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基于晶閘管關(guān)斷時(shí)間控制的高效中頻電源
摘要：針對(duì)常規(guī)晶閘管并聯(lián)諧振中頻電源存在的在熔煉期內(nèi)輸出功率達(dá)不到額定功率的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種對(duì)DC/AC逆變器采用調(diào)節(jié)功率角φ的觸發(fā)控制電路，配合原有的AC/DC相控雙閉環(huán)控制電路，可以使中頻熔煉電源實(shí)現(xiàn)高效控制。關(guān)鍵詞：中頻電源；功率因數(shù)角φ調(diào)節(jié)；關(guān)斷時(shí)間控制
1 概述
常規(guī)中頻電源是由AC/DC可控整流器與單相DC/AC電流型并聯(lián)諧振逆變器組成的，它在感應(yīng)加熱熔煉過(guò)程中的正常工作如圖1所示，是以負(fù)載電路中的電流iH超前其電壓uH為前提條件的。逆變電路中晶閘管的超前觸發(fā)時(shí)間應(yīng)大于晶閘管關(guān)斷時(shí)間，即
t>（γ＋δ）/ω （1）
式中：γ為晶閘管換流重疊角；
δ為恢復(fù)角；
ω為中頻電源角頻率。
設(shè)β為超前觸發(fā)角，為保證安全換流，應(yīng)考慮安全裕量角θ，則
β=γ＋δ＋θ （2）
負(fù)載電流iH的基波超前其電壓uH的角度?稱(chēng)為負(fù)載超前功率因數(shù)角，從圖1（b）可見(jiàn)
φ=γ/2＋δ＋θ （3）
當(dāng)中頻電源用于熔煉金屬時(shí)，其被熔煉材料大多為鐵磁材料，負(fù)載電路的諧振角頻率ω隨爐溫升高而增大。從式（2）可知，這會(huì)導(dǎo)致超前觸發(fā)時(shí)間
t=β/ω=(γ＋δ＋θ)/ω
減少，也會(huì)使超前功率因數(shù)角φ變小，若換流重疊角γ及θ不變，這意味著晶閘管的關(guān)斷恢復(fù)角δ減小，因而有可能導(dǎo)致逆變失敗。可見(jiàn)，當(dāng)實(shí)際恢復(fù)關(guān)斷時(shí)間減小時(shí)，為確保電源的安全運(yùn)行，要及時(shí)調(diào)節(jié)觸發(fā)角β或超前功率因數(shù)角φ。
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2 中頻電源實(shí)現(xiàn)高效控制原理
中頻電源用于熔煉時(shí)，其理想運(yùn)行狀況應(yīng)是保持熔煉期盡可能有較大的功率輸出或恒功率輸出，以迅速提高爐溫，減少熱損，縮短熔煉時(shí)間，提高單產(chǎn)和效率。但在實(shí)際熔煉金屬過(guò)程中，由于被熔煉材料的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率都隨溫度的變化而變化，將引起負(fù)載等效電阻RH改變，使熔煉過(guò)程大部分時(shí)間達(dá)不到設(shè)計(jì)的最大輸出功率（即Pdmax=UdmaxIdmax）。
事實(shí)上，從圖1（a）主電路組成框圖可看出，要實(shí)現(xiàn)恒功率輸出，只要讓等效直流電阻Rd(Rd=Ud/Id)與中頻負(fù)載電路阻抗匹配就行，即當(dāng)RH變化時(shí)，采用某種方法使Rd不變，這樣中頻輸出功率便不會(huì)隨RH變化而變化。
根據(jù)并聯(lián)諧振中頻電源Rd，RH及φ的相互關(guān)系式
Rd≈0.81cos2φRH （4）
可知當(dāng)負(fù)載電路等效電阻RH變化時(shí)，只要調(diào)節(jié)功率角φ，就可以使Rd保持不變，從而實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能。
3 晶閘管關(guān)斷時(shí)間（TOT）控制電路的引用
