dq072KGP-250-10晶闸管中频加热电源
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江阴职业技术学院毕业设计说明书 第 1 页 共 32 页 江阴职业技术学院 毕业论文 课题： KGP-250-10晶闸管中频加热电源 专题 主电路的分析与设计 专 业 电 气 自 动 化 技 术 学 生 姓 名 钱 程 班 组 04 自动化（ 2）班 学 号 20040301240 指 导 教 师 陆 斌 完 成 日 期 2006.12.1 nts江阴职业技术学院毕业设计说明书 第 2 页 共 32 页 摘 要 本设计主要是分析由半导体二极管、晶闸管、大功率晶体管等元件组成的三相桥式可控整流电路、单相桥式并联逆变电路、保护电路以及继电器接触器控制电路等的工作原理和参数计算，并对整流触发电路和晶闸管中频电源等原理作专门的分析；其次，根据本次设计要求，利用系统软件绘制出了各个电路的原理图和曲线图，并附带了元器件列表。 Abstract The analysis is designed mainly by the semiconductor diode, thyristor. High-power transistors and other circuit elements, the three-phase controlled rectifier bridge, parallel single-phase inverter bridge circuit. relay contactor control and protection circuit for the working principle and circuit parameters. IF triggered thyristor power rectifier circuit and also other principles for specialized analysis; Second, under the current design requirements, use the software to map out the various circuit diagram and curves, and the components attached table. nts江阴职业技术学院毕业设计说明书 第 3 页 共 32 页 前 言 感应加热是一种常见的加热方式，广泛用于金属冶炼、工件透热、淬火、焊接等工艺，也是电力电子技术的一个重要应用领域。感应加热电源分为中频电源、高频电源和超音频电源。一般对频率为 10KHz以下的电源为中频电源。 本设计共分为八章，第一章是对感应加热原理的分析；第二章是对 无铁心感应电炉对晶闸管中频电源输出的要求 的分析；第三章是对主电路的分析；第四章是对整流触发电路的分析；第五、第六、第七章则是对并联逆变器的启动、保护系统和控制电路的原理分析，也包括它们的参数计算；而第 八章则是做完本篇设计后所作的总结。为了更方便地了解所学知识，在附录中还附带了所涉及到的元气件的型号和参数。 由于本人所学有限，所涉及的范围较窄，如果考虑的不够全面，望见谅！ nts江阴职业技术学院毕业设计说明书 第 4 页 共 32 页 目 录 绪论 . 5 第一章 感应加热的基本原理 6 1.1 感 应加热的基本原理 6 1.2 感应加热电源的发 展动态 8 1. 3 感 应加热电源技术的发展趋势 10 第二章 无铁心感应电炉对晶闸管中频电源输出的要求 .11 2.1 对中频输出频率的要求 11 2.2 对中频输出频率的要求 11 2.3 大容量感应炉对中频电源的要求 11 2.4 其他要求 11 第三章 主电路的工作原理及参数计算 13 3.1 晶闸管电源的工作原理 13 3.2 三相全控整流电路的工作原理 13 3.3 单相桥式并联逆变器的工作原理 14 3.4 逆变电路的参数计算 18 第四章 整流触发电路的工作原理 21 4.1 对整流触发电路的基本要求 21 4.2 触发电路的工作框图 21 4.3 触发电路的电气原理图 22 第五章 并联逆变器的启动 23 第五章 保护系统及保护器件的选择 25 6. 