中頻電源的研究與設(shè)計(jì)

1、本文系統(tǒng)研究了由可控硅組成的中頻電源，分析了用于熔煉的感應(yīng)加熱可控硅中頻電源的特點(diǎn)和負(fù)載感應(yīng)器的等效電路及其自然特性，采用并聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄌ岣哓?fù)載的功率因數(shù)。為了使并聯(lián)負(fù)載諧振電路能正常工作，必需將負(fù)載電路置于過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)。針對(duì)常規(guī)可控硅并聯(lián)諧振中頻電源存在整流橋功率因數(shù)隨輸出電壓降低而減少，且滿足不了熔煉負(fù)載對(duì)功率輸出要求的問(wèn)題，采用了一種調(diào)節(jié)逆變角邛提高整流功率因數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)恒功率輸出的方法，但這里所提出的恒功率輸出并非指一般意義下的恒功率閉環(huán)控制，而是指額定輸出功率下的恒功率，即恒定的最大功率輸出。在采用中角調(diào)節(jié)電路的基礎(chǔ)上，配合原有AC/DC相控雙閉環(huán)電路，可以使中頻電源實(shí)現(xiàn)恒功率控制。在整流

2、環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)分別采用集成觸發(fā)芯片TC787和KC04來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣大大簡(jiǎn)化了控制電路，并提高了電路的可靠性。設(shè)計(jì)中采用預(yù)磁化電路和撞擊啟動(dòng)的方法，提高了中頻電源的啟動(dòng)成功率和負(fù)載的適應(yīng)性。關(guān)鍵詞：中頻電源；并聯(lián)補(bǔ)償；功率因數(shù)；邛角調(diào)節(jié)；恒功率AbstractThispaperhasstudiedtheintermediatefrequencypowercomposedofsiliconcontrolledrectifier,analyzedcharacteristicofheatingintermediatefrequencypowerofsiliconcontrolledrectifieru

3、sedforsmelting,equivalentcircuitoftheloadinductorandnaturalcharacteristic,improvedthepowerfactorofloadbyparallelcompensation.Totheshuntloadresonancecircuitcanworknormally,wemustmaketheloadcircuitonthestateofovercompensation.Aimatroutinesiliconcontrolledrectifierconnectinparallelresonanceintermediate

4、frequencypowerhastheproblemaboutthepowerfactorofrectificationbridgereducewiththeoutputvoltagereducingandcan'tmeetthesmeltingload'sdemandtopoweroutput,itadoptonemeasuretorealizeconstantpoweroutputbyadjusttheinverseangle:toimprovetherectificationpowerfactor,buttheconstantpoweroutputputforwardh

5、ereisnotthattheconstantpowerbyclosed-loopcontrolunderageneralmeaning,itrefertotheconstantpowerunderratedoutputpower,namelytheconstantpeakpoweroutput.Onthebasisofadoptingtheangle:toregulatecircuit,cooperatewithoriginalAC/DCphasecontrolbi-closedloopcircuit,itcanmaketheintermediatefrequencypowerrealize

6、constantpowercontrol.InrectifyelementandreverseelementitadoptseparatelytheintegratedtriggerchipTC787andKC04,thussimplifythecontrolcircuitgreatly,andimprovethecircuitreliability.Thepaperadoptthemagnetizecircuitinadvanceandstartingthroughimpactmethodtoimprovethestartingsuccessrateandloadadaptabilityof

7、theintermediatefrequencypower.Keywords:Intermediatefrequencypower,Parallelresonance,Powerfactor,regulate,Constantpower摘要IAbstractH第1章緒論11.1 課題背景11.1.1 國(guó)外技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)狀11.1.2 國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)狀11.2 感應(yīng)加熱電源課題研究的必要性21.2.1 國(guó)內(nèi)外技術(shù)的對(duì)比21.2.2 中頻電源研究的必要性2第2章感應(yīng)加熱原理及負(fù)載電路42.1 感應(yīng)加熱基本原理42.1.1 電磁感應(yīng)和感應(yīng)加熱42.1.2 電磁感應(yīng)的三個(gè)效應(yīng)52.1.3 加熱時(shí)金屬物

8、理性質(zhì)的變化52.2 感應(yīng)加熱電源的組成62.3 負(fù)載感應(yīng)器的等效電路62.3.1 物理意義62.3.2 感應(yīng)器等效電路82.4 負(fù)載電路及其自然特性92.4.1 并聯(lián)振蕩負(fù)載電路92.5 感應(yīng)加熱用可控硅并聯(lián)式中頻電源12第3章整流電路143.1 中頻電源對(duì)整流電路的基本要求143.2 三相全控橋式整流電路工作原理143.3 晶閘管器件的選擇183.3.1 額定正向平均電流的選擇183.3.2 額定電壓等級(jí)的選擇18第4章并聯(lián)逆變器204.1 并聯(lián)逆變器的工作原理204.2 并聯(lián)逆變電路參數(shù)間的相互關(guān)系及主要參數(shù)的確定244.2.1 輸入直流電流Id與輸出中頻基波有效值必問(wèn)的關(guān)系244.2.

9、2 輸入直流電壓Ud與輸出中頻電壓有效值Ua間的關(guān)系244.2.3 中頻輸出功率Pa254.2.4 引前時(shí)間tf的考慮254.3 逆變電路參數(shù)選擇254.3.1 換流電感Lk的布置與參數(shù)選擇254.3.2 逆變電路可控硅元件的選擇274.4 并聯(lián)逆變中頻電源的保護(hù)29第5章中頻電源的控制305.1 自動(dòng)調(diào)頻305.2 常規(guī)品閘管并聯(lián)諧振中頻電源存在的問(wèn)題325.3 提高并聯(lián)諧振中頻電源的整流功率因數(shù)及實(shí)現(xiàn)恒功率輸出的原理335.4 控制電路的組成355.5 三相全控橋式整流電路的觸發(fā)電路375.5.1 觸發(fā)電路概論385.5.2 TC787的特性、功能和電路的實(shí)現(xiàn)375.6 逆變觸發(fā)電路395

10、.6.1 對(duì)觸發(fā)脈沖參數(shù)的要求395.6.2 對(duì)觸發(fā)電路的要求395.6.3 觸發(fā)電路的實(shí)現(xiàn)395.7 并聯(lián)逆變電路的起動(dòng)40第6章系統(tǒng)調(diào)試426.1 調(diào)試所使用的測(cè)試儀器儀表和工具426.2 調(diào)試步驟426.2.1 準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)426.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟436.2.3 抗干擾分析43結(jié)論44參考文獻(xiàn)45致謝46附錄47第1章緒論本章介紹了中頻電源的課題背景及其發(fā)展?fàn)顩r，闡述了中頻電源研究的必要性。1.1 課題背景1.1.1 國(guó)外技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)狀構(gòu)成感應(yīng)加熱用中頻電源的整流器和逆變器是比較典型的電力電子電路，它們的技術(shù)緊隨著電力電子的發(fā)展而發(fā)展，并且標(biāo)志著整個(gè)電力電子技術(shù)的水平和現(xiàn)狀。自從第一臺(tái)晶閘管

