（检测技术与自动化装置专业论文）钨金属烧结用真空感应烧结炉主供电及监控系统的研究.pdf

中文摘要 论文题目：钨金属烧结用真空感应烧结炉主供电及监控系统的研究 专业：检测技术与自动化装置 硕士生：郝浩( 签名)孟琶i 丝 指导教师：李宏( 签名) 蕉红 摘要 本文以钨金属的烧结为出发点，其烧结加热介于中频感应透热与熔炼之间，针对钨 金属难熔的特点，烧结加热过程中容易出现“黑心 问题，提出了自己的供电电源设计 方案。文中详细介绍了中频感应加热电源的设计原理和参数计算，应用主控芯片 8 0 c 1 9 6 m c 实现了中频感应加热电源的扫频起动、触发角给定调节、电压电流的双闭环 比例积分调节、过流自动保护和对负载频率的自动跟踪。在对钨金属的整个烧结工艺作 出分析的基础上，明确了真空感应烧结炉生产控制要求，应用西门子s 7 2 0 0p l c 作为 下位机控制器，应用组态王软件对整个生产工艺流程实现了实时监控，不但可以实时了 解生产过程中的各种运行参数及状态，也可对历史数据进行存储，供随时调用查看，对 过去工作情况进行分析。最后，给出了论文研究与设计的结果。 关键词：晶闸管中频感应加热电源真空感应烧结炉监控系统 论文类型：应用基础与应用技术研究 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： r e s e a r c ho n p o w e rs u p p l ya n dc o n t r o ls y s t e mo fv a c u u mi n d u c “o n s i n t e r i n gf u r n a c ef o rt u n g s t e ns i n t e r i n g d e t e c t i n gt e c h n i q u ea n da u t o m a t i ce q u i p m e n t h a o h a o ( s i g n a t u r e ) 盟旦殳丘丛2 l ih o n g ( s i g n a t u r e a b s 。j 。r a c t 1t l l i sp a p e f t h es i n t e r i n go f t u n g s t e na st h es t a r t 崦p o i n t ，t h er a n g eo fh e a t i n gi t b 哪垤e nt 1 1 e m e d i u m _ f r e q u e n c yi n d u c t i o n h e a t i n ga n dm e l t i n g f o r t u n g s t e nt h e c t l a r a c t e r i s t l c s0 ir e f r a c t o r ym e t a l s ，h e a t i n gp r o c e s s o fs i n t e r i n gp r o n eo c c 啪e n c eo f ”b l a c k ” p r o b l e m ，p u tt o 删枷。啪p o w e rs u p p l yd e s i g n t h ep a p e rd e t a i l e dt h em e d i 啪雠q u e n c y 1 删u c n o nh e a t l n gp o w e r s u p p l y d e s i g np r i n c i p l e sa n dp a r a m e t e r s ，t h e a p p l i c a t i o no fa m l c r o p r o c e s s o r8 0 c19 6 m c ，t oc o m p l e t et h em e d i u m f r e q u e n c yi n d u c t i o nh e a t i n g p o w e r s u p p l yo ft h es c a n n i n gf r e q u e n c ys t a r t ，t r i g g e r e db yag i v e na n g l ea d j u s t m e n t ，v 0 1 t a g ea i l d c u l l r e n to ft h ed u a l c l o s e d - l o o pp r o p o r t i o n a l i n t e g r a l r e g u l a t o r ,a u t o m a t i co v e r - c u r r e n t p r o t e c t l o n 觚dl o a df r e q u e n c yo fa u t o m a t i ct r a c k i n g i nt h ew h o l e t h es i n t e r i n go f t u n g s t e n p r o c e s sb a s e do nt h ea n a l y s i sm a d ei tv a c u