dǎo)航、雷達、通信等電子設(shè)備的關(guān)鍵磁性材料,而鐵氧體裂紋缺陷的存在嚴重影響了產(chǎn)品的質(zhì)量與壽命[1].因此對鐵氧體裂紋缺陷檢測的研究顯得尤為重要和迫切.

傳統(tǒng)的鐵氧體檢測方法主要有聽音法、滲透法和磁粉法等,嚴重依賴檢測員的主觀判斷,檢測效率較低[2].感應(yīng)熱成像作為一種新型的鐵氧體裂紋檢測手段,具有非接觸、檢測效果直觀、易實現(xiàn)自動化、檢測效率高等優(yōu)點[3].葉樹亮等人[4]提出可以利用磁滯損耗等致熱方式使鐵氧體發(fā)熱,并根據(jù)鐵氧體裂紋處表現(xiàn)出的溫度異?，F(xiàn)象,采用感應(yīng)熱成像技術(shù)實現(xiàn)鐵氧體裂紋檢測.而在鐵氧體裂紋檢測的過程中,感應(yīng)加熱電源的加熱效果是保證檢測效果的重要因素.

常規(guī)感應(yīng)加熱電源加熱鐵氧體時,存在負載回路諧振頻率漂移的問題,且加熱均勻性差.本文針對這個問題提出了一種全橋逆變結(jié)構(gòu)的串聯(lián)諧振式數(shù)字感應(yīng)加熱電源,能使負載始終工作在安全的弱感性狀態(tài),從而保證了加熱效率,滿足了感應(yīng)熱成像檢測鐵氧體裂紋的應(yīng)用需求.

1 感應(yīng)熱成像檢測原理

感應(yīng)熱成像檢測系統(tǒng)如圖1.U型激勵探頭與被檢鐵氧體試樣構(gòu)成閉合磁路,在感應(yīng)加熱電源的正弦交變電流激勵作用下鐵氧體近表面產(chǎn)生交變磁場,由于存在磁滯損耗、渦流損耗等因素,鐵氧體溫度升高,尤其在鐵氧體裂紋處會產(chǎn)生溫度異?，F(xiàn)象,通過紅外熱像儀拍攝鐵氧體試樣表面的溫度分布,經(jīng)過相關(guān)的特征提取算法處理實現(xiàn)裂紋檢測.

圖1 感應(yīng)熱成像檢測系統(tǒng)Figure 1 Inductive thermography detection system

其中,感應(yīng)加熱電源的性能與被檢測對象的加熱效率、均勻性、缺陷檢出率密切相關(guān).

2 感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)

感應(yīng)加熱電源的系統(tǒng)框圖如圖2.主要包括全橋逆變電路、負載電路、相位檢測電路、控制電路、驅(qū)動電路、阻抗匹配變壓器.其中,全橋逆變電路主要用于將直流信號轉(zhuǎn)換為交流信號;負載電路采用串聯(lián)諧振拓撲結(jié)構(gòu),包括等效電阻R,補償諧振電容C,以及由電磁激勵探頭與被檢鐵氧體共同構(gòu)成的電感L;相位檢測電路基于異或門鑒相器實現(xiàn),主要用于檢測負載電壓、電流相位差,并將其送于AVR處理;控制電路包括AVR和FPGA兩部分,AVR主要用于實現(xiàn)系統(tǒng)的頻率跟蹤控制,FPGA主要通過DDS技術(shù)輸出PWM信號,用于給驅(qū)動電路提供控制信號;驅(qū)動電路采用隔離式半橋柵極驅(qū)動器ADUM7234實現(xiàn),提供足夠大的驅(qū)動電壓和電流用于驅(qū)動MOS管;阻抗匹配變壓器用于調(diào)節(jié)負載等效電阻,改善電源系統(tǒng)輸出功率,實現(xiàn)最大能效輸出.

圖2 感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)Figure 2 Induction heating power supply system

2.1 主電路換流過程分析

在本系統(tǒng)中,負載電感由電磁激勵探頭與被檢鐵氧體共同構(gòu)成,相當于一個鐵氧體磁芯的電感,其電感量受溫度、電流、磁導(dǎo)率等影響產(chǎn)生非線性變化[5-6],故負載串聯(lián)諧振電路有三種可能的工作狀態(tài):阻性、容性和感性.在不同工作狀態(tài)下負載電壓與電流的相位關(guān)系如圖3,圖中U為負載電壓波形,I1為諧振時的負載電流波形,I2為容性時的負載電流波形,I3為感性時的負載電流波形.

圖3 不同工作狀態(tài)下負載電壓電流波形圖Figure 3 Load voltage and current waveforms in different operating condition

使用PSPICE軟件對三種工作狀態(tài)下的電流換流過程進行分析.