11、感應(yīng)加熱電源出現(xiàn)在二十世紀(jì)七十年代，由于電力電子技術(shù)尚處于傳統(tǒng)技術(shù)階段，感應(yīng)加熱電源中的整流、逆變?nèi)删чl管組成，工作頻率低，噪音高，控制系統(tǒng)一般采用分立元件構(gòu)成1。二十世紀(jì)七十年代后期，以大功率晶閘管、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管和功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管為內(nèi)容的全控型功率半導(dǎo)體器件的商品化，使電力電子技術(shù)出現(xiàn)了一次飛躍。進(jìn)入二十世紀(jì)八十年代以后，半導(dǎo)體工藝日漸成熟，并不斷產(chǎn)生新技術(shù)，出現(xiàn)了大功率半導(dǎo)體器件模塊，使電力電子裝置的體積大為減少，而且大大提高了效率和可靠性。在二十世紀(jì)八十年代后期，不僅已有的GTR、POWERMOSFET容量不斷地提高，而且出現(xiàn)了絕緣柵雙極晶體管（SITH）、靜電感應(yīng)晶體管（SIT）

12、、靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）、MOS控制晶閘管（MCT）等新型自關(guān)斷器件，它們?yōu)槿虘B(tài)中高頻感應(yīng)加熱電源的推廣普及提供了條件。IGBT,SITH在幾十千赫茲頻段內(nèi)得到了大量應(yīng)用，、而SIT、MOSFET則在100KHZ以上頻段向傳統(tǒng)的電子管式感應(yīng)加熱電源發(fā)起了挑戰(zhàn)。由于國(guó)外在電力電子器件的制造技術(shù)的成熟、完善和技術(shù)的不斷的進(jìn)步，使中頻電源無(wú)論是在頻率上還是功率上都不斷提高，大大擴(kuò)展了中頻電源的應(yīng)用領(lǐng)域?？傊兰o(jì)九十年代以來(lái)，各國(guó)竟相利用電力電子器件開(kāi)發(fā)感應(yīng)加熱電源，在這方面，歐洲和日本已經(jīng)走在了前面，現(xiàn)在，幾十千瓦的IGBT全固態(tài)電源已經(jīng)實(shí)用化，而50KHZ的電源也已有了樣機(jī)2。1.1.

13、2 國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)也很早就開(kāi)始了感應(yīng)加熱電源的研制工作。浙江大學(xué)于二十世紀(jì)七十年代研制成我國(guó)第一臺(tái)100KW/1KHZ晶閘管并聯(lián)逆變式中頻電源。然后陸續(xù)有一些單位開(kāi)始生產(chǎn)，截止目前已形成1KHZ、2.5KHZ、8KHZ三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)系列，在廠礦企業(yè)得到了廣泛的使用。近年來(lái)，一些單位開(kāi)發(fā)了基于集成電路控制和單片機(jī)控制的中頻電源，在提高中頻電源啟動(dòng)成功率和負(fù)載適應(yīng)性方面取得了一些成績(jī)。同時(shí)，我國(guó)也在不斷的引進(jìn)其他國(guó)家的先進(jìn)技術(shù)，使自己的技術(shù)能有跨越性的發(fā)展，如我國(guó)的天津高頻設(shè)備廠引進(jìn)日本的全套技術(shù)生產(chǎn)出30KHZ/250KW的全固態(tài)電源，提高了我國(guó)在中頻電源領(lǐng)域的生產(chǎn)水平。同時(shí)，各個(gè)科研院所和大

14、專院校也投入了大量的人力物力對(duì)IGBT在這方面的使用進(jìn)行研究，如浙江大學(xué)已取得較好的成績(jī)，為我國(guó)中頻電源的發(fā)展作出了非常大的貢獻(xiàn)。1.2 感應(yīng)加熱電源課題研究的必要性1.2.1 國(guó)內(nèi)外技術(shù)的對(duì)比與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)還有不少差距：在容量上，中頻電源國(guó)外最高容量為10MVA，而國(guó)內(nèi)為2MVA;在控制技術(shù)手段上，國(guó)外大量采用集成電路，數(shù)字顯示，微機(jī)控制，國(guó)內(nèi)大部分是分立元件和繼電器控制，只有少部分采用集成電路控制，采用微機(jī)控制的則更少；在工作頻率上，國(guó)外基本沒(méi)有空白，可滿足不同用戶的要求，而國(guó)內(nèi)10KHZ100KHZ基本屬于空白，100KHZ以上以電子管式為主。盡管國(guó)內(nèi)采用改進(jìn)線路和快速晶閘管技術(shù)，已成

15、功研制出了50KHZ/50KW電源，但因電路復(fù)雜，元件缺乏，并未形成生產(chǎn)規(guī)模；在生產(chǎn)手段上，國(guó)外一般采取標(biāo)準(zhǔn)化大規(guī)模生產(chǎn)，而國(guó)內(nèi)仍處于手工業(yè)作坊階段；在工藝結(jié)構(gòu)上，國(guó)內(nèi)幾十年不變，采用角鋼焊接等技術(shù)，工藝落后，外觀質(zhì)量差，急需改進(jìn)。1.2.2 中頻電源研究的必要性感應(yīng)加熱應(yīng)用范圍非常廣泛，在鍛造方面，可對(duì)鋼材和鈦、鎳等稀有金屬進(jìn)行加工預(yù)熱；在熱處理方面，為了加強(qiáng)工件的硬度和韌性，應(yīng)用感應(yīng)加熱可對(duì)鋼材進(jìn)行透熱、表面淬火、穿透淬火、回火和燜火；在熔煉方面，通常用感應(yīng)加熱的方法來(lái)熔化優(yōu)質(zhì)鋼和有色金屬；在焊接固壓方面，可把金屬片涂料抹在金屬表面，然后利用感應(yīng)加熱使其熔化渡涂并固化；在燒結(jié)方面，使用感應(yīng)

16、加熱能在石墨曲頸瓶或感應(yīng)器中對(duì)炭化物加熱到2550oC的高溫。過(guò)去傳統(tǒng)的加熱方式，多以煤、油、氣為能源或箱式電爐加熱，不僅造成有限的資源浪費(fèi)、環(huán)境污染，而且工作效率低，工人勞動(dòng)條件差，工藝質(zhì)量難以準(zhǔn)確控制，嚴(yán)重地制約了我國(guó)機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展。而在國(guó)外，早在二十世紀(jì)初就開(kāi)始了感應(yīng)加熱的研究，至今感應(yīng)加熱技術(shù)已日趨成熟。比如，在鍛造方面，傳統(tǒng)鍛造法材料利用率很低，大概在30%左右，且表面光潔度不高，而利用感應(yīng)加熱實(shí)現(xiàn)快速透熱熱鍛，不僅使材料利用率提高到85%以上，表面光潔度小于50叩,而且氧化皮損耗大大降低，鍛模的壽命大大提高。八十年代特別是九十年代，隨著科技的進(jìn)步和時(shí)代的發(fā)展，我國(guó)的感應(yīng)加熱設(shè)備才

17、有了一定的發(fā)展，但與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有相當(dāng)大的差距。感應(yīng)加熱是通過(guò)電磁感應(yīng)原理即利用渦流對(duì)被加工件加熱的。由于是從工件內(nèi)部，即從工件的電流透入深度層開(kāi)始加熱的，因此大大節(jié)省了熱傳導(dǎo)時(shí)間，加熱速度快，氧化層薄，金屬燒損小，可以根據(jù)不同的工藝要求，對(duì)工件進(jìn)行局部或整體加熱，而且對(duì)加熱深度可以嚴(yán)格控制，加熱溫度也可以控制，一般只需控制加熱時(shí)間和電壓即可，溫差可保證在±0.51%以內(nèi)，而熱效率則可高達(dá)5060%。最重要的是對(duì)大氣和周圍環(huán)境無(wú)污染，無(wú)噪音，作業(yè)的環(huán)境條件得以大大提高。在大力提倡環(huán)保意識(shí)的今天，更加符合時(shí)代的要求。而且，感應(yīng)加熱設(shè)備可以隨時(shí)開(kāi)停，不需電極或增加燃料，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械

