基于APFC的超聲發(fā)生器功率調(diào)節(jié)數(shù)字控制策略

引言

　　由于各種原因的影響，電網(wǎng)中存在著電流諧波，由于電網(wǎng)阻抗的存在，諧波電流流過(guò)電網(wǎng)阻抗，會(huì)使負(fù)載端電壓波形也出現(xiàn)畸變。此時(shí)系統(tǒng)的功率因數(shù)小于1，這樣會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)“污染”，同時(shí)也會(huì)影響超聲發(fā)生器的輸出電壓和系統(tǒng)的正常工作。因此需要設(shè)計(jì)特殊電路來(lái)對(duì)諧波進(jìn)行抑制，PFC電路就是其中之一。PFC輸出的電壓一般是恒定的，但是在有些場(chǎng)合些要對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，；利用調(diào)節(jié)輸出電壓來(lái)控制輸出功率等等。因此對(duì)PFC輸出電壓的控制策略的研究具有一定的實(shí)際意義。

　　單相PFC技術(shù)

　　PFC（Power Factor Correction）就是對(duì)電流脈沖的高度進(jìn)行抑制，使電流波形盡量接近正弦波。單相PFC根據(jù)采用的具體方法不同可以分為無(wú)源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正兩種。

　　
圖1單相無(wú)源功率因數(shù)校正電路

　　
圖2單相APFC電路及主要波形

　　APFC電路電壓控制方案

　　APFC電路利用電阻分壓組成的恒定電壓反饋網(wǎng)絡(luò)可以控制輸出恒定的電壓。根據(jù)這一原理，本文巧妙地利用APFC電壓反饋網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行電壓控制，即通過(guò)改變電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的電阻R2來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。R2發(fā)生變化使得

電壓反饋信號(hào)隨之變化，電壓比較器與電壓給定進(jìn)行比較，比較輸出的誤差控制PWM發(fā)生裝置，從而調(diào)解驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈寬，使得輸出電壓在一定范圍內(nèi)進(jìn)行線形的調(diào)節(jié)。通過(guò)這種方式就可以根據(jù)實(shí)際要求調(diào)節(jié)逆變器的輸入電壓。應(yīng)用在功率控制的場(chǎng)合時(shí)，當(dāng)負(fù)載增大的時(shí)候，輸出電流瞬時(shí)減小，功率隨之減小，此時(shí)調(diào)節(jié)R2使電壓上升，那么輸出電流也隨之上升，直至電壓與電流乘積（即輸出功率）與給定的參考一致，從而實(shí)現(xiàn)了輸出功率的調(diào)節(jié)。

　　但是如果單一的調(diào)節(jié)R2會(huì)造成危險(xiǎn)隱患，例如若R2短路，R1就直接接地，輸出電壓會(huì)一直上升；若R2斷路，電壓反饋被拉高到母線電壓，可能會(huì)造成無(wú)輸出。因此要設(shè)計(jì)的電壓反饋網(wǎng)絡(luò)必須防止出現(xiàn)上訴狀況，本文設(shè)計(jì)的電壓反饋網(wǎng)絡(luò)中，R3與R2串聯(lián)防止R2短路，R4與R2、R3并聯(lián)防止短路狀態(tài)的發(fā)生。圖3為初步設(shè)計(jì)的電壓調(diào)節(jié)反饋網(wǎng)絡(luò)。

　　
圖3 電壓反饋網(wǎng)絡(luò)

　　在初步設(shè)計(jì)中R2是一個(gè)可調(diào)節(jié)的電位器，是需要人工手動(dòng)調(diào)節(jié)，但是這種方法不僅精確度不夠，而且操作麻煩，自動(dòng)化程度低。因此本文在設(shè)計(jì)中采用單片機(jī)控制數(shù)字電位器代替的機(jī)械式電位器R2的策略來(lái)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

　　本文采用的是非易失性數(shù)字電位器，它是一種可在計(jì)算機(jī)控制下，通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作的智能化器件。它不像機(jī)械或模擬電位器那樣可以連續(xù)調(diào)節(jié)，但階梯式的阻值變化卻具有調(diào)節(jié)精度高和阻值穩(wěn)定的特點(diǎn)。其阻值分辨的臺(tái)階越多，阻值變化越精細(xì)，調(diào)整的靈敏度越高[2][3]。本文采用的數(shù)字電位器是Xicor公司生產(chǎn)的100節(jié)非易失性數(shù)字電位器X9312。X9312的原理圖如圖4所示[3]。

　　
圖4 X9312原理圖

　　APFC自動(dòng)調(diào)壓電路理論設(shè)計(jì)

　　圖5是本文設(shè)計(jì)的利用數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)電壓自適應(yīng)控制的原理圖。圖中檢測(cè)信號(hào)就是電壓反饋信號(hào)，其輸出經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后作為控制信號(hào)，并由單片機(jī)根據(jù)控制關(guān)系和特性給出調(diào)整信號(hào)和計(jì)數(shù)脈沖，使數(shù)字電位器改變阻值而作用于電平控制電路（即APFC電路），以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的要求。

　　
圖5電壓控制原理圖

　　采用單片機(jī)控制的軟件流程如圖6所示。圖中A1為 ，A2為 ，A3為 ，A4為封鎖信號(hào)。A1、A2、A3控制數(shù)字電位器X9312，A4是防止輸出過(guò)大控制失效的封鎖信號(hào)。由A4控制輸入的保護(hù)電路，在輸出失控時(shí)，封鎖輸入，保護(hù)整個(gè)電路的安全。

　　
圖6 單片機(jī)軟件控制流程圖

　　根據(jù)上訴的電壓調(diào)節(jié)原理，最終確定實(shí)際應(yīng)用單片機(jī)控制數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)APFC輸出電壓自適應(yīng)控制的電路如圖7所示。

　　
圖7電壓控制電路

　　結(jié)論

　　利用APFC電路實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)，既提高了整個(gè)電路的功率因數(shù)，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用單片機(jī)控制數(shù)字電位器來(lái)調(diào)節(jié)電壓，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制，精度高、安全性好、自適應(yīng)效果良好。這種控制策略可以應(yīng)用在對(duì)逆變電路母線電壓控制以及對(duì)輸出功率控制系統(tǒng)中。