发表于：2013/9/12 9:27:45
#0楼
第一章 概述
可控硅中频电源装置简称可控硅中频装置,是利用可控硅的开关特性把50Hz的工频电流变换成中频电流的一种电源装置,主要是在感应熔炼,感应加热,感应淬火等领域中广泛应用。它的优点是:
1效率高
可控硅电源装置具有相当高的变换效率(90-95%),输出功率低时,电源转换效率并不降低,特别是在热处理行业中,有些被加热工件需要分段加热,频繁开机和停机,在停机状态下无损耗。因此,在感应加热行业中采用可控硅中频装置可节约能源。
2体积小重量轻
可控硅变频装置由半导体元件组成,没有复杂的机械旋转部分无震动,噪音小,安装时对地面基础无特殊要求。
3操作方便
可控硅装置的功率调节范围大。频率可随负载参数改变而自动变化(既所谓频率跟踪)。负载回路保持在近乎谐振状态,既在最佳状态下工作。再加上它有一系列的自动保护装置,使它的工作稳定可靠。
4启动灵活
可控硅变频装置一般采用零压软启动,启动成功率高无冲击,快而平稳。
基于以上几个方面,并伴随着新的专有集成电路的开发成功,其高度的稳定性及结构紧凑性,深受广大用户的欢迎。因此;洛阳市大好机电公司为了满足用户需要。研制开发了SCR系列宽频带中频电源控制板。1)均采用了先进的大规摸芯片,元件少工作可靠2)先进的控制电路设计,性能稳定故障率低。3)频率适应范围宽,在50Hz—10000Hz范围内不必调整可直接使用。4)采用零压软启动,启动成功率高无冲击。完全能够满足广大热加工行业用户的需求。
第二章 感应加热的作用原理
中频无铁芯感应电炉的结构(见图1)主要有三部分组成1感应圈(由水冷却的铜管绕制的)2坩埚(通常用耐火材料捣制而成) 3炉料（可为各种金属材料的碎块）
中频无铁芯感应电炉的基本原理是属于空气芯变压器的一种类型,感应圈相当于变压器的初级绕组,而坩埚内部的金属炉料则相当于变压器的次级绕组(既负载)当在初级绕组中通过中频电流(200Hz —8000Hz或更高时)就在电磁场的作用和应响下,产生磁力线切割次级绕组,致使炉料产生感应电势,并在垂直于感应圈轴线的表面内引起感应电流(称涡流),从而使炉料本身发热将金属熔化。
下面我们简单的分析一下感应电炉的工作情况;
根据变压器互感应的理论,在次级
绕组(既炉料)内的感应电势的有效值(用E2表示)与频率及交变磁通的最大值两个参数有关,在这个感应电势E2的作用下,炉料所形成的闭和回路中,便有涡流通过,涡流的数值大小,与感应电势E2成正比,与炉料回路的阻抗成反比,当炉料的阻抗已确定的情况下,则发热与感应电势成比例。无铁心感应电炉由于没有导磁的物体存在,所以磁力线必须经过空气而闭合,但是空气的磁阻很大,会减少有效的磁通量,为了要获得所必须的感应电势,就要求增加磁力线的切割速度,这就要求增加通过感应线圈电流的频率,来达到发热效果显著的目的。但在实际情况下炉料中感应电流的流动,也会形成磁场,但其方向是与感应器的磁场相反,二个磁场迭加一起的结果将削弱整个的作用。随着不断被削弱的磁场继续向炉料内部深入分布并不断产生电流,而电流的去磁作用又促使炉料中感应的电场强度和电流密度自表面向中心剧烈的减小,电流的频率愈高,这种现象也愈显著,这也就是所谓集肤效应作用的结果。
为了提高炉料的发热量,如果无限制的增高频率,一则受到电源装置复杂性的限制,更重要的是由于上述集肤效应的原因,涡流发热随着电流频率的升高,只局现在炉料周围的表面层,而炉料中心的热量是由表面传导进来的,所以加热时间将拉长了,电效率不再上升。电源的频率与电效率之间的关系可以这样来描述,在感应电炉炉料直径固定,炉料的物理性能不变的情况下,电效率将随着电流频率的增加而显著上升,但当频率继续增加时,电效率将不再随频率变化而近于饱和阶段。因此,我们可以作一断言,对于一定尺寸的感应炉,并在炉料和感应器材料的物理性质为同一条件下,则必定有一临界频率的存在。正是以上原因的存在,电炉生产厂家将根据炉子的大小来选定频率的高低。考虑到炉子的电效率和热效率,选定合适的频率。炉子容量较小时频率选高些,容量较大时选低些,一般在200Hz--8000Hz范围内。
第三章 无铁芯感应炉对可控硅中频电源的要求
感应炉对可控硅中频电源提出了下述一些要求；
1 感应炉对可控硅中频电源的输出功率要求。
可控硅中频电源的输出功率必须满足感应炉的最大功率,还要考虑到输出功率能很方便的调节,这是因为通常感应炉的坩埚的寿命约熔炼数十炉后就损坏了,必须重新修筑坩埚炉衬,而新的坩埚炉衬筑好后必须对其进行低功率烘炉,通常烘炉是从10-20%的额定功率开始,然后每隔一定时间升高10%功率,直至额定功率。再则,熔炉过程中,当炉料熔化后,必须对炉料的成分进行化验,而化验期间为不使炉料熔化后沸腾剧烈,这时中频电源必须减小输出功率,使炉料保温。鉴于以上情况,所以要求可控硅中频电源能从10%-100%额定输出功率的范围内方便的调节。