18、化和自動(dòng)化。總之，隨著我國(guó)電力供應(yīng)的改善，電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，以及環(huán)保要求的提高，發(fā)展和擴(kuò)大感應(yīng)加熱應(yīng)用的范圍，在鍛造、焊接、淬火熱處理等方面進(jìn)一步改進(jìn)技術(shù)，提高質(zhì)量，改造我國(guó)傳統(tǒng)加熱行業(yè)是勢(shì)在必行的。這一改造不但涉及與加熱電源配套的機(jī)械工藝的改造提高，而且至關(guān)重要的就是進(jìn)行大功率感應(yīng)加熱電源的開(kāi)發(fā)和研究工作3。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)中頻電源在技術(shù)上落后，其主要問(wèn)題是自動(dòng)化程度低，可靠性差，操作不安全，特別是由于變換效率只有50%60%，造成了能源的極大浪費(fèi)。而國(guó)外先進(jìn)的中頻電源體積小、重量輕、可靠性高，使效率從50%提高到90%，節(jié)省了大量電能。正是中頻電源的許多優(yōu)點(diǎn)和我國(guó)國(guó)內(nèi)落后的技術(shù)，使得

19、我們必須趕快加大對(duì)中頻電源的研究力度和深度，在借鑒國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)，自力更生，迎頭趕上。圖2.1感應(yīng)加熱原理(2.(1)(2.(2)第2章感應(yīng)加熱原理及負(fù)載電路本章主要介紹了感應(yīng)加熱的基本原理，在介紹了基本原理以后，推導(dǎo)出了負(fù)載電路的等效形式和及其自然特性，并根據(jù)其自然特性得出了諧振電路補(bǔ)償?shù)膬煞N形式，并聯(lián)補(bǔ)償電路和串聯(lián)補(bǔ)償電路。2.1 感應(yīng)加熱基本原理2.1.1 電磁感應(yīng)和感應(yīng)加熱感應(yīng)加熱實(shí)質(zhì)是由電磁感應(yīng)電流產(chǎn)生熱能的電加熱，它是依靠感應(yīng)器通過(guò)電磁感應(yīng)把電能傳遞給被加熱的金屬，再在金屬內(nèi)部電能轉(zhuǎn)化為熱能，達(dá)到加熱金屬的目的?？梢?jiàn)，感應(yīng)加熱的基本原理可以用電磁感應(yīng)定理和焦耳-楞次定理來(lái)描述。電磁

20、感應(yīng)定理可以描述為：當(dāng)穿過(guò)任何閉合回路所限制的面的磁通量隨時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，在回路上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)e,如圖2.1所是。de二一一dt負(fù)號(hào)表示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用總是試圖阻止磁通的變化焦耳-楞次定理的表達(dá)式為：一一2一Q=0.24iRt(2.3)Q導(dǎo)體所消耗的功率轉(zhuǎn)變成的熱量，卡;i通過(guò)導(dǎo)體的電流強(qiáng)度，安；R導(dǎo)體的電阻，歐姆；t電流通過(guò)導(dǎo)體的時(shí)間，秒。把金屬工件放入通以交流電流的線圈中，由電磁感應(yīng)定理可知，金屬內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，而金屬工件可視為-短路的導(dǎo)體，于是在感應(yīng)電勢(shì)的作用下，金屬內(nèi)就有電流產(chǎn)生，此電流成為感應(yīng)電流或渦流，當(dāng)然也是交變的。交變的電流同樣產(chǎn)生交變的磁通，此磁通總是試圖補(bǔ)償原線圈中

21、磁通量的變化。任何金屬都有一定的電阻，根據(jù)焦耳-楞次定律，渦流在具有一定電阻的金屬內(nèi)流動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生熱量，從而使金屬被加熱，這就是感應(yīng)加熱。從以上分析可知，金屬若被感應(yīng)加熱必須具備兩個(gè)條件：一是在感應(yīng)圈中通以交變電流，二是被加熱材料必須是能導(dǎo)電的，或用導(dǎo)體作為發(fā)熱體，利用其發(fā)出的熱量間接加熱非導(dǎo)電體4。1.1.2 電磁感應(yīng)的三個(gè)效應(yīng)（ 1）集膚效應(yīng)眾所周知，直流電流流經(jīng)導(dǎo)體時(shí)，電流在導(dǎo)體截面上是均勻分布的，但交流電流則不然。當(dāng)交流電流流經(jīng)導(dǎo)體時(shí)，電流沿導(dǎo)體截面上的分布是不均勻的，最大電流密度出現(xiàn)在導(dǎo)體的表面層。這種電流集聚于表面的現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。其原因是由于與導(dǎo)體表面交鏈的磁力線比與導(dǎo)體內(nèi)部所交

22、鏈的磁力線要少，因此導(dǎo)體表面的電感和阻抗小于內(nèi)部的電感與阻抗，而電流總是沿阻抗最小的路徑流動(dòng)，所以電流會(huì)集聚到導(dǎo)體的表面形成集膚效應(yīng)，而且電流頻率越高，集膚效應(yīng)就越顯著。（ 2）臨近效應(yīng)相鄰兩導(dǎo)體通以交流電流時(shí)，在相互影響下導(dǎo)體中的電流要重新分布。當(dāng)兩電流方向相反時(shí)，電流聚于導(dǎo)體內(nèi)側(cè)，方向相同時(shí)，電流被排斥于導(dǎo)體外側(cè)，成為臨近效應(yīng)。因?yàn)閮呻娏鞣较蛳喾磿r(shí)，導(dǎo)體間兩電流所建立的磁場(chǎng)方向相同，總磁場(chǎng)增大，兩導(dǎo)體外側(cè)的磁場(chǎng)卻互相削弱；同理，兩電流方向相同時(shí)，導(dǎo)體間兩電流所建立的磁場(chǎng)方向相反，總磁場(chǎng)互相削弱，兩導(dǎo)體外側(cè)的磁場(chǎng)卻增大。（ 3）圓環(huán)效應(yīng)如果將交流電流通過(guò)圓環(huán)形螺管線圈時(shí)，最大電流密度出現(xiàn)在線

23、圈導(dǎo)體的內(nèi)側(cè)，這種現(xiàn)象成為圓環(huán)效應(yīng)。這是因?yàn)橥ǔ４帕€在環(huán)內(nèi)集中，在環(huán)外分散，在導(dǎo)體的外側(cè)較內(nèi)側(cè)交鏈較多的磁通，這樣導(dǎo)體的外側(cè)的電感和阻抗較內(nèi)側(cè)為大，電流向內(nèi)側(cè)集聚。感應(yīng)加熱既是對(duì)以上幾種效應(yīng)的綜合利用。在感應(yīng)器中置以工件，并施以交流電壓，則在感應(yīng)器中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，感應(yīng)器本身表現(xiàn)為圓環(huán)效應(yīng)，感應(yīng)器與工件間即為鄰近效應(yīng)，而工件本身表現(xiàn)為集膚效應(yīng)。1.1.3 加熱時(shí)金屬物理性質(zhì)的變化加熱透入深度與金屬物理性質(zhì)有關(guān)及叫有關(guān)，對(duì)于導(dǎo)磁率叫，隨著溫度的升高而下降，開(kāi)始時(shí)下降比較緩慢，當(dāng)溫度達(dá)到店里點(diǎn)時(shí)，便會(huì)急劇下降到相對(duì)導(dǎo)磁率為1,所以高溫時(shí)，電流透入深度會(huì)增加很多。對(duì)于電阻率P,隨著溫度的升高而增加。