1)諧振換流過程

諧振條件下,負載回路存在兩個換流狀態(tài),如圖4.

圖4 阻性狀態(tài)下電流換流過程Figure 4 Current converter process in impedance state

狀態(tài)1,開關(guān)管Q1、Q4導(dǎo)通,Q2、Q3關(guān)斷,電流經(jīng)Q1和Q4從左往右流經(jīng)負載;狀態(tài)2,當電流為零時,Q1、Q4完全關(guān)斷,Q2、Q3開始導(dǎo)通,電流方向改變,電流經(jīng)Q2和Q3從右向左流經(jīng)負載.

2)感性換流過程

在感性狀態(tài)下,電流相位滯后于電壓相位,在一個周期中電流經(jīng)歷6種變化狀態(tài),具體換流過程如圖5.

圖5 感性狀態(tài)下電流換流過程Figure 5 Current converter process in inductive state

狀態(tài)1,Q1、Q4導(dǎo)通,Q2、Q3關(guān)斷,電流由Q1和Q4流經(jīng)負載,方向為從左向右;狀態(tài)2,由于電壓過零點時電流尚未過零點,Q1、Q4硬關(guān)斷,電流方向保持不變,電流由Q2、Q3體二極管及續(xù)流二極管D2、D3續(xù)流;狀態(tài)3,此時Q2、Q3零電壓開通,電流路徑不變;狀態(tài)4,電流過零點,方向變?yōu)橛捎蚁蜃?由已導(dǎo)通的Q2和Q3流經(jīng)負載;狀態(tài)5和狀態(tài)6與狀態(tài)2和狀態(tài)3電流變化情況對應(yīng)相同.

3)容性換流過程

在容性狀態(tài)下,電流相位超前于電壓相位,在一個周期中電流同樣需經(jīng)歷6種變化狀態(tài),具體換流過程如圖6.

圖6 容性狀態(tài)下電流換流過程Figure 6 Current converter process in capacitive state

狀態(tài)1,Q1、Q4導(dǎo)通,Q2、Q3關(guān)斷,電流由Q1和Q4流經(jīng)負載,方向為由左向右;狀態(tài)2,由于電流過零點先于電壓過零點,Q1、Q4關(guān)斷之前,電流方向變?yōu)橛捎蚁蜃?電流由開關(guān)管Q1、Q4的體二極管和續(xù)流二極管D1和D4流經(jīng)負載;狀態(tài)3,Q1、Q4零電流關(guān)斷,電流流經(jīng)路徑不變;狀態(tài)4,Q2、Q3硬開通,電流由Q2和Q3流經(jīng)負載,方向為由右向左,但是此時Q1、Q4的體二極管具有較大的反向恢復(fù)電流,容易導(dǎo)致上下管直通;狀態(tài)5和狀態(tài)6與狀態(tài)2和狀態(tài)3電流變化對應(yīng)相同.

根據(jù)以上分析,串聯(lián)諧振電路的阻性換流只是理想工作狀態(tài),在實際中很難實現(xiàn);容性換流時容易導(dǎo)致同臂的功率管直通,引起電源短路,導(dǎo)致功率器件損壞,因此換流過程應(yīng)處于感性狀態(tài)下;需要對負載諧振頻率進行實時跟蹤確保換流過程始終處于弱感性狀態(tài)下,以保證電源安全可靠運行.

2.2 阻抗匹配變壓器

負載回路由電磁激勵探頭和被測鐵氧體構(gòu)成,可以將其等效為電感和電阻的串聯(lián)模型.為了提高電源系統(tǒng)的功率因數(shù),通過增加補償諧振電容構(gòu)成RLC串聯(lián)諧振電路.對于串聯(lián)諧振逆變電路,為了能使逆變器輸出更大功率,通常需要引入阻抗匹配變壓器使電源的輸出阻抗與負載達到匹配.

圖7 兩類阻抗匹配變壓器Figure 7 Two kinds of impedance matching transformers

根據(jù)補償電容配置的不同位置,阻抗匹配變壓器類型可分為原邊補償和副邊補償兩種,如圖7.圖7(a)為原邊補償負載匹配,圖7(b)為副邊補償負載匹配,變壓器原副邊變比為n∶1.基于折算前后原邊與副邊功率和磁動勢不變的原則,可以將副邊上的電阻、電感和電容折算到原邊上,得到串聯(lián)諧振等效電路模型.