u mi n d u c t i o ns i n t e r i n gf u r n a c ep f o d u c t i o nc 伽仃0 1 陀q u l 心m e n t s ，t h ea p p l i c a t i o no fs i e m e n s $ 7 - 2 0 0p l ca su n d e r - b i tc o n t r o l l e r , t h ea p p l i c a t i o n s o m v a r ek l n g v i e wt h ew h o l ep r o d u c t i o np r o c e s st o c o m p l e t ear e a l t i m em o m t o r i n g n 0 t o n l yc a l lr e a l - t i m eu n d e r s t a n d i n go f p r o d u c t i o np r o c e s s e sa n dt h es t a t u so fv a r i o u so p e r a t i n g p 妣吼e t e r s ，c a i lb es t o r e do ut h eh i s t o r i c a ld a t af o rt h ec a l la ta n yt i m et ov i e w , 0 n a 1 1 觚甜v s i s o f p a s tw o r k f i n a l l y , r e s u l t so ft h er e s e a r c ha n dd e s i g na r e p r e s e n t e d k q w o r d s ：t h y r i s t o r m e d i u mf r e q u e n c yi n d u c t i 。nh e a t i n gp o w e rs u p p j y ，v a c u u m i n d u c t i o ns i n t e r i n gf u r n a c e , m o n i t o r i n gs y s t e m t h e s i s ：a p p l i e df o u n d a t i o na n da p p l i e dt e c h n o l o g ys t u d i e s i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：避 日期：兰! 笙笸：2 z 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 日期：色笙五：口 日期：型蚴 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 煌也互一教 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 2 0 世纪中期以来，航空航天、原子能、军事工业等尖端科技对有色金属和其他特 殊钢的大量需求，促使真空冶金技术的迅速发展。由于钨金属具有熔点高、高温时强度 高、热膨胀系数小、导热性能好、吸收射线能力强和耐蚀性良好的优点，因此在航空航 天、军事工业和电子工业等部门得到了广泛使用。 钨金属属于难熔金属，这种金属的加热介于中频感应透热与熔炼之间，同时要求其 在加热过程中不断跟踪负载的频率变化，传统使用的电阻炉不能实现对负载频率的跟 踪，工业生产中使用真空感应烧结炉对原料进行加热，以实现熔炼、热处理、保温等目 的，尽管随着电力电子变流技术的飞速发展，应用中频或高频电力电子变流技术对真空 感应烧结炉供电电源进行了改造，但一直存在的被加热贵金属产生中心烧不透即所谓的 “黑一i i , 问题，当今已成为有色行业的一个研究热点。真空感应烧结炉可以对熔炼金属 的温度实现精确控制，是有色金属精细加工场合必不可少的设备，这种设备需在几十个 小时内完成炉内抽真空、按工艺要求的温度加热与保温设定曲线对被加热贵金属加热至 2 0 0 0 * ( 2 左右，其控制过程涉及抽真空、感应加热、保温、冷却等工作过程，所以该系统 具有加热需求功率大、控制系统复杂，涉及到有色、真空、液压、机械、电力电子技术、 电气等专业，所以中频感应加热电源的设计、对整个生产工艺流程的控制与监控系统的 自动化水平需要进一步发展和改善。 1 2 中频感应加热的特点与应用 自从工业上开始应用中频感应加热电源以来，在这期间，无论是感应加热理论还是 中频感应加热装置都得到了很大的发展。中频感应加热的应用领域亦随之扩大，其应用 范围也越来越广。究其原因，主要是中频感应加热具有如下一些特点【1 1 1 2 ： ( 1 ) 加热温度高，而且是非接触式加热； ( 2 ) 加热速度快，效率高，从金属内部即从金属的电流透入深度层开始加热的， 这样就很大程度的节省了热传导时间，因此加热速度快，效率高，被加热材料的表面氧 化少； ( 3 ) 温度容易控制，产品质量稳定； ( 4 ) 可以局部加热，工件加热均匀，产品质量好； ( 5 ) 容易实现自动控制，对于中频感应加热装置可频繁的启停，控制温度的精度 高，温差可以控制在一0 0 1 + o 0 1 之间； ( 6 ) 节能环保，对大气及周围环境无污染( 热、灰尘等) ，作业占地面积少，生产 效率高； ( 7 ) 能加热形状复杂的工件。 