24、但當(dāng)溫度升高到一定時(shí)（大概800900C）,電阻率將基本維持不變，即不再隨溫度的升高而增加。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)金屬的導(dǎo)磁率和電阻率在冷態(tài)和熱態(tài)時(shí)，要做不同的考2.2 感應(yīng)加熱電源的組成一般感應(yīng)加熱電源裝置均采用交一一直一一交變頻原理，主要由三大部分組成，即整流器，濾波器及逆變器，當(dāng)然還有一些控制電路和保護(hù)電路。其主電路基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。圖2.2主電路基本結(jié)構(gòu)框圖三相50HZ輸入電壓經(jīng)過(guò)整流器成為脈動(dòng)的直流電壓，再經(jīng)過(guò)濾波器成為平滑直流電壓，而逆變器則由于開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率將直流電壓變?yōu)椴煌l率的電壓供負(fù)載使用。在感應(yīng)加熱中，一般是通過(guò)感應(yīng)圈將能量輸送給負(fù)載，所以感應(yīng)圈往往就是逆變器的

25、一部分。2.3 負(fù)載感應(yīng)器的等效電路2.3.1 物理意義在負(fù)載感應(yīng)器中要發(fā)生電磁感應(yīng)、發(fā)熱、傳熱及熱輻射等物理現(xiàn)象，現(xiàn)以感應(yīng)熔爐為例闡明其中的電磁現(xiàn)象。熔爐的原理結(jié)構(gòu)如圖2.3所示，感應(yīng)線圈由空心銅管繞成,管內(nèi)通水冷卻。銅管的截面可以是圓的，也可以是方的，方的電效率較高。在感應(yīng)線圈內(nèi)的一只用耐火材料打結(jié)后燒結(jié)的干鍋，干鍋內(nèi)放置被熔煉的金屬，大多數(shù)情況為鋼材下面條論其中幾個(gè)主要的電磁現(xiàn)象。(1)磁場(chǎng)當(dāng)感應(yīng)磁場(chǎng)通以中頻電流時(shí)，就產(chǎn)生中頻磁場(chǎng)，如圖2.3所示。其中，磁通62經(jīng)過(guò)干鍋或爐膛，但沒(méi)有穿入被熔煉的鋼材，稱為漏磁通；另一部份磁通1穿過(guò)鋼材，稱為主磁通。只有主磁通1才能在鋼材感應(yīng)出電流并使之發(fā)

26、熱熔化。但主磁通我和漏磁通中2總是存在，而且漏磁通往往比主磁通多，影響主磁通相對(duì)大小的因數(shù)很多。如被熔煉的材料、熔煉材料的多少和熔煉過(guò)程中的狀態(tài)等。(2)電阻4'5圖2.3熔煉爐的結(jié)構(gòu)1銅管、2鋼材、3塔鍋4一漏磁通、5-主磁通感應(yīng)爐內(nèi)有兩個(gè)通電流部分，一是感應(yīng)線圈本身，從外部通入中頻電流；二是被熔煉的鋼材，在其中感應(yīng)出中頻電流。兩者都有電阻，都要發(fā)熱。1、感應(yīng)線圈不但產(chǎn)生磁場(chǎng)引起電感，而且它本身還有電阻。由于感應(yīng)線圈中引起很大的中頻電流，而且密集于銅管一側(cè)的透入深度薄層內(nèi)，因此其中的電流密度很大，使銅管內(nèi)大量發(fā)熱，故需要通水冷卻。XHp=Lhp在熔煉過(guò)程中，電源頻率、漏磁通分布和水溫

27、等因數(shù)變化不是很大的，故感應(yīng)線圈本身的電阻可以認(rèn)為基本上是不變的。2、由于主磁通穿過(guò)鋼材，在其中感應(yīng)出渦流電流。鋼材放在感應(yīng)線圈之內(nèi)，這種渦流產(chǎn)生的漏磁通(只穿過(guò)鋼材本身而不穿過(guò)感應(yīng)線圈就是鋼材的漏磁通)較少。因?yàn)樗碾娮杪瘦^大和集膚效應(yīng)較顯著，故鋼材的電阻比感應(yīng)線圈大，且在整個(gè)熔煉過(guò)程中不斷變化，特別是當(dāng)溫度上升導(dǎo)超過(guò)居里點(diǎn)時(shí)由于透入深度增加，電阻急劇下降。圖2.4負(fù)載感應(yīng)器的等效電路3、感應(yīng)線圈通以交流大電流，產(chǎn)生磁場(chǎng)，在鋼材中感應(yīng)出電流。它好像一只變壓器，感應(yīng)線圈為原邊，鋼材為副邊。按照變壓器的原理畫(huà)出它的等效電路，如圖2.4a所示。圖中為=L/o,它代表感應(yīng)線圈的漏磁通引起的感抗；Xm

28、=M®，它代表主磁通引起的互感抗；Ri代表感應(yīng)線圈本身的電阻，R代表鋼材工件的電阻（歸算到原邊）；XzuLw8,它代表鋼材工件中渦流引起的漏磁通所導(dǎo)致的漏感抗（歸算到原邊）。4、感應(yīng)爐雖然相當(dāng)于一只變壓器，但它的參數(shù)卻與平常變壓器很大的不相同。如前所述：原邊漏磁通很多，故Xi很大，其次在熔煉過(guò)程中，Xi、Xm、R2、X2變化都很大。5、圖2.4a的等效電路分析起來(lái)不太方便，以一般常將它化成電阻感應(yīng)用聯(lián)電路（圖2.4 b）或電阻感應(yīng)并聯(lián)電路（圖2.4c）。2.5 .2感應(yīng)器等效電路電阻感應(yīng)并聯(lián)電路（圖2.4c）地等效阻抗為rHPjXHPrHP'jXHP22rHPXHPrHPXH

29、P22-j22rHP.XHPrHP.XHP由式（2.4）,得rHSrHPXHP22rHPXHPhpApXHS-.LHS-22rHP'XHP或?qū)⑸蟽墒交?.2rHSXHSrHP二rHS2.2vrHSXhsxhp二XHS在大多數(shù)得情況下,rHPrHS=Xhs-(''Lhs)(2.5a)(2.5b)(2.6a)(2.6b)(2.7a)(2.7b)XHS=XHPXHS=XHP由電阻電感并聯(lián)等效電路得等效阻抗（式2.4）可求得感應(yīng)爐得功率因數(shù)cos久及品質(zhì)因數(shù)Qo：cosL=XHP_LLHPJr：+x3JrHP+(“)2(2.(8)rhpQo=-H-P=xHPrHPLhp(2.