2 感应炉对可控硅中频电源的输出频率要求。
感应炉的电效率与频率之间的关系是相关连的。从电效率出发可以决定可控硅中频电源的输出频率。例如我们称这一频率为fo 。感应器实际上是一个电感线圈，而为要补偿线圈的无功功率,在线圈的两端并联电容,这就组成了LC 震荡回路。当可控硅逆变器的输出频率f等于感应炉回路的固有震荡频率fo时,则此时回路的功率因数等于1 。感应炉内将得到最大的功率。从以上可以看出,回路的固有震荡频率与L和C的数值有关,一般补偿电容C的值是固定不变的,而电感L则因炉料的导磁系数变化而变化,例如炼刚时,冷炉钢的导磁系数μ很大,所以电感L较大,而当钢水温度高到过居里点时钢的导磁系数 μ=1,所以电感L 减小,因而感应炉回路的固有震荡频率 fo 将有低变高。为了使感应炉在熔炼过程中始终都能得到最大的功率,这就要求可控硅中频电源的输出频率f能随着 fo 的变化而变化，始终保持频率自动跟踪。
3 对可控硅中频电源的其他要求。
这是因为当炉料在熔炼过程中,一旦中频电源发生故障,严重时会损坏坩埚所以要求可控硅中频电源工作要可靠,还须具备必要的限压限流保护,过压过流保护,断水保护,等其它自动保护装置。此外,要求可控硅中频电源启动成功率要高,启动停止操作要方便。
第四章 可控硅中频电源的工作原理
可控硅中频电源的基本工作原理,就是通过一个三相桥式整流电路,把50 Hz的工频交流电流整流成直流,再经过一个滤波器(直流电抗器)进行滤波,最后经逆变器将直流变为单相中频交流以供给负载,所以这种逆变器实际上是一只交流—直流—交流变换器,其基本线路如图2 。
下面分整流电路,逆变电路及保护回路分别进行一些介绍。
一 三相桥式全控整流电路的工作原理
1 三相桥式全控整流电路的工作过程。
三相桥式全控整流电路共有六个桥臂,在每一个时刻必须2个桥臂同时工作,才能够成通路,六个桥臂的工作顺序如图3 。现假定在时刻t1-t2(t1-t2的时间间隔为60o电角度，既相当于一个周波的1/6)此时SCR1和SCR6同时工作(图3(a)中涂黑的SCR),输出电压即为VAB。到时刻t2-t3可控硅SCR2因受脉冲触发而导通,而SCR6则受BC反电压而关闭,将电流换给了SCR2,这时SCR1和SCR2同时工作,输出电压即为VAC,到时刻t3-t4,SCR3因受脉冲触发而导通，SCR1受到VAB的反电压而关闭,将电流换给了SCR3,SCR2和SCR3同时工作,输出电压为VBC,据此到时刻t4-t5, t5-t6, t6-t1分别为 SCR3和SCR4, SCR4和SCR5, SCR5和SCR6 同时工作,加到负载上的输出电压分别为 VBA,VCA,VCB,这样既把一个三相交流进行了全波整流,从上述分析可以看出,在一个周期中,输出电压有六次脉冲。这种整流电路由于在每一瞬间都有两个桥臂同时导通,而且每个桥臂导通时间间隔为60o,故对触发脉冲有一定要求,即脉冲的时间间隔必须为60o,而且如果采用单脉冲方式,脉冲宽度必须大于60o,如果采用窄脉冲,则必须采用双脉冲的方法,既在主脉冲的后面60o的地方再出现一次脉冲。
2 三相同步及触发线路
1)三相同步的选取及整形
根据三相桥式全控整流过程的有关要求,首先要保证触发电路与三相电源严格同步。既有A相产生的触发脉冲必须接于整流电路1号,4号可控硅(称为正A负A ),B相产生的触发脉冲接于3号,6号可控硅(称为正B负B),C相产生的触发脉冲接于5号,2号可控硅(称为正C负C)。本系统(如图4整流触发线路 )整流触发线路里,三相同步信号直接取之380V电压,接入主控板的同步输入端,X10(A),X20(B),X30(C)。通过降压电阻降压,进入由W7,W8,W9,C1,C2,C3组成的三相同步滤波,整形,平衡电路。它的特点是由W7,C1(单相说明)组成积分电路。电容量一定,改变阻值大小就可改变时间常数。其作用有:(1)滤除网电杂乱尖峰波干扰,使同步信号纯正,定位准确,避免整流可控硅误动作。(2) 调整三相不平衡度,调节移相范围可达12o使整流桥输出平衡。
2)整流触发的形成