在应用领域方面，中频感应加热可用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等过程，己 西安石油大学硕士学位论文 成为冶金、国防、机械加工等部门及铸锻和船舶、飞机、汽车制造业等不可缺少的一部 分。 1 3 真空感应烧结炉控制技术和中频感应加热电源的发展概述b q 饰埘1 我国2 0 世纪5 0 年代中期起就开始仿制真空感应烧结炉，但炉子的容量一直停留在 2 0 0 k g 以下。按国内的工业水平，在真空获得设备( 真空泵和真空阀门) 方面不存在大的 障碍，可以在国内配套。但国产的传感元件、电控元器件的质量问题严重地影响了国内 真空感应烧结炉电控系统的发展，个别元器件和设备、甚至电源国内尚无法配套，需要 从国外采购。由于主要是模仿国外早期产品，所以国内真空感应烧结炉电气自动化控制 系统的水平普遍偏低，主要性能指标大打折扣。近几年随着国产电气元器件制造水平的 提高以及计算机技术的推广普及，国内真空感应烧结炉电气自动化控制系统的水平也有 了很大的发展，但还远未达到智能化控制的水平。 国外真空感应烧结炉虽然起步较早，但由于感应炉熔炼不像高炉、电弧炉等其他主 流熔炼设备应用广泛，研究者比较少，而对真空感应烧结炉熔炼控制技术的研究就更少 了。所以，尽管国外真空感应烧结炉电气自动化控制系统发展较快，但在应用智能控制 理论方面相对于其它熔炼设备来说进展也比较缓慢。 国际上研制和生产真空感应烧结炉的主要几家公司有德国a l d 公司、美国 c o n s a r c 公司以及奥地利的i n t e c o 公司等。他们在技术交流时都打出本公司产品 具有智能控制的招牌，但由于商业秘密等原因，公开发表资料上，涉及智能控制思想的 软件算法等核心技术所谈甚少。尽管如此，在他们最新的产品及产品介绍中智能控制思 想已初露端倪。 中频感应加热电源是感应加热的关键设备。在现代工业生产中，熔炼金属即对工件 进行透热、淬火和弯管等，常常采用中频感应加热电源装置( 1 5 0 h z - 1 0 k h z ) 作为感应加 热电源。随着电力电子技术和电力电子器件的发展，中频感应加热电源在不同的时间段 有了不同的发展。 在电力电子技术出现以前，中频感应加热电源多采用中频发电机组，但自从晶闸管 出现后，2 0 世纪6 0 年代后期出现了晶闸管中频感应加热电源，由于它较中频发电机组 有较多技术经济上的优点，因而得到了越来越广泛的应用。 晶闸管中频感应加热电源与中频发电机组相比，具有以下优点： ( 1 ) 产品设计简单，制造方便，不需要大量的模具和加工设备，因此一般工厂都 可以生产，且生产周期较短； ( 2 ) 体积小，重量轻，材料消耗少。可以节约硅钢片、铜材和钢材； ( 3 )电效率高，晶闸管中频感应加热电源装置效率一般在9 0 以上，而中频发电 机组只有8 5 左右： ( 4 ) 在运行中能根据负载变化而自动调整频率，无需频繁切换补偿电容器，使装 置在工作过程中功率因数基本上保持不变，系统的输出功率一直保持在额定值上，从而 第一章绪论 能在较短的时间内完成对负载的感应加热，易于实现自动控制； ( 5 ) 这种电源装置没有旋转部分，运行可靠，维护简单，运行中噪音和振动较小， 安装简单，不需要特殊的基础，运输移动方便。 自从第一台晶闸管中频感应加热电源出现直到2 0 世纪7 0 年代末，由于电力电子技 术尚处于传统技术阶段，感应加热电源中的整流、逆变全由晶闸管组成，工作频率低， 噪音高，控制系统一般采用分立元件构成，这段时期的技术发展主要是容量的扩大和控 制手段的提高，采用较复杂的电路拓扑结构来提高工作频率。 2 0 世纪7 0 年代后期，以电力晶体管、门极可关断晶闸管和电力场效应晶体管为内 容的全控型功率半导体器件的商品化，使电力电子技术出现了一次飞跃。进入2 0 世纪 8 0 年代以后，半导体工艺日渐成熟，并不断产生新技术，出现了大功率半导体器件模 块，使电力电子装置的体积大为减小，而且大大提高了效率和可靠性。在2 0 世纪8 0 年 代后期，不仅已有的g t r 、p o w e rm o s f e t 器件容量不断地提高，而且出现了绝缘 栅双极晶体管( i g b t ) 、静电感应晶体管( s i t ) 、静电感应晶闸管( s i t h ) 、m o s 控制晶 闸管( m c t ) 等新型自关断器件，它们为全固态中高频感应加热电源的推广普及提供了 条件。i g b t 、s i t h 在几十千赫兹频段内得到了大量应用，而s i t 、m o s f e t 器件则是 在1 0 0 k h z 以上频段的应用中富有生命力。 但是，在我国由于诸多原因，比如技术、价格等，诸如s i t h 、s i t 等先进的元器件 都没有很好的应用在中频感应加热电源中，晶闸管还在占据着主导地位。 