以德國(guó)AEG公司，英國(guó)RADYNE公司為代表的中頻電源產(chǎn)品，都采用了TOT（turnofftime）定時(shí)控制法。其特點(diǎn)是按標(biāo)準(zhǔn)給定的TOT和實(shí)際TOT之間的差值及時(shí)對(duì)觸發(fā)角進(jìn)行調(diào)整，以便準(zhǔn)確控制逆變晶閘管的關(guān)斷恢復(fù)時(shí)間。前已述及，無(wú)論從安全運(yùn)行要求，還是確保恒功率輸出的要求，都希望調(diào)節(jié)觸發(fā)角（即超前功率因數(shù)角φ）。為此，我們從參考文獻(xiàn)[2]引用了“TOT”定時(shí)控制法的“超前觸發(fā)脈沖形成電路”，以滿(mǎn)足高效中頻熔煉電源輸出恒功率對(duì)φ角調(diào)節(jié)的要求。
圖2是TOT控制法“超前觸發(fā)脈沖形成電路”框圖及波形圖。該電路由中頻負(fù)載電路電壓uH和電容支路電流信號(hào)及其轉(zhuǎn)換電路，異或非門(mén)U1A，比較器B，JK觸發(fā)器U3A和斜波生成電路組成。其核心部分是保證在uH過(guò)零之前的TOT時(shí)間內(nèi)，比較器B產(chǎn)生下降沿，使JK觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，由Q及Q端輸出超前觸發(fā)脈沖。比較器B反相輸入端接斜坡電壓信號(hào)uc2；而同相輸入端接?角調(diào)節(jié)信號(hào)uc1。通過(guò)uc1與uc2比較（交點(diǎn)）確定觸發(fā)脈沖位置。
圖3
4?φ角的控制思想和策略
常規(guī)并聯(lián)諧振電流型中頻電源一般按下列思想設(shè)計(jì)控制電路，即在升溫初期，讓觸發(fā)角固定在某一?min下，依靠調(diào)節(jié)整流橋的控制角α來(lái)提升中頻電壓uH；而在升溫后期，則靠保持最大直流輸出功率Pdmax=UdmaxIdmax完成熔煉。但由于RH的變化，使熔煉大部分時(shí)間達(dá)不到Pdmax，因而熔煉周期長(zhǎng)，熱損大，效率低。為此，可以保留升溫初期的控制過(guò)程不變，而在升溫后期，采用調(diào)節(jié)?的控制方法，使Rd保持不變，維持最大功率輸出，使中頻電源由低效變成高效。
調(diào)節(jié)φ角的控制電路如圖3所示。圖中①是用于控制場(chǎng)效應(yīng)管Q1“通－斷”的比較器；②是φ角調(diào)節(jié)器；③是加法器；④是限幅電路；⑤是超前觸發(fā)脈沖形成電路。圖4給出了φ角調(diào)節(jié)過(guò)程中uHf（中頻爐線圈電壓反饋值），ud及uc1的變化曲線。系統(tǒng)在投入工作前uH＊為最大值（可根據(jù)中頻負(fù)載電路中電容器和逆變晶閘管的耐壓確定），uc1的最大值uc1max和最小值uc1min對(duì)應(yīng)于φmin和φmax。在階段Ⅰ，直流電壓ud還沒(méi)有達(dá)到最大值，uH的大小完全由原有整流橋控制角α調(diào)節(jié)，此時(shí)ud小于比較器①整定值ub1，比較器①輸出高電平，場(chǎng)效應(yīng)管Q1導(dǎo)通，φ角調(diào)節(jié)器②不起作用，③輸出為最大值，④輸出為uc1的最大限幅值uc1max（φmin）；在階段Ⅱ，直流電壓ud已達(dá)到最大值，比較器①翻轉(zhuǎn)，使場(chǎng)效應(yīng)管Q1截止，φ角調(diào)節(jié)器開(kāi)始工作，并自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。若調(diào)節(jié)過(guò)程中φ角大于φmax。則由④輸出進(jìn)行限幅。
5 結(jié)語(yǔ)
本文所設(shè)計(jì)的高效中頻熔煉電源控制電路有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
——電路集成化高，抗干擾能力強(qiáng)，適用于頻率為1000Hz～2500Hz的中頻感應(yīng)熔煉；
——輸入信號(hào)取自原檢測(cè)電路與控制電路，不須另加檢測(cè)電路；
——?角調(diào)節(jié)電路可取代原逆變觸發(fā)器，并可與原逆變觸發(fā)器互為備用，既可使中頻電源實(shí)現(xiàn)高效控制，又可提高運(yùn)行可靠性。
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