通过以上整形后的三相同步信号,由C4.C5.C6.分别送入大规模集成块TCA787C的同步输入端1.2.18角。按三相全控整流桥触发电路的要求由7.8.9.10.11.12角分别输出 6 路调制后的双窄脉冲,经电容C7.C8.C9.C10.C11.C12耦合给6路大功率MOS管进行脉冲功率放大。再由6只脉冲变压器输出,经整形后接于整流桥的6只可控硅的控制极和阴极,达到三相全控整流桥正常工作的触发目的。
3 整流可控硅的选取。
1)由于三相全控整流桥工作在较低的频率范围,所以普遍选用普通整流可控硅,即KP系列可控硅。
2)跟据三相全控整流电路的理论计算,流过每一个可控硅的电流是整流输出总电流的0.334倍。所以在使用中为了留有足够的富裕量,一般选用与电源的额定电流值相同大小的可控硅。
3)进相电源电压为三相380V的机型中,选定耐压值为1200V—1400V的KP硅。进相电压为三相660V的机型中,选定耐压值为2000V—2500V的KP硅。
二 可控硅中频电源装置的逆变电路
1两种逆变器电路
无论是感应加热或是感应熔炼,负载的功率因数都是很低的,也就是感应的Q值很高,在感应熔炼炉来说Q值一般在10-14之间,对感应加热来说,则根椐偶合程度Q值为5-9之间。
什么是Q值,Q值是指线圈的感抗和线圈的电阻之比。也就是炉子的无功功率和有功功率之比。举例来说,250Kg的感应熔炼炉,其需要的有功功率为160kw.假定Q值为10,则其无功功率为1600 kfar,这样大的无功功率,很显然不能有电网供给,那样电网的容量将非常庞大而不经济,因此,必须用能提供无功功率的电容器进行补偿,这个原理就象一般工厂里补偿功率因数一样。
无功功率的补偿方法有二种,一种是补偿电容器和炉子串联,叫作串联补偿,补偿电容器和炉子并联的叫做并联补偿。针对二种不同的补偿方法,可以有两中不同的逆变线路,一种叫作串联逆变器,一种叫作并联逆变器,如图 5
两种逆变器的比较如下；
2 单相桥式并联逆变器的工作原理
1)并联逆变器的基本线路如图6。
图中可控硅SCR1-SCR4组成了一个桥式线路,Ld为直流电抗器,L为感应炉,C为补偿电容, LC组成一个并联谐振线路。这个线路是如何工作,又是怎样把直流变为中频电流呢;我们首先来研究分析一下线路正常情况下是如何工作的。图7表示一个工作循环的情况。假设在图7(a)中,先是(1) (2)导通(3)(4)截止,则直流电流Id经电抗器Ld,可控硅(1)(2)流向LC谐振回,由于Ld的电感值比较大,Id受Ld的限止基本上不变化而保持恒定,LC谐振回路受到一个恒定电流的激励,而产生谐振,震荡电压为正弦波,也就是说电容器两端的电压为正弦波,(这相当于图7(a)及图8中时刻t1前的电流电压波形)假定在这一时刻电容器两端的电压极性左端为正,右端为负。电容器两端电压将按正弦波规律变化,如果我们在电容器两端电压尚未过零之前的某一时刻(图8中的时刻t1)触通可控硅(3)与(4),此时可形成可控硅(1)(2)(3)(4)同时导通的状态,(如图7(b)),由于可控硅(3)(4)的导通,电容器两端的电压通过可控硅(3)(4)加在可控硅(1)(2)上,阳极电压为负,阴极电压为正,可控硅(1)(2)两端由于承受一个反向电压而迅速关断,也就是说可控硅(1)(2)将电流换给可控硅(3)(4).换流以后,直流电流经电抗器Ld,可控硅(3)(4),从相反方向激励了谐振回路。电容器两端电压继续按正弦规律变化,而电容器两端电压的极性变成左端为负,右端为正,(如图7(c)),对应的波形图位图8中的t2—t3时刻。在负载回路中的电流也改变了方向。当电容器右端的正电压再要过零之前的某一时刻(这相当于图8中的t3时刻),再将可控硅(1)(2)触通则再次形成4个桥臂可控硅(1)(2)(3)(4)同时导通状态,但在此时使可控硅(3)(4)承受一个反向电压,而将电流换给了可控硅(1)(2),这就完成了一个工作循环。从上述换流过程中我们可以看出,当可控硅(1)(2)导同时电流自一个方向流入负载,当可控硅(3)(4)导通时电流从相反方向流入负载,可控硅(1)(2)与(3)(4)相互轮流导通和关断,就把一个直流变成了交流,可控硅(1)(2)与(3)(4)交替工作的次数也就决定了输出交流电的频率。这种变频线路因其换流过程是受负荷控制的,所以不需要外加另外的强迫换流装置,这是它和其它变频线路的不同之点,由于不需外加换流装置,因之这种变频线路的效率较高。适合在大功率的感应熔炼及加热中应用,所以这种线路对负载的依赖性也是较大的。