30、(9)以上分析了電阻電感并聯(lián)等效電路，在某些場(chǎng)合也常常用到電阻感應(yīng)串聯(lián)等效電路。其分析的方法與電阻感應(yīng)串聯(lián)的等效電路是一樣的。圖2.4所示出的三種等效電路只是用不同的形式來(lái)表達(dá)感應(yīng)器的電磁現(xiàn)象，其結(jié)果是完全一樣的。選用哪一種電路來(lái)代表感應(yīng)器可以根據(jù)具體應(yīng)用來(lái)決定。影響感應(yīng)爐的等效電路參數(shù)的因數(shù)有很多。比如說(shuō)，在加熱過(guò)程中，金屬爐料的溫度不斷上升，它的相對(duì)導(dǎo)磁率N和電阻率P都不斷發(fā)生變化。往爐中加冷料、爐料熔化和下塌，這些爐料情況的變化都要反映導(dǎo)等效電路參數(shù)中來(lái)，故在加熱過(guò)程中感應(yīng)爐等效電路參數(shù)也是不斷變化的。上述闡明，感應(yīng)爐等效電路參數(shù)是隨時(shí)都在變化的，因而精確計(jì)算這些參數(shù)是有困難的。在大多數(shù)

31、情況下都是針對(duì)熔煉快要結(jié)束時(shí)感應(yīng)電爐等效電路的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。這是因?yàn)闋t料已經(jīng)熔化，高溫液態(tài)金屬充滿爐膛，幾何形狀一定，計(jì)算較為簡(jiǎn)單，得出的結(jié)果較為適用。2.4 負(fù)載電路及其自然特性根據(jù)前節(jié)所述，感應(yīng)加熱負(fù)載均為功率因數(shù)很低的感應(yīng)性負(fù)載(0.050.3),若不設(shè)法補(bǔ)償，就需要很大的電源容量。在感應(yīng)加熱過(guò)程中都采用電容器來(lái)補(bǔ)償感應(yīng)器的無(wú)功功率，提高其功率因數(shù)，使電源僅供給有功功率。在采用可控硅電路的感應(yīng)加熱設(shè)備中，常用的有串聯(lián)補(bǔ)償、并聯(lián)補(bǔ)償及申并聯(lián)補(bǔ)償。這樣組成了串聯(lián)振蕩回路、并聯(lián)振蕩回路和用并聯(lián)振蕩回路。熔煉用中頻電源一般采用并聯(lián)振蕩負(fù)載電路，因此這里主要介紹一下并聯(lián)振蕩負(fù)載電路。2.4.1 并

32、聯(lián)振蕩負(fù)載電路將補(bǔ)償電容器與感應(yīng)器并聯(lián)組成并聯(lián)補(bǔ)償負(fù)載電路,分析這中電路時(shí)感應(yīng)器用.和Lhp并聯(lián)等效電路較為方便，這樣就組成了圖2.5所示的并聯(lián)振蕩。將角頻率為0的正弦電壓加到并聯(lián)振蕩電路時(shí)，電路中各元件電壓電流的關(guān)系用圖2.6并聯(lián)振蕩電路的向量圖表示。在這些圖中感應(yīng)器的端電壓U1就等于電源電壓UJ為感應(yīng)器電流，它可以分為Ir及Il兩個(gè)分量，Ir是流過(guò)電阻hp的電流，它與Ui同相位，Il是流過(guò)電感Lhp的電流，它比Ui滯后90,Ii比Ui滯后一個(gè)角度蟲(chóng)，它就是感應(yīng)器的功率UirHP因數(shù)角UicosL=Ilj',LHP(2.i0a)(2.i0b)在圖2.6中電容器Ch的電流Lc比電壓Ui

33、超前90,，它與電流Il的方向相反:Lc=jCHU電源電流I(即整個(gè)并聯(lián)振蕩電路的輸入電流)是感應(yīng)器電流I1與電容電流的和，也是IRIl、Ic三個(gè)電流只和。I=i+C=R+L+C(2.i0c)圖2.6a是欠補(bǔ)償情況，它的特點(diǎn)是：IC<IL,*>0(2.i0a)先將Il和Ic相加，得到整個(gè)電路的無(wú)功電流Il+Ic,然后再將它與Ir相加，就得到整個(gè)電路的輸入電流I。由于Ic小于Il,電路的無(wú)功電流Il+Ic仍比電壓Ui滯后90,所以電流I仍滯后于電壓Ui,電路的功率因數(shù)角由大于0,仍為感性負(fù)載。補(bǔ)償后整個(gè)電路的無(wú)功電流Il+Ic比Il小，電源電流I比感應(yīng)氣的電流Ii小，整個(gè)電路的功率因

34、數(shù)角4比感應(yīng)器的功率因數(shù)角丈小，cose比cos"大，這樣就提高了功率因數(shù)，降低了對(duì)電源容量的要求。圖2.6c是過(guò)補(bǔ)償?shù)那闆r，它的特點(diǎn)是：Ic>Il4<0在完全補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上若繼續(xù)增加電容或頻率f，就會(huì)使Ic大于Il,得到過(guò)補(bǔ)償。國(guó)補(bǔ)償時(shí)整個(gè)電路的無(wú)功電流Ic+Il與電流Ic相位相同，并比電壓Ui超前90匚所以電流I超前于電壓Ui,電路呈容性，功率因數(shù)角小小于零。過(guò)補(bǔ)償時(shí)電源電流I比完全補(bǔ)償時(shí)大，功率因數(shù)cos4比完全補(bǔ)償時(shí)小，因此和完全補(bǔ)償時(shí)相比，過(guò)補(bǔ)償要求電源有較大的容量。b)c)圖2.6不同補(bǔ)償情況下的向量圖從減少電源容量的觀點(diǎn)來(lái)看，圖2.6b所示的完全補(bǔ)償最好，但可

35、控硅中頻電源需要它的負(fù)載為容性，所以并聯(lián)振蕩電路一般工作在圖2.6c所示的過(guò)補(bǔ)償情況下，超前功率因數(shù)角常為20；45；。可控硅電路供電的感應(yīng)加熱電源采用改變頻率f的方式來(lái)調(diào)節(jié)功率因數(shù)。當(dāng)電源頻率改變時(shí)，圖2.5所示的并聯(lián)振蕩回路的輸入阻抗Z、功率因數(shù)角力等參數(shù)都會(huì)變動(dòng)。改變頻率可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)，當(dāng)工作頻率與高于并聯(lián)振蕩電路諧振頻率后，負(fù)載呈容性,8越高，超前功率因數(shù)角越大。頻率變化時(shí)，電源電流得頻率特性可用下式表示：UUrHP一團(tuán)一、同=IoJl+Q2（2一當(dāng)（2.11）:'0綜合以上分析，圖2.5所示得并聯(lián)負(fù)載振蕩負(fù)載電路由一下特點(diǎn)：1）為了得到容性負(fù)載，工作頻率f要稍高于并聯(lián)諧振頻

36、率%頻率越高，則超前功率因數(shù)角越大，負(fù)載阻抗越小，電源電流越大；2）感應(yīng)器的端電壓Ui等于電源電壓U;3）感應(yīng)器的電流Ii大于電源電流I,其近似關(guān)系為Jl+Q2cosM2.5 感應(yīng)加熱用可控硅弁聯(lián)式中頻電源在近代工業(yè)生產(chǎn)中，熔煉金屬及對(duì)工件進(jìn)行透熱、淬火、和彎管等，常常采用中頻電源裝置作為感應(yīng)加熱電源，在可控硅出現(xiàn)以前，中頻加熱電源多采用中頻發(fā)電機(jī)組，但自從可控硅元件出現(xiàn)后，二十世紀(jì)六十年代后期發(fā)展了感應(yīng)加熱用可控硅中頻加熱電源。它用可控硅代替了發(fā)電機(jī)組，由于可控硅關(guān)斷時(shí)間非常短，整個(gè)可控硅中頻電源響應(yīng)速度非常短，能非常方便的改變輸出電壓電流和頻率等指標(biāo)參數(shù)。隨著電力電子器件的飛速發(fā)展，可控硅