1 4 真空感应烧结炉控制技术上的发展趋势 真空感应烧结炉控制技术上的发展主要表现在以下几方面 3 】： ( 1 ) 从技术、经济方面考虑，进一步改进了电磁搅拌和惰性气体搅拌的控制，同 时与成分控制、温度控制以及烧结炉寿命控制相协调考虑。 ( 2 ) 熔炼电源由早期的电动机一发电机变频机组发展成为晶闸管、i g b t 等电力电 子器件为主的变频电源。变频电源的频率在一定的范围内是变化的，能自动跟踪适应炉 料的变化所引起的感应加热系统固有频率的变化，无需通过大电流接触器切换电容器。 大大提高了系统的响应速度，使熔炼功率快速、准确地调整成为可能。 ( 3 ) 可编程序控制( p l c ) 技术，使得真空感应烧结炉设备的自动化和半自动化 运行成为可能。设备严格按用户设置的程序运行，工艺技术条件得以严格控制，可重复 性强。对设备运行和工艺过程实施高度控制。 1 5 中频感应加热电源的发展趋势 中频感应加热电源的发展趋势【6 】【3 2 】【3 3 】： ( 1 ) 大容量化从电路的角度来考虑中频感应加热电源的大容量化，可将大容量 化技术分为两大类：一类是器件的串、并联，另一类是多台电源的串、并联。在器件的 串、并联方式中，必须认真处理串联器件的均压问题和并联器件的均流问题，由于器件 制造工艺和参数的离散性，限制了器件的串、并联数目，且串、并联数越多，装置的可 3 西安石油大学硕士学位论文 靠性越差。多台电源的串、并联技术是在器件串、并联技术基础上进一步大容量化的有 效手段，借助于可靠的电源串、并联技术，在单机容量适当的情况下，可简单地通过串、 并联运行方式得到大容量装置，每台单机只是装置的一个单元或一个模块。中频感应加 热电源逆变电路主要有并联和串联两种方式，串联逆变电路输出可等效为一低阻抗的电 压源，当两电压源并联时，相互间的幅值、相位和频率不同或波动时将导致很大的环流， 以致逆变电路元器件上的电流产生严重不均，因此串联逆变电路存在并机扩容困难；而 对并联逆变电路，逆变电路输入端的直流大电抗器可充当各并联元器件之间的电流缓冲 环节，使得输入端的a c d c 或d c d c 环节有足够的时间来纠正直流电流的偏差，达到 多机并联扩容。 ( 2 ) 智能化、复合化控制智能化指的是电力电子器件本身，具有过电压、欠电 压、过电流、过热等检测与保护功能。复合化指的是在一个功率模块内有一个或多个功 率器件的电路。因此，采用智能化与复合化的集成电路将使元器件数量减少，自动组装 降低了成本，电路本身具有诊断与保护等功能而提高了可靠性。随着中频感应加热处理 生产线自动化控制程度及对电源可靠性要求的提高，中频感应加热电源正向智能化控制 方向发展。具有计算机智能接口、远程控制、故障自动诊断等控制性能的中频感应加热 电源正成为下一代发展目标。 ( 3 ) 效率高、可靠性高中频感应加热电源多应用于工业现场，其运行工况比较 复杂，它与钢铁、冶金和金属热处理行业具有十分密切的联系，它的负载对象各式各样， 而中频感应加热电源逆变电路与负载是一有机的整体，负载直接影响到电源的运行效率 和可靠性，从磁性材料选择到绕组结构的设计已成为一个重要课题，实现高效、低成本 的匹配。 ( 4 ) 高功率因数，低谐波电源 由于中频感应加热用电源一般功率都很大，目前 对它的功率因数、谐波污染指标还没有严格要求，但随着对整个电网谐波污染要求的逐 步提高，具有高功率因数( 采用大功率三相功率因数校正技术) 、低谐波污染的中频感应 加热电源必将成为今后发展的趋势。 1 6 课题的来源及意义 本论文的选题正是针对现用真空感应烧结炉存在的不足，借助于电力电子器件、p l c 和微型计算机控制技术等先进控制手段，研究真空感应烧结炉的新型主供电方式和监控 系统，达到使用方便，加热效果好、现场调试工作量小，调整控制方便、自动化程度高 等优良效果。 根据工业实际使用需要与横向科研项目紧密结合而设立的自选课题。 1 7 论文的主要内容 论文首先介绍了中频感应加热电源和真空感应烧结炉的发展概况，并对中频感应加 热电源的结构组成作出分析和比较。其次，根据论文工作的需要设计出一种能够自动跟 踪负载谐振频率的中频感应加热电源，并对真空感应烧结炉的结构以及工作时的工艺流 4 第一章绪论 程进行了介绍，根据监控要求设计出真空感应烧结炉的监控系统。最后，对调试结果作 出说明，并作出总结和展望。 西安石油大学硕士学位论文 第二章中频感应加热电源的结构及工作原理分析 2 1 中频感应加热电源的基本结构 中频感应加热电源是一种将三相工频交流电转换为单相中频交流电的装置，其变频 电路可以分为两大类：交一交变频电路和交一直一交变频电路，前者的特点是将5 0 h z 的 工频交流电直接变成频率为厂的中频交流电，没有直流中间环结。这种变频电路的优点 是效率较高，但电路复杂，目前应用极少。随着电力电子技术及电力电子器件的发展， 已形成了一种固定的交一直一交变频电路结构，基本结构如图2 - 1 所示。这种电路结构特 点是有直流中间环节，通过整流电路先将工频交流电整流成直流电，再通过逆变电路将 它变成频率为厂的交流电。它具有电路简单，调试方便，运行可靠，效率可达9 0 以上 等优点，目前国内外应用较多。 