3)什么是可控硅的关断时间,可控硅在导通状态下,它的三个结上积蓄有载流子,可控硅在关断时,需要一定的时间,使这些残留载流子,作为反向电流释放出来,才能使可控硅承受正向电压。(这种残留载流子的消失时间与可控硅的构造,结温,及关断前流过可控硅的电流等有关)如果残留载流子尚未完全消失,既加上正向电压,可控硅将重新再度导通。因此,引前触发时间tf必须大于换流时间tr与关断时间toff之和,既tf>tr+toff,不然的话,则可控硅尚未完全关断又将承受正向电压而再度导通,这就会造成非常危险的直通短路。但是，安全换流时间tr所对应的超前角α也不能太大,主要是考虑下面两个原因；(1)α角度增大,电容器两端电压Uc就要增高,这将受到电容器和可控硅所能承受电压的限制,在单相桥式逆变线路中,当直流输入电压为Ud,中频输出电压为Uc,则在Ud和Uc的有效值之间存在下述关系；Uc=1.1Ud/cosα。从式中可以看出,在输入直流电压Ud相同的条件下,当α角度增大,则cosα值减小,Uc将增大,也既加于电容器和可控硅两端的电压将增高。这一点受到所选用的电容器即可控硅的耐压限制。(2)中频输入的有功功率与α的关系：中频输出的有功功率P=Uc.ILcosα。式中可以看出在相同的中频电压电流条件下ɑ角愈大,有功功率输出愈小,如果要保持一定的输出功率，则ɑ角度愈大,则必须使输出中频电压,电流愈大,这样恶化了可控硅的工作条件。
4)综上所述,在目前考虑到可控硅的关断时间及所选用的可控硅元件,电容器的耐压水平,在输出中频频率1000Hz的情况下引前触发时间tf取100 µs左右,对应的角度ɑ大约是在30o-45o范围内。这一超前的无功功率仍是由电容器来补偿的,前面在介绍谐振回路时曾讲到应补偿到谐振状态,实际上补偿到谐振状态还不行,为了要保证我们这一线路能正常工作,必须要过补偿,即补偿到电流超前电压一个ɑ角的程度。在前面的分析当中,假定换流是瞬时完成的,就是说关闭的可控硅的电流是瞬时转换给导通的可控硅的,但是这样是不允许的,受到可控硅允许的电流上升率di/dt的限制,如果转换太快,可控硅将烧毁。这是因为,当可控硅触发以后,电流首先在控制极附近流通,然后才以每微秒大约0.1mm的速度从控制极中心向外扩展,最后电流扩展到整个硅片,这样将使硅片的某些区域发生过热而烧坏,可控硅允许的电流上升率di/dt数值,随频率,换流时阳极电压,电流峰值及结温的增高而下降。为了限制换流过程中的电流上升率di/dt必须在每个桥臂中串接一定数量的电感,但是这个换流电感值也不能太大,因为换流的重叠时间tr直接有这个换流电感决定,如果这个电感数值太大,则换流时间将拖长,当电流增大时,时间会更长,以致是总的时间大于安全换流时间tf,而是换流无法完成造成逆变失败。一般考虑tr=Id/di/dt,式中；I为流过可控硅的电流,di/dt为可控硅元件允许的电流上升率。因此；在中频频率1000Hz的电源装置中,电流超前电压ɑ角度一般设定在30o-45o之间。(这一点在所介绍的线路中非常重要,不满足这一点,这种逆变线路是不能工作的)
5)在具体的线路中,为了实现以上触发提前的要求,采用的是谐振回路的电压Uc和流过电容器的电流Ic的合成信号,因为两个信号的交差点位置刚好在tf所要求位置附近(如图9)。UC信号是从与电容器并联的中频电压互感器中取 出,Ic信号从补偿电容器的一组Cs串联的电流互感器中取出,tf/c是一个比例常数。系统中Uc,Ic分别用两个电位器来调整(见图10(a)Uc. Ic信号的合成。通常称作频率跟踪电路)。
3 .单相桥式逆变线路触发脉冲形成的过程
1)合成信号的限幅。(见图10b）自中频电压互感器及中频电流互感器取得的信号,经W31,D39,D40,D41,D42,W32合成后为一正弦波。通过 R31,R32降压限流后与D43,,D44组成双向限幅电路,把输入的正弦波信号变成双向梯形波,这一电路的作用除了形成梯形波以提高过零转换的准确度以外,还有限幅作用,因为在工作过程中输入合成信号变化较大,由于二极管的作用,使合成信号的电位始终被钳位在0.7v保证下一级安全工作。C43,C44是抗干扰电容，旁路干扰信号。
2)脉冲方波的形成（见图10b）所示。双比较器集成块LM393的两个比较器,共同组成双向比较器电路。（实际上也叫窗口式比较器）当合成信号正半周到来时,3角为高电位2角低电位,比较器1角输出一个方波信号。当合成信号负半周到来时5角为高电位, 6角低电位, 7角输出一个方波信号。此两路方波送入下一级进行双稳态触发及分频处理。
3）双稳态触发及分频的实现。(见图10c)在线路里由4与非门TC4011集成块来组成双稳态触发电路,其主要作用是分频和整形,目的是对双向比较器电路送来的方波脉冲作进一步整形,并把输入脉冲分成互差180o的两组前沿陡峭方波。使其相位更加准确,工作稳定可靠。