37、中頻電源在越來(lái)越多場(chǎng)合的到了應(yīng)用。感應(yīng)加熱用可控硅中頻電源是一種將三相工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嘀蓄l交流的裝置?？煽毓枳冾l電路可以分為兩大類：交-交變頻電路和交-直-交變頻電路，前者的特點(diǎn)是將50Hz的工頻交流電直接變成頻率為？的中頻交流電，沒(méi)有直流環(huán)節(jié)。這種變頻電路的特點(diǎn)是效率較高，但電路復(fù)雜，目前應(yīng)用極少。交-直-交變頻的特點(diǎn)是有直流環(huán)節(jié)，通過(guò)整流電路先將工頻交流電整成直流電，在通過(guò)逆變電路將它變成頻率為？的交流電它具有電路簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，運(yùn)行可靠，效率可達(dá)90%以上等優(yōu)點(diǎn)，目前應(yīng)用較多。逆變電路輸出的中頻電能，通過(guò)感應(yīng)線圈施加到負(fù)載上，進(jìn)行感應(yīng)加熱。感應(yīng)線圈通以交流大電流時(shí)，產(chǎn)生磁場(chǎng)，在熔爐里

38、面感應(yīng)出電流。它好像一只變壓器，感應(yīng)線圈為原邊，熔爐（負(fù)載）為副邊。按照變壓器的原理圖可以畫(huà)出它的等效電路圖出來(lái)，按照變壓器的等效電路圖分析起來(lái)不太方便，一般常將它化成電阻電感串聯(lián)電路或電阻電感并聯(lián)電路。按照逆變電路和負(fù)載電路的不同組合，感應(yīng)加熱又可分為并聯(lián)變頻電路、串聯(lián)變頻電路、用并聯(lián)變頻電路，倍頻式變頻電路和時(shí)間分割變頻電路等，其中并聯(lián)變頻電路和串聯(lián)變頻電路是基本電路。感應(yīng)加熱用中頻電源一般由其特點(diǎn)所決定的一般采用并聯(lián)式中頻電源。圖2.7為并聯(lián)式中頻電源主電路原理圖。圖中A為可控硅組成的三相橋式全控整流電路（簡(jiǎn)稱整流橋），它將正弦的工頻交流電整成脈動(dòng)的直流電Ud可以調(diào)節(jié)直流電壓Ud來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)

39、載電流。圖中B為直流中間電路，它式由一個(gè)儲(chǔ)能電感組成，它把50Hz工頻網(wǎng)絡(luò)和中頻網(wǎng)絡(luò)隔開(kāi)，并把直流電流濾成平滑的波形。圖中C為四只可控硅組成的單相橋式逆變電路，它將直流電流逆變成交流方波中頻電流，并將它送入負(fù)載電路Do負(fù)載電路D由感應(yīng)器和電容器組成的并聯(lián)振蕩電路對(duì)工件進(jìn)行感應(yīng)加熱。逆變電路輸出的中頻電流頻率f,受負(fù)載振蕩電路呈現(xiàn)很大的阻抗，比基波頻率高幾倍的諧波電流通人并聯(lián)振蕩電路時(shí)，振蕩電路呈現(xiàn)很小的阻抗，所以方波中頻電流通入并聯(lián)振蕩電路負(fù)載感應(yīng)器負(fù)載電壓Ua實(shí)際上接近正弦波性。并聯(lián)變頻電路對(duì)負(fù)載的適應(yīng)能力很強(qiáng)，是當(dāng)前應(yīng)用得最廣泛的一種電路，主要作用作為中頻熔煉和透熱的電源5。圖2.7并聯(lián)式

40、中頻電源主電路原理圖第3章整流電路整流電路的作用是把交流電能轉(zhuǎn)化為直流電能，中頻電源中整流電路與其他電氣傳動(dòng)裝置中的整流電路是相同的，其相應(yīng)的觸發(fā)電路也是相同的，只是對(duì)應(yīng)不同的使用場(chǎng)合，其控制方式有所差異。3.1 中頻電源對(duì)整流電路的基本要求中頻電源整流電路的負(fù)載是逆變器，逆變器輸出的有功功率是由整流電路提供的。所以要求整流電路的直流輸出電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)能連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)。中頻感應(yīng)加熱的負(fù)載是變化很大，整流電路應(yīng)能自動(dòng)限制輸出電壓、功率及電流，以及通過(guò)整流電路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)電流、過(guò)電壓保護(hù)。幾乎所有的中頻電源都是采用三相全控橋式整流電路。這是因?yàn)樗妮敵鲭妷旱恼{(diào)節(jié)范圍大而移相控制角的變化范圍小，

41、有利于系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。它的輸出電壓的脈動(dòng)頻率較高，可以減輕直流濾波環(huán)節(jié)的負(fù)擔(dān)。對(duì)整流電路的還有一個(gè)要求是，當(dāng)逆變器運(yùn)行失敗時(shí)，能把貯藏在直流濾波電抗器中的能量通過(guò)整流器輸送到電網(wǎng)上而使整流橋得到保護(hù)。三相全控橋式整流電路能理想得完成這一任務(wù)。3.2 三相全控橋式整流電路得工作原理圖3.1全控整流橋如圖3.1所示，并假設(shè)網(wǎng)側(cè)交流回路沒(méi)有電感，直流濾波電感足夠大，它有六只品閘管，VTi、VT3、VT5為共陰極組；VT4、VT6、VT2為共陽(yáng)極組。在任何導(dǎo)電時(shí)刻，電流總是從某一相流入，先經(jīng)過(guò)共陰極組晶閘管、直流濾波電抗器Ld、負(fù)載電阻Rd,再經(jīng)過(guò)共陽(yáng)極組晶閘管，由另一相流出。三相全控橋式整流電路實(shí)為

42、三相半波共陰極組和共陽(yáng)極組串聯(lián)，且控制角口完全相同。三相全控橋整流電路中，6個(gè)晶閘管導(dǎo)通順序是：VTfVT-VTfVTfVTfVT6n由三相橋式整流電路的特點(diǎn)決定，在任何時(shí)刻都必須有兩個(gè)品閘管導(dǎo)通，才能形成導(dǎo)電回路其中一個(gè)是共陽(yáng)極組和一個(gè)共陰極組；共陽(yáng)極組的VTi、VT3和VT5之間相差120,共陰極組的；VT4、VT6和VT2之亦間相差120,挨在一起的兩管子，如VT1和VT4、VT3和VT6、VT5和VT2之間相差180;為了保證整流橋合閘后共陰極組和共陽(yáng)極各有一品閘管導(dǎo)電，或者由于電流斷續(xù)后能再次導(dǎo)通，必須對(duì)兩組中應(yīng)導(dǎo)通的一對(duì)晶閘管同時(shí)給定觸發(fā)脈沖?？梢圆捎脤捗}（大于60）或雙窄脈沖（兩