图2 - 1 感应加热中频电源的基本结构框图 2 2 整流电路原理分析吲 通常来说整流电路是利用晶闸管的可控性和单向导电性，可以很方便的把交流电变 成大小可调的直流电，即可控整流。晶闸管整流电路分交流侧和直流侧，交流侧为供电 电源，直流侧接负载。 整流电路是中频感应加热电源的重要组成部分，其作用是将三相工频交流电能转换 为直流电能，此外整流电路还需要完成功率调节和故障保护的任务。目前在各种整流电 路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，本论文的设计也采用三相桥式全控整 流电路，其原理图如图2 2 所示，习惯将其中阴极连接在一起的3 个晶闸管( v t l 、v t 3 、 v t 5 ) 称为共阴极组；阳极连接在一起的3 个晶闸管( v t 4 、v t 6 、v t 2 ) 称为共阳极组。 2t l2c r r 32 - 一 a b 2 - c v t 62 2土v t 42 i 图2 - 2 三相桥式全控整流电路原理图 6 此外，习惯上希望晶闸管按从l 到6 的顺序导通，为此将晶闸管按图2 2 所示的顺 序编号，即共阴极组中与a 、b 、c 三相电源相接的3 个晶闸管分别为v t l 、v t 3 、v t s ， 共阳极组中与a 、b 、c 三相电源相接的 分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺 三相桥式 路，其中1 个 闸管的脉冲按 3 个晶闸管分别为v t 4 、v t 6 、v t 2 。从后面的 序为v tz v t 2 一v t 3 v t 4 一v t 5 v t 6 。 全控整流电路每个时刻均需两个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回 晶闸管是共阴极的，1 个是共阳极的，且不能为同一相的晶闸管；6 个晶 v t l ：v t 2 v t 3 v t 4 v t 5 v t 6 的顺序，相位依次差6 0 0 ；共阴极组v t l 、v t 3 、 v t 5 之间的脉冲依次相差1 2 0 0 ，与共阳极组v t 4 、v t 6 、v t 2 也依次相差1 2 0 。；同一 的上下两个桥臂，即v t l 与v t 4 ，v t 3 与v t 6 ，v t 5 与v t 2 ，脉冲相差1 8 0 。由 电感很大，整流电流基本是连续平直的，无论任何触发角每个晶闸管在一个周期 通角总是1 2 0 。u a 为整流输出电压，蝴的波形是根据触发角a 的不同而变化的， 给出的就是带阻感负载时不同a 的输出电压波形。 溺一一 赵r hh x , 赵, , h 瑟i , h 缓k t _ 勰一 邀i,it蔓it蔓it：!；：i,基it基it基1,：!：1戮a,、 ( b ) 于滤 相 波 内的导 图2 3 、， 一r 3 3 靠6 7 夕0 石 2 x 1 0 3( 3 - 1 1 ) 1 4 第三章中频感应加热电源控制电路硬件设计 ： ! ：鱼z 兰三兰q 兰! q ： m h ：1 1 7 m h ( 3 1 2 ) 2 7 r 5 0 1 2 1 6 9 6 式中o m = 2 n f m 由于在主电路中整流电路为三相桥式全控整流，可得 肠f ：1 2 。 所以，滤波电感l d = l d ( 3 ) = 1 1 7 m h 。 3 1 4 逆变电路参数计算 在逆变电路的参数计算中，换相电感所的计算值关系到逆变电路能否可靠起动。 由于起动过程中负载电压低于稳态值，换相能力下降。三t 越大，换相能力便越差，因 此在保证稳态可靠工作的前提下，尽可能选择小的三t 【1 2 1 。 ( 1 ) 逆变电路输出电压均方根值巩的计算： u h - ：兰z 旦：z 墨v ：6 0 4 0 3 v ( 3 1 2 ) 0 9 c o s 仍0 9 0 8 6 6 ( 2 ) 逆变电路中晶闸管正向峰值电压阢，r m 的计算： u d 蹦= k v 魄。f 1 2 x4 7x 6 0 4 0 3 v = 1 0 2 5 0 7 v ( 3 1 3 ) 式中研h 一最大电压幅值，其值为= 互阮； 同样在逆变电路中，晶闸管反向峰值电压u 删= u d m v i = 1 0 2 5 0 7 v 。 ( 3 ) 逆变电路中晶闸管正向峰值电流矗m 的计算： 矗耥老x 1 0 3 = 1 2 x 淼枷3 6 5 a 式中墨一电流安全裕量系数，取1 2 。 ( 4 ) 逆变电路中晶闸管关断时间岛的计算： 社e 卜瓦毓j g - 1 5 ) ：o 8 l8 3 3 3 一三兰旦三二生ip s l 2 4 7 0 7 8 1 0 0l 。 = 6 1 9 9 9 s 式中t , = q o l 2 ，t f ( 尢为弧度) ，已知q ，l = 3 0 。，f 取1 0 0 0 ，则乇= 8 3 3 3 9 s ； 其d e a n 管选取k o = o 8 ，o i d t ) m = l o o a t s 的快速晶闸管。 由式上述计算可得：逆变电路选择关断时间t q = 5 0 1 a s 、( a l l d o = 1 5 0 a g s 、 1 6 0 0 m 1 2 0 0 v 的快速晶闸管。 ( 5 ) 逆变电路中换相电感三t 的计算： 西安石油大学硕士学位论文 三t 一u h m s i n f l ( 3 1 6 ) 2 i di d t ) 由铲商蒜2 茄盎i t s = 1 1 6 8 9 s 户仍+ 罢：仍+ 华( 万为弧度) ( 3 1 8 ) ：3 0 。+ 兰兰! 鱼垒：兰! q q q 兰! ! ：鱼! 兰! q 二 2 = 3 4 2 0 0 可知s i n b k 0 5 6 ，代入式( 3 1 5 ) 可得： l t 8 5 4 2 3 x 0 5 6 1 t h - - 2 3 9 1 a h 。 2 1 0 0 所以，取l r = 3 9 h 。 ( 6 ) 逆变电路阻容元件的计算与整流电路阻容元件的计算原理相同，由式3 8 可 得逆变电路阻容元件c s 取5 9 f 、1 1 0 0 v a c 的电容器，r 。取3 0 q 的电阻。 3 2 电路控制策略的介绍 3 2 1 整流电路的控制n 3 1 三相桥式全控整流电路的控制选用高性能三相移相触发集成电路t c 7 8 7 作为触发 控制电路的核心。 t c 7 8 7 是采用独有的先进i c t _ 艺技术，并参照国外新集成移相触发集成电路而设计 的单片集成电路。它可单电源( 8 v 1 8 v ) 工作，也可双电源( 4 v 9 v ) 工作，主要 适用于三相晶闸管移相触发和三相功率晶体管脉宽调制电路，它是目前国内外市场上广 泛使用的t c a 7 8 5 及k j ( 或k c ) 系列移相触发集成电路的换代产品，与t c a 7 8 5 及k j ( 或 k c ) 系列移相触发集成电路相比，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰能力强、 移相范围宽、外接元件少等优点。t c 7 8 7 可以同时产生六路相序互差6 0 。的输出脉冲，三 相触发脉冲移相角可在0 0 1 8 0 0 之间可调，它的封装方式为双排直插式，共有1 8 只引脚。 如图3 2 为t c 7 8 7 管脚排列示意图。l 、2 、1 8 脚分别为阢、玩、以的同步电压信 号的输入端，4 脚的移相电压为0 2 1 3 v ，移相电压通过电位器调节，移相极性为移相 电压增加，输出的导通角愈大。5 脚为输出保护端，当5 脚电位大于或等于1 2 v ，六路 脉冲全部被封锁，系统处于保护状态；当5 脚电位小于等于3 v 时，系统正常工作。6 脚为功能选择端。当6 脚接低电平( v l ) 时，输出为半控方式，1 2 、l l 、1 0 、9 、8 、7 分别输出a 、c 、b 、a 、c 、b 的单触发脉冲；当6 脚接高电平( v i i ) 时，输出为全 控方式，1 2 、l l 、1 0 、9 、8 、7 分别输出a ，c 、c ，b 、b ，a 、- a ，c 、c ，- b 、b ， a 。1 3 脚接的电容c x 确定输出脉冲的宽度，电容越大脉冲越宽，在5 0 h z 情况下，若 1 6 第三章中频感应加热电源控制电路硬件设计 民选0 0 1 9 f ，则其脉冲宽度大约为0 5 m s ，若需要输出在0 。1 8 0 。范围内满幅可调，则 c x 值应大于0 2 9 f 。1 4 、1 5 、1 6 脚接的积分电容在5 0 h z 时一般选0 1 5 1 t f 左右，为保 证锯齿波的一致性，3 个积分电容相对误差应控制在5 以内，较高频率时为保证电容 积分幅值，电容应减小。 仉 仉 u s s 研 p j p c b 一b a c c 一b a ，一a c 以 v c c c i c t c b c i a 九一c c ，一c 。b b b 一a 图3 - 2t c 7 8 7 管脚排列示意图 t c 7 8 7 的内部结构及工作原理如图3 3 所示。从图3 3 中可知，在它们内部集成有 三个过零和极性检测单元、三个锯齿波形成单元、三个比较器、一个脉冲发生器、一个 抗干扰锁定电路、一个脉冲形成电路、一个脉冲分配及驱动电路。它们的工作原理可简 述为：经滤波后的三相同步电压通过过零和极性检测单元检测出零点和极性后，作为内 部三个恒流源的控制信号。三个恒流源输出的恒值电流给三个等值电容c a 、c b 、c c 恒 流充电，形成良好的等斜率锯齿波。锯齿波形成单元输出的锯齿波与移相控制电压珥 仉纠过鬻性h 群 c i 一 1 6 武 。以疗 戚 过零和极性ii 锯齿波 检测li 形成 过零和极性il 锯齿波 检测 ii 形成 眇 魄c 抗 干 扰 锁 定 电 路 脉 冲 形 成 电 路 脉冲发生器 p c ， 6 脉 冲 分 配 及 驱 动 电 路 ! h ih ! 多叫苎 珥魄 c i 丰b 图3 - 3t g 7 8 7 的内部结构及工作原理 c a 忑 b a c a r 丸 卜 b 卜 g 卜 = 篡吣一 缈凡v念丫贪【等 西安石油大学硕士学位论文 比较后取得交相点，该交相点经集成电路内部的抗干扰锁定电路锁定，保证交相唯一而 稳定，使交相点以后的锯齿波或移相电压的波动不影响输出。该交相信号与脉冲发生器 输出的脉冲( 对t c 7 8 7 为调制脉冲) 信号经脉冲形成电路处理后，变为与三相输入同 步信号相位对应且与移相电压大小适应的脉冲信号，送到脉冲分配及驱动电路。