可控硅中频电源装置简称可控硅中频装置,是利用可控硅的开关特性把50Hz的工频电流变换成中频电流的一种电源装置,主要是在感应熔炼,感应加热,感应淬火等领域中广泛应用。它的优点是:
1效率高
可控硅电源装置具有相当高的变换效率(90-95%),输出功率低时,电源转换效率并不降低,特别是在热处理行业中,有些被加热工件需要分段加热,频繁开机和停机,在停机状态下无损耗。因此,在感应加热行业中采用可控硅中频装置可节约能源。
2体积小重量轻
可控硅变频装置由半导体元件组成,没有复杂的机械旋转部分无震动,噪音小,安装时对地面基础无特殊要求。
3操作方便
可控硅装置的功率调节范围大。频率可随负载参数改变而自动变化(既所谓频率跟踪)。负载回路保持在近乎谐振状态,既在最佳状态下工作。再加上它有一系列的自动保护装置,使它的工作稳定可靠。
4启动灵活
可控硅变频装置一般采用零压软启动,启动成功率高无冲击,快而平稳。
基于以上几个方面,并伴随着新的专有集成电路的开发成功,其高度的稳定性及结构紧凑性,深受广大用户的欢迎。因此;洛阳市大好机电公司为了满足用户需要。研制开发了SCR系列宽频带中频电源控制板。1)均采用了先进的大规摸芯片,元件少工作可靠2)先进的控制电路设计,性能稳定故障率低。3)频率适应范围宽,在50Hz—10000Hz范围内不必调整可直接使用。4)采用零压软启动,启动成功率高无冲击。完全能够满足广大热加工行业用户的需求。
第二章 感应加热的作用原理
中频无铁芯感应电炉的结构(见图1)主要有三部分组成1感应圈(由水冷却的铜管绕制的)2坩埚(通常用耐火材料捣制而成) 3炉料（可为各种金属材料的碎块）
中频无铁芯感应电炉的基本原理是属于空气芯变压器的一种类型,感应圈相当于变压器的初级绕组,而坩埚内部的金属炉料则相当于变压器的次级绕组(既负载)当在初级绕组中通过中频电流(200Hz —8000Hz或更高时)就在电磁场的作用和应响下,产生磁力线切割次级绕组,致使炉料产生感应电势,并在垂直于感应圈轴线的表面内引起感应电流(称涡流),从而使炉料本身发热将金属熔化。
下面我们简单的分析一下感应电炉的工作情况;
根据变压器互感应的理论,在次级
绕组(既炉料)内的感应电势的有效值(用E2表示)与频率及交变磁通的最大值两个参数有关,在这个感应电势E2的作用下,炉料所形成的闭和回路中,便有涡流通过,涡流的数值大小,与感应电势E2成正比,与炉料回路的阻抗成反比,当炉料的阻抗已确定的情况下,则发热与感应电势成比例。无铁心感应电炉由于没有导磁的物体存在,所以磁力线必须经过空气而闭合,但是空气的磁阻很大,会减少有效的磁通量,为了要获得所必须的感应电势,就要求增加磁力线的切割速度,这就要求增加通过感应线圈电流的频率,来达到发热效果显著的目的。但在实际情况下炉料中感应电流的流动,也会形成磁场,但其方向是与感应器的磁场相反,二个磁场迭加一起的结果将削弱整个的作用。随着不断被削弱的磁场继续向炉料内部深入分布并不断产生电流,而电流的去磁作用又促使炉料中感应的电场强度和电流密度自表面向中心剧烈的减小,电流的频率愈高,这种现象也愈显著,这也就是所谓集肤效应作用的结果。
为了提高炉料的发热量,如果无限制的增高频率,一则受到电源装置复杂性的限制,更重要的是由于上述集肤效应的原因,涡流发热随着电流频率的升高,只局现在炉料周围的表面层,而炉料中心的热量是由表面传导进来的,所以加热时间将拉长了,电效率不再上升。电源的频率与电效率之间的关系可以这样来描述,在感应电炉炉料直径固定,炉料的物理性能不变的情况下,电效率将随着电流频率的增加而显著上升,但当频率继续增加时,电效率将不再随频率变化而近于饱和阶段。因此,我们可以作一断言,对于一定尺寸的感应炉,并在炉料和感应器材料的物理性质为同一条件下,则必定有一临界频率的存在。正是以上原因的存在,电炉生产厂家将根据炉子的大小来选定频率的高低。考虑到炉子的电效率和热效率,选定合适的频率。炉子容量较小时频率选高些,容量较大时选低些,一般在200Hz--8000Hz范围内。
第三章 无铁芯感应炉对可控硅中频电源的要求
感应炉对可控硅中频电源提出了下述一些要求；
1 感应炉对可控硅中频电源的输出功率要求。
可控硅中频电源的输出功率必须满足感应炉的最大功率,还要考虑到输出功率能很方便的调节,这是因为通常感应炉的坩埚的寿命约熔炼数十炉后就损坏了,必须重新修筑坩埚炉衬,而新的坩埚炉衬筑好后必须对其进行低功率烘炉,通常烘炉是从10-20%的额定功率开始,然后每隔一定时间升高10%功率,直至额定功率。再则,熔炉过程中,当炉料熔化后,必须对炉料的成分进行化验,而化验期间为不使炉料熔化后沸腾剧烈,这时中频电源必须减小输出功率,使炉料保温。鉴于以上情况,所以要求可控硅中频电源能从10%-100%额定输出功率的范围内方便的调节。