對于圖7(a)所示的原邊補償負載匹配的變壓器,由于補償電容在原邊,變壓器需要傳遞大量的無功功率,因此需要設(shè)計體積更大的空心變壓器以滿足要求.這樣的變壓器由于變比與匝比相差較大,工程實現(xiàn)不易把握,所以一般不采用.對于圖7(b)所示的副邊補償負載匹配的變壓器,工作時,負載回路在變壓器副邊諧振,變壓器只傳遞有功功率,因此可以設(shè)計體積更小的磁芯變壓器.

基于以上分析,本文采用副邊補償?shù)淖杩蛊ヅ渥儔浩鲗崿F(xiàn)電源功率的最佳傳輸.

2.3 頻率跟蹤控制策略

在實際應(yīng)用中,在電源啟動時可能初始激勵頻率距離諧振頻率較大,在加熱過程中負載也存在不同程度的諧振頻率漂移現(xiàn)象,故系統(tǒng)需要具有在大范圍內(nèi)快速、準確的頻率跟蹤能力.本系統(tǒng)采用Fuzzy-PI結(jié)合的復(fù)合頻率跟蹤技術(shù)來實現(xiàn)頻率跟蹤功能,整體的控制程序流程圖如圖8.

圖8 系統(tǒng)控制程序流程圖Figure 8 Flow chart of the control system

設(shè)置系統(tǒng)的加熱時間與初始激勵頻率后,啟動電源,將AVR單片機A/D接口讀取到的相位值與設(shè)定的控制目標相位值作比較得到相位偏差.當|e|>ξ時,采用基于查詢模糊控制表的方法來實現(xiàn)模糊控制,快速調(diào)整激勵頻率.模糊控制是一種模擬人思維的智能控制方法,易于處理復(fù)雜的非線性系統(tǒng),但存在固有的穩(wěn)態(tài)誤差[7-9];當|e|≤ξ時,通過增量式PI控制調(diào)整激勵頻率,由于引入了積分環(huán)節(jié),能有效消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差[10].其中,閾值的選取是關(guān)鍵,該值選取過大,不能充分發(fā)揮模糊控制快速性的優(yōu)勢,而選取過小,容易造成超調(diào),ξ值應(yīng)至少大于模糊控制固有的穩(wěn)態(tài)誤差,并結(jié)合實際情況來選取.

為了對系統(tǒng)的大范圍頻率跟蹤能力進行仿真分析,簡化分析條件,忽略實際工作中相位檢測延時等影響,僅先對復(fù)合頻率跟蹤控制本身的優(yōu)越性進行分析.將負載電阻、負載電容視為不變量,通過MATLAB編程對負載電感發(fā)生突變情況時的頻率跟蹤過程進行仿真分析,該仿真過程同樣也可以說明在電源啟動時激勵頻率與諧振頻率偏差較大時電源的頻率跟蹤效果,并引入了模糊控制以及PI控制進行對比.

仿真的參數(shù)設(shè)置如下:C=0.002 μF,R=10 Ω,采樣周期為1 ms,初始激勵頻率設(shè)為300 kHz,即諧振頻率L的初始值為140.72 μF,在5 ms時刻,突變?yōu)?20 μF,且規(guī)定負載電壓相位超前負載電流相位時相位差為正,得到三種控制方式在各自控制參數(shù)下的負載電壓、電流相位差隨時間變化曲線如圖9.圖中kp、ki為PI控制中的比例系數(shù)與積分系數(shù),ku為模糊控制中的比例系數(shù).

圖9 負載電壓與電流相位差變化曲線Figure 9 Phase difference change curve of the load voltage and current

從圖9可以看出,采用模糊控制時頻率跟蹤速度快,但存在7°左右的穩(wěn)態(tài)誤差;采用PI控制時,可以具有較高的控制精度,但難以兼顧快速性與超調(diào)量;采用Fuzzy-PI復(fù)合控制時,綜合了二者的優(yōu)勢,頻率跟蹤速度快、精度高、超調(diào)量小,在較短的時間內(nèi)便能跟蹤上負載諧振頻率.

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 電源頻率跟蹤效果測試實驗

在上述研究基礎(chǔ)上,研制出了一套全橋逆變結(jié)構(gòu)的串聯(lián)諧振式數(shù)字感應(yīng)加熱電源,電源系統(tǒng)樣機如圖10.

圖10 感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)樣機Figure 10 Prototype of induction heating power supply system

選取錳鋅鐵氧體材料為測試對象,設(shè)定電源的輸出電壓為40 V,采用固定頻率激勵與復(fù)合頻率跟蹤技術(shù)兩種頻率控制方式進行對比實驗,通過示波器實時采樣變壓器副邊的負載電壓u、負載電流i的波形.根據(jù)模糊控制穩(wěn)態(tài)誤差的計算公式[11],本系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差大約為7.5°,為了避免系統(tǒng)超調(diào),留取了一定余量,將ξ設(shè)定為了15°.另外,在檢測到相位角為3°～6°時,不調(diào)整激勵頻率,使負載處于安全的弱感性狀態(tài).圖11示出采用諧振頻率作為固定頻率激勵時的實驗波形,圖12示出采用復(fù)合頻率跟蹤技術(shù)控制時的實驗波形.