假设系 统未发生过电流、过电压或其它非正常情况，则引脚5 禁止端的信号无效，此时脉冲分 配电路根据用户在引脚6 设定的状态完成双脉冲( 引脚6 为高电平) 或单脉冲( 引脚6 为低电平) 的分配功能，并经输出驱动电路功率放大后输出，一旦系统发生过电流、过 电压或其它非正常情况，则引脚5 禁止信号有效，脉冲分配和驱动电路内部的逻辑电路 动作，封锁脉冲输出，确保集成电路的6 个引脚1 2 、l l 、1 0 、9 、8 、7 输出全为低电平。 3 2 2 同步电压信号检测电路n 羽n 5 1 同步电压信号检测电路采用了如图3 4 所示的同步电路，k 。，k b ，k 分别接三相交 流电a 、b 、c 的三相，电位器r p l 、r p 2 、r p 3 分别用来调节三相锯齿波的平衡度。同 步电路以3 个光耦为中心，三相电源电压信号经过电阻电容组成的限流移相网络后，由 光耦隔离传输到次级，形成触发电路所需的同步信号。因为t c 7 8 7 的1 8 管脚为砺同 步电压信号的输入端，所以同步电路输出的电压信号以接到t c 7 8 7 的1 8 管脚，同理 、阢分别接到t c 7 8 7 的2 、l 管脚。同时，此电路还可消除变流装置产生的谐波对同 步电路的影响。 + l s v g n d 图3 - 4 同步电压信号检测电路 3 2 38 0 c 1 9 6 m c 的简介n 6 1 n 7 1 8 0 c 1 9 6 m c 是i n t e l 公司推出1 6 位微处理器，它以一个c 1 9 6 为核心、一个三相波 第三章中频感应加热电源控制电路硬件设计 形发生器w g 和若干个其它片内外设构成。其它外设装置包括一个a d 转换器、一个 事件处理阵列( e p a ) 、两个定时器和一个脉宽调制单元p w m ( 两个p w m 输出) 。 8 0 c 1 9 6 m c 的指令丰富，且无累加器瓶颈，处理能力强，效率高。 8 0 c 1 9 6 m c 有很多优点，这里不在一一罗列，这里主要介绍8 0 c 1 9 6 m c 最具特色 的三个：w g ( 波形发生器) 、e p a ( 事件处理阵列) 和p t s ( 外围事件服务功能) 。 ( 1 ) 波形发生器w g ( w a v eg e n e r a t o r ) 是8 0 c 1 9 6 m c 独具的特点之一。这一外 设装置大大简化了用于产生脉冲波形的控制软件和硬件，波形发生器从功能上可分成三“ 部分：时基发生器、相位驱动通道和控制电路。 控制部分主要包括控制寄存器( w gc o n ) 和输出寄存器( w go u t ) ，控制寄 存器负责允许或禁止计数器工作，确定计数器的方向，控制工作方式，并为全部的三相 信号输出确定死区时间。输出寄存器对管脚的输出进行设置，确定输出极性( 高电平有 效或低电平有效) ，以及控制对寄存器的立即改变还是由事件驱动同步进行数据更新。 此外还有双向寄存器( w gc o u n t ) 、重装载寄存器( w gr e l o a d ) 和相比较缓冲 寄存器( w gc o m p x ) 三个寄存器。 与波形发生器有关的中断有两种：w g 中断和e x t i n t 中断。 w g 中断是重装载w gc o u n t 时产生。不同的工作方式，有不同的重装载方式， 每个p w m 周期，方式0 在w gc o u n t = w gr e l o a d 时产生一次w g 中断，方式l 在w gc o u n t = w gr e l o a d 和w gc o u n t = i 时都产生中断。 e x t i n t 中断由保护电路产生。可编程设置产生中断的方式，在整个系统检测过流 信号，保护电力电子器件。 改变w g r e l o a d 就改变载波频率，也就是改变输出脉冲的频率。在中心对准方 式中，载波周期死的计算公式为： 耻兰兰坚；堕生q 塑( )(319)tts l ( 芦一k )i j f 二 。 式中w gr e l o a d - - 1 6 位值： f k l x 1 a l l 管脚上的晶振频率。 不考虑死区时间，输出“有效”时间的计算公式为： 瓦t - 4 x w g t c o m p x ( )(一-20)1l a s 3 - 2 0 ) o t - 言。一l jl ，枷l 式中w gc o m p x 1 6 位值。 由此可以得出，在忽略死区时间的情况下，占空比的计算公式为： 占空比：! 鉴l 墨婴壁妥1 0 0 ( 3 2 1 ) w gr e l o a d 西安石油大学硕士学位论文 另外，w g 还具有保护电路，它主要是在软件的控制下或在一次外部事件( 作用于 e x t i n t 管脚上) 的作用下，同时禁止波形发生器的全部6 个输出。这个外部事件还会 产生一次e x t i n t 中断。这个外部事件即可以是电平触发的，也可以是边沿触发的，由 软件选择。在本系统中，它接保护电路的输出。 ( 2 ) 从8 0 c 1 9 6 k r 以后，i n t e l 公司在1 6 位单片机中，相当于8 0 9 6 单片机的高速 输入口h i s 和高速输出口h s o ，但增强了功能，称之为事件处理器阵列e p a ( e v e n t p r o c e s s o ra r r a y ) 。在e p a 中，每个捕获寄存器( 处理输入事件) 和比较寄存器( 处理 输出事件) 都是与指定的输入输出引脚相关联的，输入方式时可用于捕捉输入引脚的 边沿跳变( 上升沿、下降沿或任一种跳变) ，输出方式则可用于定时器计数器与设定常 数的比较，这种结构有助于减少中断处理中的软件开销，程序设计也比较容易。e p a 有 加l 减l 两个1 6 位定时计数器。定时计数器如果对片内时钟脉冲进行计数，称为定时 器；如果对外部脉冲进行计数，则称为计数器。e p a 存储时间值和控制事件的寄存器构 成捕捉比较方式，具有四个相同的捕捉比较模块，可分别设置成不同的工作方式。每 个捕拙比较模块支持1 个引脚的高速输输出功能，每个比较模块支持1 个引脚的输 出功能。此外，e p a 有多种工作方式，所有e p a 模块都能产生中断，使用更灵活。 ( 3 ) 外围事件服务功能p t s ( p e r i p h e r a lt r a n s a c t i o ns e r v e r ) 对中断可提供一种类 似d m a ( 直接存储器访问) 的响应，可用微指令码来替代中断服务程序，设置后自动 执行，不需要c p u 的干预，这样c p u 开销相比一般中断响应要小得多。普通的中断响 应是使正常的指令流转向执行中断服务程序，中断调用、保护现场( p u s h a 、p o p a ) 并执行r e t 指令，这样就使得c p u 增加了额外开销。p t s 响应把同一个中断映射到相 应的p t s 通道，该通道产生一个p t s 周期，p t s 周期就象d m a 周期那样插入到正常 指令流中，不需要上述额外的软件开销。 3 2 4 逆变电路的控制 逆变电路的控制核心任务就是对负载谐振频率的跟踪，进而不断的调整逆变脉冲的 频率。控制电路采用i n t e l 公司生产的8 0 c 1 9 6 m c 的微处理器，其具有内置的波形发生 器使之能高效、可靠地完成逆变脉冲的变频任务。逆变控制电路结构如图3 5 所示。 控制电路主要由微处理器8 0 c 1 9 6 m c 、高速锁存器7 4 h c 3 7 3 、电可擦除只读存储器 e 2 p r o m 2 8 6 4 ( 8 k 字节) 、译码器( g a l l 6 8 v 8 ) 、复位电路及检测采集电路等组成。 8 0 c 1 9 6 m c 采用8 位外部数据总线，+ 5 v 电源供电，e 2 p r o m 2 8 6 4 作为程序存储器，数 据存储器由片内的5 1 2 字节寄存器充当。外围电路功能主要有开、关机信号电路，反馈 电压、电流采集电路，过流保护电路及声光报警电路等。中频电流过零信号取自逆变晶 闸管触发脉冲端，送入比较捕获引脚c a p o ，电压过零检测电路将中频电压过零信号送 入引脚c a p l ，而反馈电压、电流经采集电路后分别引入8 0 c 1 9 6 m c 的a d 通道a c h o 和a c h l ，具体的检测和采集电路以及相位关系将在后文中详细说明。p 2 5 、p 2 6 引脚用 于工作模式指示，p 6 6 引脚用于声光报警信号。总之，根据中频感应加热电源的要求， 第三章中频感应加热电源控制电路硬件设计 逆变控制电路有以下四个主要功能： ( 1 )能对负载频率进行跟踪，通过对逆变角偏大偏小的判断，来调整频率实现自 动跟踪； ( 2 ) 能根据反馈的电压、电流值进行比例积分调节，使输出功率恒定； ( 3 ) 当逆变电路发生过电流故障时，迅速反应，进行保护； ( 4 ) 当逆变电路发生故障( 如过流等) 时，通过8 0 c 1 9 6 m c 的引脚p 6 7 可对整流 电路的控制芯片t c 7 8 7 进行控制，封锁整流电路触发脉冲。 “ 图3 5 逆变控制电路结构图 3 3 外围电路的设计 3 3 1 电压过零检测电路 中频电压信号由1 0 0 0 ：2 0 电压互感器从逆变电路输出端取出，经过隔离变压器一端与 控制电路共地，另一端输入中频电压过零检测电路。如图3 6 所示电压过零检测电路，电 压信号经过r 1 、c l 和恐、c 2 分别组成的一、二阶滤波后，送至电压比较器l m 3 2 4 ，再经 过滤波送至l m 3 3 9 与零电平进行比较，产生表示中频电压过零的方波信号。方波信号再 经滤波、放大后送至8 0 c 1 9 6 m c 的比较捕获单元弓 脚c a p l 【l 8 1 。 由于逆变晶闸管的开关就是导通或关断电流，形成负载上的中频电流。中频电流信 号的相位则与逆变晶闸管触发脉冲的相位相差值为定值p ，这个角度可以由8 0 c 1 9 6 m c 经 2 l 西安石油大学硕士学位论文 计算得出，逆变触发脉冲加上固定的补偿量即可得出中频电流相位，直接取单片机发出 的逆变触发信号作为中频电流过零信号，送至8 0 c 1 9 6 m c 的引脚c a p o 。 g 藤篱2 4 图3 - 6 电压过零检测电路 3 3 2 反馈电压采集电路 要实现输出电压、电流的