2 感应炉对可控硅中频电源的输出频率要求。
感应炉的电效率与频率之间的关系是相关连的。从电效率出发可以决定可控硅中频电源的输出频率。例如我们称这一频率为fo 。感应器实际上是一个电感线圈，而为要补偿线圈的无功功率,在线圈的两端并联电容,这就组成了LC 震荡回路。当可控硅逆变器的输出频率f等于感应炉回路的固有震荡频率fo时,则此时回路的功率因数等于1 。感应炉内将得到最大的功率。从以上可以看出,回路的固有震荡频率与L和C的数值有关,一般补偿电容C的值是固定不变的,而电感L则因炉料的导磁系数变化而变化,例如炼刚时,冷炉钢的导磁系数μ很大,所以电感L较大,而当钢水温度高到过居里点时钢的导磁系数 μ=1,所以电感L 减小,因而感应炉回路的固有震荡频率 fo 将有低变高。为了使感应炉在熔炼过程中始终都能得到最大的功率,这就要求可控硅中频电源的输出频率f能随着 fo 的变化而变化，始终保持频率自动跟踪。
3 对可控硅中频电源的其他要求。
这是因为当炉料在熔炼过程中,一旦中频电源发生故障,严重时会损坏坩埚所以要求可控硅中频电源工作要可靠,还须具备必要的限压限流保护,过压过流保护,断水保护,等其它自动保护装置。此外,要求可控硅中频电源启动成功率要高,启动停止操作要方便。
第四章 可控硅中频电源的工作原理
可控硅中频电源的基本工作原理,就是通过一个三相桥式整流电路,把50 Hz的工频交流电流整流成直流,再经过一个滤波器(直流电抗器)进行滤波,最后经逆变器将直流变为单相中频交流以供给负载,所以这种逆变器实际上是一只交流—直流—交流变换器,其基本线路如图2 。
下面分整流电路,逆变电路及保护回路分别进行一些介绍。
一 三相桥式全控整流电路的工作原理
1 三相桥式全控整流电路的工作过程。
三相桥式全控整流电路共有六个桥臂,在每一个时刻必须2个桥臂同时工作,才能够成通路,六个桥臂的工作顺序如图3 。现假定在时刻t1-t2(t1-t2的时间间隔为60o电角度，既相当于一个周波的1/6)此时SCR1和SCR6同时工作(图3(a)中涂黑的SCR),输出电压即为VAB。到时刻t2-t3可控硅SCR2因受脉冲触发而导通,而SCR6则受BC反电压而关闭,将电流换给了SCR2,这时SCR1和SCR2同时工作,输出电压即为VAC,到时刻t3-t4,SCR3因受脉冲触发而导通，SCR1受到VAB的反电压而关闭,将电流换给了SCR3,SCR2和SCR3同时工作,输出电压为VBC,据此到时刻t4-t5, t5-t6, t6-t1分别为 SCR3和SCR4, SCR4和SCR5, SCR5和SCR6 同时工作,加到负载上的输出电压分别为 VBA,VCA,VCB,这样既把一个三相交流进行了全波整流,从上述分析可以看出,在一个周期中,输出电压有六次脉冲。这种整流电路由于在每一瞬间都有两个桥臂同时导通,而且每个桥臂导通时间间隔为60o,故对触发脉冲有一定要求,即脉冲的时间间隔必须为60o,而且如果采用单脉冲方式,脉冲宽度必须大于60o,如果采用窄脉冲,则必须采用双脉冲的方法,既在主脉冲的后面60o的地方再出现一次脉冲。
2 三相同步及触发线路
1)三相同步的选取及整形
根据三相桥式全控整流过程的有关要求,首先要保证触发电路与三相电源严格同步。既有A相产生的触发脉冲必须接于整流电路1号,4号可控硅(称为正A负A ),B相产生的触发脉冲接于3号,6号可控硅(称为正B负B),C相产生的触发脉冲接于5号,2号可控硅(称为正C负C)。本系统(如图4整流触发线路 )整流触发线路里,三相同步信号直接取之380V电压,接入主控板的同步输入端,X10(A),X20(B),X30(C)。通过降压电阻降压,进入由W7,W8,W9,C1,C2,C3组成的三相同步滤波,整形,平衡电路。它的特点是由W7,C1(单相说明)组成积分电路。电容量一定,改变阻值大小就可改变时间常数。其作用有:(1)滤除网电杂乱尖峰波干扰,使同步信号纯正,定位准确,避免整流可控硅误动作。(2) 调整三相不平衡度,调节移相范围可达12o使整流桥输出平衡。
2)整流触发的形成