43、脈沖相隔60）來(lái)保證。在不同的觸發(fā)角下，我們可以得到不同的輸出波形：（1）控制角a=0'時(shí)，輸出波形如圖3.2。圖3.2a=0時(shí)輸出波形圖妁1cxM-«ac站2Ucn班與4科ckA中*Wax（2）控制角0c<<90'）時(shí)其中圖3.3中a=60;圖3.4中a=75。在圖3.4中我們可以看到，t1時(shí)刻之后,濾波電感Ld中所存儲(chǔ)的一部分磁能通過(guò)VT6、VTi由A、B兩相返回電網(wǎng)。這一過(guò)程實(shí)質(zhì)上是整流電路的有源逆變過(guò)程，這說(shuō)明在整流電路中當(dāng)口>60時(shí)開(kāi)始存在部分時(shí)間段的有源逆變U鼠U00U'1R：論%圖3.3d=60輸出波形圖圖3.4口=75輸出波形

44、圖(3)控制角a=90時(shí)波形見(jiàn)圖3.5,正負(fù)的面積相等，其平均值為零。但其瞬間值仍不為零。由上分析可見(jiàn)，三相全控橋式電路的整流狀態(tài)的觸發(fā)脈沖移相范圍是0<«<90°o在整個(gè)移相范圍內(nèi)，對(duì)整流輸出電壓中的某一段波形(圖3.6斜線部分)求平均值。050266圖3.5口=90輸出波形圖圖3.6某段波形求平均值圖即得直流輸出電壓Ud與整流橋二次側(cè)輸入線電壓得數(shù)量關(guān)系是1 O.Ud-=6-2Ulcostdt,二下；63(3.1)32Ul二3.2Ul2cos:sin=cos:=Ud0cos:二6二可見(jiàn)，只需要調(diào)節(jié)控制角a,就可改變整流橋的輸出電壓平均值。(4)控制角90：二

45、：二120；時(shí)>90，時(shí)，負(fù)向面積大于正向，這時(shí)整流橋工作在逆變狀態(tài)。此時(shí)的整流橋被稱為有源逆變器。它的能量傳輸方向是從直流側(cè)送往工頻電流電網(wǎng)的。有源逆變須具備三個(gè)條件：控制角=90;直流濾波電感足夠大；直流側(cè)具有電勢(shì)源。(5)控制角a=120時(shí)波形見(jiàn)圖3.7。直流電抗器Ld是構(gòu)成有源逆變器的一個(gè)極重要的條件。Ld在有源逆變器與Ed之間起著平衡作用圖3.7口=120,輸出波形圖圖3.8電流波形圖綜上所述，當(dāng)0：.：90。時(shí)，電路處于整流狀態(tài)，輸出直流電壓值由最大值到零。二與。；時(shí)，輸出電壓在部分時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)負(fù)值，但平均值仍為正。當(dāng):二90：時(shí)，輸出電壓的正負(fù)瞬時(shí)值相等，平均值為零。二.90

46、：時(shí)，電路處于逆變狀態(tài)。此時(shí)稱為有源逆狀態(tài)叫3.3晶閘管器件的選擇3.3.1 額定正向平均電流的選擇當(dāng)直流電抗器Ld的電感足夠大時(shí)，每只晶閘管導(dǎo)電120,則可畫(huà)出電流過(guò)三相全控橋每橋臂品閘管的電流波形如圖3.8。電流有效值為:晶閘管器件的額定電流Ry二I2Id(3.2)If是指按50Hz半波平均值計(jì)算的，即:Imsintdt二Imcos二-cos0=k其中Im為半波電流的幅值。半波電流的有效值為IImIm二半波電流的有效值與平均值If的關(guān)系為，H'IF=1.57IF(3.4)整流橋中晶閘管器件的發(fā)熱狀況取決于式（3.2）所決定的有效值。把它折合成半波電流的平均值，則式（3.2）=式（3

47、.5）,即得也=0.3671d式（3.5）可取決在多大得直流電流時(shí)的晶閘管器件的電流等級(jí)。式（3.4）則能判斷已有的晶閘管能承受多大的電流有效值。據(jù)此可以選擇與每一橋臂品閘管相串聯(lián)的快速熔斷器的電流等級(jí)。3.3.2 額定電壓等級(jí)的選擇品閘管器件的正向阻斷電壓PFV及反向峰值電壓PRV可按電路中器件可能承受的最高壓、反向峰值電壓的1.52.0倍計(jì)算。三相全控橋式整流電路承受正、反向電壓的最大值等于三相交流電網(wǎng)線電壓Ui的峰值。7PFV=PRV=T2ul(1.52.0)=無(wú)父380M(1.52.0)=8061074V考慮到各地方電網(wǎng)的差別教大，選用1200V,即選用KP200A、1200V晶閘管第

48、4章并聯(lián)逆變器并聯(lián)逆變電路是中頻電源的一種基本電路，具有良好的負(fù)載適應(yīng)性和可靠性，因而在生產(chǎn)上應(yīng)用較廣。本章主要介紹了并聯(lián)逆變器的原理、逆變電路參數(shù)的選擇和逆變電路的保護(hù)等內(nèi)容。4.1 弁聯(lián)逆變器的工作原理在中頻加熱電源中，應(yīng)用較普遍的是單相橋式逆變器，它的原理可以用一個(gè)繼電接觸器的例子來(lái)說(shuō)明，如圖4.1所示負(fù)載圖4.1逆變電路的基本原理圖4.2單相橋式逆變器當(dāng)開(kāi)關(guān)A、B閉合時(shí)，電流由（+）端一A一負(fù)載一B一（-）端。當(dāng)開(kāi)關(guān)C、D閉合并同時(shí)打開(kāi)開(kāi)關(guān)A、B時(shí)，則電流的路線由（+）端一C一負(fù)載一D一（-）端。如以相等的時(shí)間問(wèn)隔，交替地合上和打開(kāi)A、B和C、D兩組開(kāi)關(guān)，則負(fù)載上獲得交變電流，其頻率取

49、決于兩組開(kāi)關(guān)在每秒鐘內(nèi)開(kāi)和關(guān)的次數(shù)。為了獲得數(shù)百、數(shù)千赫茲的頻率，就需要一種開(kāi)和關(guān)的速度很快，而又經(jīng)得起高電壓、大電流的開(kāi)關(guān)元件?？煽毓杈途哂锌焖匍_(kāi)通和關(guān)斷的特性，因此它是一種較為理想的元件。我們把圖4.1中的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)改成可控硅元件，就成為一個(gè)單相橋式可控硅逆變器，見(jiàn)圖4.2。由圖可以看出，該電路與單相全波可控整流電路的形式是相同但是輸入端與輸出端互換。現(xiàn)在由整流電路的輸入端，輸出一定頻率的的交流電流，所以稱之為逆變電路。可控硅工作于交流電源的情況下，當(dāng)交流電壓過(guò)零變負(fù)時(shí)，可控硅承受反壓而關(guān)斷。若在逆變電路中電源時(shí)直流電源，即可控硅工作于直流電源的情況下，可控硅能否可靠地關(guān)斷卻是該種電路工作可