圖11 諧振頻率激勵時實驗波形Figure 11 Experiment waveforms of exciting under resonant frequency

圖12 復(fù)合頻率跟蹤技術(shù)控制時實驗波形Figure 12 Experiment waveforms of composite frequency tracking control technology

由圖11、圖12可見:在加熱過程中,如不進行頻率跟蹤,負載的工作狀態(tài)會由初始的諧振狀態(tài)向危險的容性狀態(tài)偏移,負載電流波形開始慢慢失真;采用復(fù)合頻率跟蹤技術(shù)控制后,可以快速搜索到負載的諧振頻率,加熱過程中的頻率跟蹤效果良好,使電源始終處于安全的弱感性狀態(tài).

3.2 鐵氧體裂紋檢測實驗

選取了一塊帶有天然裂紋的鐵氧體試樣進行檢測實驗,鐵氧體實物如圖13(a).激勵功率為150 W,激勵頻率為150 kHz,激勵時間為5 s,實驗中所用熱像儀為美國FLIR A35型,像素分辨率320×256,幀頻60 Hz,選取最高溫幀時的熱圖像進行拉普拉斯算子處理,對溫度的特征信息進行提取,得到的檢測效果圖如圖13(b).

圖13 鐵氧體實物與裂紋檢測效果圖Figure 13 Picture of ferrite and crack detection effect

從實驗結(jié)果可以看出,鐵氧體試樣受磁滯損耗等因素的影響,溫度升高,而試樣上存在的裂紋阻礙了其熱傳遞,在裂紋處表現(xiàn)出溫度異常,通過對最高溫幀的熱圖像進行相關(guān)處理,能清晰判別出存在的裂紋,研制的感應(yīng)加熱電源能很好地滿足鐵氧體裂紋檢測的應(yīng)用需求.

4 結(jié) 語

本文提出一種全橋逆變結(jié)構(gòu)的串聯(lián)諧振式數(shù)字感應(yīng)加熱電源,對負載串聯(lián)諧振回路的阻性、感性和容性三種換流狀態(tài)，原邊補償和副邊補償?shù)膬深愗撦d匹配變壓器以及Fuzzy-PI頻率跟蹤技術(shù)進行了分析與優(yōu)化,并將優(yōu)化結(jié)果應(yīng)用于研制的感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)中.實驗結(jié)果表明:在對鐵氧體加熱過程中電源系統(tǒng)始終穩(wěn)定工作于弱感性狀態(tài),紅外熱像儀觀察到鐵氧體裂紋尖端的溫度異?，F(xiàn)象,從而實現(xiàn)對鐵氧體裂紋的無損檢測.

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Development of an induction heating power supply for detecting ferrite surface cracks

HE Xin, TANG Bo, WANG Xiaona, YE Shuliang
(Institute of Industry and Trade Measurement Technique, College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

Aiming at the problems of the non-uniform heating distribution and the resonanted frequency drifting of load in ferrite heating using the conventional induction heating power, a series resonant digital induction heating power with a full bridge inverter structure was proposed. Based on the characteristics of phase difference between voltage and current during the commutation of series resonant circuits, the resistive, inductive and capacitive states were simulated with PSPICE. The result show that the circuit operated reliably when the series resonant circuit ran in the weakly inductive state. Based on the principle of electromagnetic coupling, primary compensation and secondary compensation load matching transformers were analyzed; and the latter was applied to the power supply by matching the load equivalent resistance to realize maximized energy efficiency output. The Fuzzy-PI frequency tracking technology was applied to the power supply to realize real-time frequency tracking. Finally, the digital induction heating power was successfully used for the ferrite crack detection experiment.

ferrite; crack detection; series resonance; induction heating power supply; thermal imaging

2096-2835(2017)01-0051-06

10.3969/j.issn.2096-2835.2017.01.009

2016-12-09 《中國計量大學(xué)學(xué)報》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(No.2013YQ470767).

何 昕(1991- )，男，浙江省杭州人，碩士研究生，主要研究方向為無損檢測技術(shù)與設(shè)備.E-mail:18767159668@163.com. 通信聯(lián)系人：葉樹亮，男，教授.E-mail:itmt_paper@126.com.

TN86;TG115.28

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