通过以上整形后的三相同步信号,由C4.C5.C6.分别送入大规模集成块TCA787C的同步输入端1.2.18角。按三相全控整流桥触发电路的要求由7.8.9.10.11.12角分别输出 6 路调制后的双窄脉冲,经电容C7.C8.C9.C10.C11.C12耦合给6路大功率MOS管进行脉冲功率放大。再由6只脉冲变压器输出,经整形后接于整流桥的6只可控硅的控制极和阴极,达到三相全控整流桥正常工作的触发目的。
3 整流可控硅的选取。
1)由于三相全控整流桥工作在较低的频率范围,所以普遍选用普通整流可控硅,即KP系列可控硅。
2)跟据三相全控整流电路的理论计算,流过每一个可控硅的电流是整流输出总电流的0.334倍。所以在使用中为了留有足够的富裕量,一般选用与电源的额定电流值相同大小的可控硅。
3)进相电源电压为三相380V的机型中,选定耐压值为1200V—1400V的KP硅。进相电压为三相660V的机型中,选定耐压值为2000V—2500V的KP硅。
二 可控硅中频电源装置的逆变电路
1两种逆变器电路
无论是感应加热或是感应熔炼,负载的功率因数都是很低的,也就是感应的Q值很高,在感应熔炼炉来说Q值一般在10-14之间,对感应加热来说,则根椐偶合程度Q值为5-9之间。
什么是Q值,Q值是指线圈的感抗和线圈的电阻之比。也就是炉子的无功功率和有功功率之比。举例来说,250Kg的感应熔炼炉,其需要的有功功率为160kw.假定Q值为10,则其无功功率为1600 kfar,这样大的无功功率,很显然不能有电网供给,那样电网的容量将非常庞大而不经济,因此,必须用能提供无功功率的电容器进行补偿,这个原理就象一般工厂里补偿功率因数一样。
无功功率的补偿方法有二种,一种是补偿电容器和炉子串联,叫作串联补偿,补偿电容器和炉子并联的叫做并联补偿。针对二种不同的补偿方法,可以有两中不同的逆变线路,一种叫作串联逆变器,一种叫作并联逆变器,如图 5
两种逆变器的比较如下；
2 单相桥式并联逆变器的工作原理
1)并联逆变器的基本线路如图6。
图中可控硅SCR1-SCR4组成了一个桥式线路,Ld为直流电抗器,L为感应炉,C为补偿电容, LC组成一个并联谐振线路。这个线路是如何工作,又是怎样把直流变为中频电流呢;我们首先来研究分析一下线路正常情况下是如何工作的。图7表示一个工作循环的情况。假设在图7(a)中,先是(1) (2)导通(3)(4)截止,则直流电流Id经电抗器Ld,可控硅(1)(2)流向LC谐振回,由于Ld的电感值比较大,Id受Ld的限止基本上不变化而保持恒定,LC谐振回路受到一个恒定电流的激励,而产生谐振,震荡电压为正弦波,也就是说电容器两端的电压为正弦波,(这相当于图7(a)及图8中时刻t1前的电流电压波形)假定在这一时刻电容器两端的电压极性左端为正,右端为负。电容器两端电压将按正弦波规律变化,如果我们在电容器两端电压尚未过零之前的某一时刻(图8中的时刻t1)触通可控硅(3)与(4),此时可形成可控硅(1)(2)(3)(4)同时导通的状态,(如图7(b)),由于可控硅(3)(4)的导通,电容器两端的电压通过可控硅(3)(4)加在可控硅(1)(2)上,阳极电压为负,阴极电压为正,可控硅(1)(2)两端由于承受一个反向电压而迅速关断,也就是说可控硅(1)(2)将电流换给可控硅(3)(4).换流以后,直流电流经电抗器Ld,可控硅(3)(4),从相反方向激励了谐振回路。电容器两端电压继续按正弦规律变化,而电容器两端电压的极性变成左端为负,右端为正,(如图7(c)),对应的波形图位图8中的t2—t3时刻。在负载回路中的电流也改变了方向。当电容器右端的正电压再要过零之前的某一时刻(这相当于图8中的t3时刻),再将可控硅(1)(2)触通则再次形成4个桥臂可控硅(1)(2)(3)(4)同时导通状态,但在此时使可控硅(3)(4)承受一个反向电压,而将电流换给了可控硅(1)(2),这就完成了一个工作循环。从上述换流过程中我们可以看出,当可控硅(1)(2)导同时电流自一个方向流入负载,当可控硅(3)(4)导通时电流从相反方向流入负载,可控硅(1)(2)与(3)(4)相互轮流导通和关断,就把一个直流变成了交流,可控硅(1)(2)与(3)(4)交替工作的次数也就决定了输出交流电的频率。这种变频线路因其换流过程是受负荷控制的,所以不需要外加另外的强迫换流装置,这是它和其它变频线路的不同之点,由于不需外加换流装置,因之这种变频线路的效率较高。适合在大功率的感应熔炼及加热中应用,所以这种线路对负载的依赖性也是较大的。