50、靠與否的關(guān)鍵。一般采用電容器（即換向電容）來(lái)關(guān)斷可控硅，這樣，負(fù)載回路就不是簡(jiǎn)單的電感或電阻負(fù)載，而是包含有電容器的某種形式的諧振回路。通常中頻加熱的負(fù)載是感應(yīng)線圈，功率因數(shù)一般都很低，它除了吸取有功功率外，還要吸取感性無(wú)功功率，它的無(wú)功功率必須由電容器來(lái)補(bǔ)償。利用補(bǔ)償電容及負(fù)載的諧振特性是可控硅中頻電源的一個(gè)特點(diǎn)。根究電容與負(fù)載連接的方法不同，逆變分為并聯(lián)逆變和串聯(lián)逆變兩種形式。并聯(lián)逆變就是將電容與負(fù)載并聯(lián)組成電流諧振回路，見(jiàn)圖4.3所示。并聯(lián)逆變和串聯(lián)逆變，兩者特點(diǎn)各異，他們都是可控硅中頻電源的基本形式，尤其是并聯(lián)逆變，主要應(yīng)用于感應(yīng)加熱等領(lǐng)域，故目前應(yīng)用得較多，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)也主要討論并聯(lián)

51、逆變器的工作情況網(wǎng)。Ld-汗不(b)Ld圖4.4并聯(lián)逆變器的工作情況(a)圖4.3逆變器（a）并聯(lián)逆變器；（b）串聯(lián)逆變器并聯(lián)逆變器得工作情況，可以在一個(gè)周期內(nèi)分為四個(gè)導(dǎo)通階段來(lái)說(shuō)明，如圖4.4所示。第一階段：向工、T3送入一個(gè)觸發(fā)脈沖使之導(dǎo)通，電流從正端流入Ti、經(jīng)負(fù)載電路、T3,由負(fù)端流回。LC諧振電路受到這個(gè)電流得激磁而產(chǎn)生諧振，電容C上的電壓是左(a0tit2t0(C0iiT2,4iT1,3(b(do圖4.5并聯(lián)逆變器的電流電壓波形正右負(fù)。第二階段是換流階段，當(dāng)?shù)谝浑A段進(jìn)行到諧振電壓扇過(guò)零之前（即還保持電壓左正右負(fù)極性時(shí)），向T2、T4送入觸發(fā)脈沖，瞬時(shí)四只可控硅均處于全部導(dǎo)通狀態(tài)，逆

52、變器的輸入端短路，同時(shí)電容器C兩端也被晶閘管短路。由于中間直流電路用有很大電感Ld不能突變，而電容C被短路，引起很大的放電電流ic（ic也稱換流電流，僅受橋臂串聯(lián)電流電感Lk的限制），換流電流與Ti、T3中的電流相反，使工、丁3關(guān)斷，同時(shí)形成T2、T4中的電流。第二階段的時(shí)間是很短的，在這瞬間，Ti、T3的電流從最大值下降到零，丁2、T2的電流從零上升到最大值，這段時(shí)間稱為換流時(shí)間或重疊時(shí)間t九而相應(yīng)的相角為¥。第三階段：電流經(jīng)過(guò)T2、T4反方向通到負(fù)載電路，電容C兩端的電壓變?yōu)橛艺筘?fù)，第三階段是中頻交流的后半周期。第四階段：在中頻交流后半周期進(jìn)行到一定的時(shí)候，工、T3受觸發(fā)導(dǎo)通，

53、與第二階段的情況一樣，T2、T4將關(guān)斷，使回路恢復(fù)到第一階段的狀態(tài)。圖4.5表示并聯(lián)逆變器的電壓和電流波形。Id是經(jīng)整流輸出的直流電流，由于經(jīng)過(guò)一只大容量Ld的濾波，故電流比較平直。Ti、T3在中頻交流前半個(gè)周期導(dǎo)通后半個(gè)周期關(guān)斷；T2、T4在前半周期關(guān)斷，后半周期導(dǎo)通。導(dǎo)通時(shí)經(jīng)過(guò)管子的電流等于整個(gè)整流輸出的直流電流Id，關(guān)斷時(shí)為零，由于線路中每個(gè)逆變管串聯(lián)有換流電感Lk,使得管子導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)電流的變化不可能瞬時(shí)完成，而是按一定斜率上升和下降。所以圖4.5b和C所示i、iT2和iT3、iT4的波形是一接近于方波的梯形波，梯形波的上升沿和下降沿就是換流時(shí)間tyo逆變橋輸出的電流ia是兩對(duì)橋臂流過(guò)

54、的電流，即前半周期為+ia,后半周期為一ia,從+ia到一ia的換流時(shí)間內(nèi)逐漸完成的，這樣逆變器輸出的中頻電流ia是一個(gè)交變的梯形波（如圖4.5d）,它可分解成基波ia和高次諧波ia3、ia5之和。但是由于逆變器輸出端的負(fù)載使LC組成的并聯(lián)振蕩回路，而諧振回路的固有頻率接近于基波電流ia1的頻率，也就是諧振回路對(duì)iai呈現(xiàn)較高的阻抗乙，而對(duì)ia3、ia5等高次諧波呈現(xiàn)出很小的阻抗Z3、Z5。所以逆變橋輸出的中頻電壓扇劃iaiZi呈現(xiàn)位正弦波（iasZs、iasZs很小，對(duì)總電壓影響甚微）。Ua波形上的兩個(gè)缺口正是換流的階段，因?yàn)榇藭r(shí)諧振回路兩端被四只品閘管全開(kāi)通而短路，所以電壓下降，在換流結(jié)束

55、后又恢復(fù)到相應(yīng)的正弦電壓值。圖45f和g表示可控硅承受電壓的情況。管子Ti、T3在前半周期是導(dǎo)通的，因此管子兩端只有管壓降值（0.60.8V）。在ti時(shí)刻給T2、T4送出脈沖，電路開(kāi)始換流，到t2時(shí)刻換流完成，從開(kāi)始換流的時(shí)刻ti一直到t3,諧振電容C上的電壓仍然保留原來(lái)的方向，所以在tit3時(shí)間內(nèi)，加在工、T3上的電壓是反向電壓。t3以后，電容C上的電壓開(kāi)始換向工、T3才承受正向電壓。確定開(kāi)始換流的時(shí)刻ti是非常重要的，必須在輸出電壓Ua過(guò)零前開(kāi)始換流，并且必須結(jié)束。換流結(jié)束到可控硅管Ti、T3承受正向電壓，必須經(jīng)過(guò)一定的儲(chǔ)備時(shí)間tp（即圖中t2到t3的時(shí)刻，對(duì)應(yīng)的相角為P）,這是因?yàn)榭煽毓?/p>

56、即使正向電流切斷（等于零）以后，阻擋層中載流子復(fù)合，元件重新處于阻斷狀態(tài)和控制極恢復(fù)控制能力需要一定的時(shí)間（即關(guān)斷時(shí)間toff）,儲(chǔ)備時(shí)間必須大于可控硅關(guān)斷時(shí)間（即">tof）。同時(shí)換流時(shí)間t也不能任意短，這是受可控硅的電流上升率耐能的限制，為了限制電流的上升率，逆變電路中必須用聯(lián)換流電感Lk綜上所述，為了保證可靠換流，換流時(shí)間載Ua過(guò)零之前開(kāi)始，這段時(shí)間稱為觸發(fā)引前時(shí)間tf。在波形圖4.5中可以看出，tf=ty+tp,而電流ia超前電壓ua的相角4。可見(jiàn)逆變橋的輸出電流ia,必須超前于輸出電壓Ua才能換流，否則換流失2敗，逆變器就不能正常工作。電流ia超前電壓Ua表明逆變器是按照一定超前功率因數(shù)運(yùn)行，必然是負(fù)載諧振電路呈容性，也就是并聯(lián)電容必須有“過(guò)補(bǔ)償”，電容才能有充足的能量，為換流提供所必須