3)什么是可控硅的关断时间,可控硅在导通状态下,它的三个结上积蓄有载流子,可控硅在关断时,需要一定的时间,使这些残留载流子,作为反向电流释放出来,才能使可控硅承受正向电压。(这种残留载流子的消失时间与可控硅的构造,结温,及关断前流过可控硅的电流等有关)如果残留载流子尚未完全消失,既加上正向电压,可控硅将重新再度导通。因此,引前触发时间tf必须大于换流时间tr与关断时间toff之和,既tf>tr+toff,不然的话,则可控硅尚未完全关断又将承受正向电压而再度导通,这就会造成非常危险的直通短路。但是，安全换流时间tr所对应的超前角α也不能太大,主要是考虑下面两个原因；(1)α角度增大,电容器两端电压Uc就要增高,这将受到电容器和可控硅所能承受电压的限制,在单相桥式逆变线路中,当直流输入电压为Ud,中频输出电压为Uc,则在Ud和Uc的有效值之间存在下述关系；Uc=1.1Ud/cosα。从式中可以看出,在输入直流电压Ud相同的条件下,当α角度增大,则cosα值减小,Uc将增大,也既加于电容器和可控硅两端的电压将增高。这一点受到所选用的电容器即可控硅的耐压限制。(2)中频输入的有功功率与α的关系：中频输出的有功功率P=Uc.ILcosα。式中可以看出在相同的中频电压电流条件下ɑ角愈大,有功功率输出愈小,如果要保持一定的输出功率，则ɑ角度愈大,则必须使输出中频电压,电流愈大,这样恶化了可控硅的工作条件。
4)综上所述,在目前考虑到可控硅的关断时间及所选用的可控硅元件,电容器的耐压水平,在输出中频频率1000Hz的情况下引前触发时间tf取100 µs左右,对应的角度ɑ大约是在30o-45o范围内。这一超前的无功功率仍是由电容器来补偿的,前面在介绍谐振回路时曾讲到应补偿到谐振状态,实际上补偿到谐振状态还不行,为了要保证我们这一线路能正常工作,必须要过补偿,即补偿到电流超前电压一个ɑ角的程度。在前面的分析当中,假定换流是瞬时完成的,就是说关闭的可控硅的电流是瞬时转换给导通的可控硅的,但是这样是不允许的,受到可控硅允许的电流上升率di/dt的限制,如果转换太快,可控硅将烧毁。这是因为,当可控硅触发以后,电流首先在控制极附近流通,然后才以每微秒大约0.1mm的速度从控制极中心向外扩展,最后电流扩展到整个硅片,这样将使硅片的某些区域发生过热而烧坏,可控硅允许的电流上升率di/dt数值,随频率,换流时阳极电压,电流峰值及结温的增高而下降。为了限制换流过程中的电流上升率di/dt必须在每个桥臂中串接一定数量的电感,但是这个换流电感值也不能太大,因为换流的重叠时间tr直接有这个换流电感决定,如果这个电感数值太大,则换流时间将拖长,当电流增大时,时间会更长,以致是总的时间大于安全换流时间tf,而是换流无法完成造成逆变失败。一般考虑tr=Id/di/dt,式中；I为流过可控硅的电流,di/dt为可控硅元件允许的电流上升率。因此；在中频频率1000Hz的电源装置中,电流超前电压ɑ角度一般设定在30o-45o之间。(这一点在所介绍的线路中非常重要,不满足这一点,这种逆变线路是不能工作的)
5)在具体的线路中,为了实现以上触发提前的要求,采用的是谐振回路的电压Uc和流过电容器的电流Ic的合成信号,因为两个信号的交差点位置刚好在tf所要求位置附近(如图9)。UC信号是从与电容器并联的中频电压互感器中取 出,Ic信号从补偿电容器的一组Cs串联的电流互感器中取出,tf/c是一个比例常数。系统中Uc,Ic分别用两个电位器来调整(见图10(a)Uc. Ic信号的合成。通常称作频率跟踪电路)。
3 .单相桥式逆变线路触发脉冲形成的过程
1)合成信号的限幅。(见图10b）自中频电压互感器及中频电流互感器取得的信号,经W31,D39,D40,D41,D42,W32合成后为一正弦波。通过 R31,R32降压限流后与D43,,D44组成双向限幅电路,把输入的正弦波信号变成双向梯形波,这一电路的作用除了形成梯形波以提高过零转换的准确度以外,还有限幅作用,因为在工作过程中输入合成信号变化较大,由于二极管的作用,使合成信号的电位始终被钳位在0.7v保证下一级安全工作。C43,C44是抗干扰电容，旁路干扰信号。
2)脉冲方波的形成（见图10b）所示。双比较器集成块LM393的两个比较器,共同组成双向比较器电路。（实际上也叫窗口式比较器）当合成信号正半周到来时,3角为高电位2角低电位,比较器1角输出一个方波信号。当合成信号负半周到来时5角为高电位, 6角低电位, 7角输出一个方波信号。此两路方波送入下一级进行双稳态触发及分频处理。
3）双稳态触发及分频的实现。(见图10c)在线路里由4与非门TC4011集成块来组成双稳态触发电路,其主要作用是分频和整形,目的是对双向比较器电路送来的方波脉冲作进一步整形,并把输入脉冲分成互差180o的两组前沿陡峭方波。使其相位更加准确,工作稳定可靠。