1 限电流限电 压电路 25 6. 2 过电压过电流保护 25 6.3 快速熔断器，硒堆及阻容吸收保护 25 6. 4 保护器件的选择 25 第六章 继电器接触器控制电路 29 第八章 毕业设计及心得体会 30 第九章 致谢 31 附录 参考文献 nts江阴职业技术学院毕业设计说明书 第 5 页 共 32 页 绪论 晶闸管是晶体晶闸管的简称，又称作可控硅整流管，它最 大的特点是容量大、电压高、损耗小、控制灵便、易实现自动控制，是大功率电能变换与控制的较理想器件。由于通过它的单相电流可以很大，且能够采用弱电信号控制其开通，因而它自问世以来，使用极为广泛。随着半导体制造技术和变流技术的发展，相继成功研制出了可关断晶闸管（ GTO）、电力晶体管（ BJT 或称 GTR）、功率场效应管 MOSFET、绝缘栅双极晶闸管（ IGBT）以及新型的 MCT、 SIT、功率集成模块PIC、智能功率模块 IPM 等。目前，晶闸管在各工业部门应用都极为广泛，在中频加热方面的应用也很成功。 本设计利用我们 在课堂上所学的基本知识，从分析工作原理入手，逐步分析主电路、保护电路、参数的计算、保护系统等，使我们掌握了课堂设计的步骤，对中频加热电源有了较深入的了解。 nts江阴职业技术学院毕业设计说明书 第 6 页 共 32 页 第一章 感应加热的基本原理 1.1感应加热的基本原理 晶闸管中频电源装置是一种利用晶闸管元件把三相工频电流变换成某一频率的中频电流的装置，主要是在感应熔炼和感应加热的领域中代替以前的中频发电机组。中频发电机组设备体积大，生产周期长，运行噪声大，而且它是一种固定频率的设备，运行时必须随时调节电容的大小才能保持最大输出功率，这不但增加了不少中频接 触器，而且操作起来也很繁琐。 晶闸管中频电源与这种中频机组相比，除具有体积小、重量轻、噪声小、投产快等明显优点外，最主要还具有下列一些特点： 1)降低电力消耗。中频发电机组效率低，一般为 80 85，而晶闸管变频的效率为 90 95，而且中频装置启动停止方便，在生产过程中短暂的间隙都可以随时停机，从而使空载损耗减小到最低限度 (这种短暂的间隙，机组是不能停下来的 )。 2)中频电源装置的输出频率是随着负载参数的变化而变化的，所以保证装置始终运行在最佳状态，不必像机组那样频繁调节补偿电 容。 3)晶闸管中频电源装置的部件大部分是电子器件，可以做成接插形式，出现故障易更换。 4)晶闸管中频电源装置采用脉冲封锁保护，保护动作快。 5)晶闸管中频电源装置启动时无冲击电流，但要具备额定电流 5 7 倍的安全余量，这样就需要加大电源变压器的功率。 6)但晶闸管中频电源也有不足的一面，如过载能力差，对电子元件要求高，使用维修需一定的技术水平。 晶闸管中频电源的应用按负载类型主要可分为以下几个方面： (1)金属熔炼 这是应用最广泛的一 个方面。我国晶闸管中频电源的发展，开始于熔炼，可以熔炼各种碳素钢、合金钢以及用于提炼高纯度锌等各种有色金属。熔炼负载是中频电源最恶劣的负载，阻抗变化大，负载不稳定，但中频电源能够非常理想地完成这个任务，最突出的优点是节省电能，另外起动方便，钢水平稳，涡流搅拌小，熔炼质量高。 (2)在透热方面的应用 工件在加热过程中，对金属整体进行加热，工件可nts江阴职业技术学院毕业设计说明书 第 7 页 共 32 页 达到内外一个温度范围。还应用于金属材料的铸造、冲压、挤压、轧制等力 n，工前的加热。 (3)在热处理方面的应用 利用中频电流的集肤效应，来提高钢件的 力学性能，使其具有较高的硬度和抗疲劳强度。 (4)在焊接方面的应用 中频电源可以用于焊接，具有焊接速度快，对周围的热影响小，不用酸洗来清除氧化皮等优点。 我国晶闸管中频电源的系列型号根据不同的用途以不同的代号表示。 中频无铁心感应炉的构造，主要由三部分组成：感应圈。通常由水冷却铜管绕制而成。坩埚。通常由石英等耐火材料捣制而成。炉料。可为各种金属的碎块。 中频无铁心感应炉的基本工作原理是属于空心变压器的一种类型。感应圈相 当于变压器的一次绕组，而坩埚内部的金属材料相 当于变压器的二次绕组 (即负 载 )。在一次绕组中通过中频电流时就在磁场作用下产生磁力线切割二次绕组， 致使炉料中产生感应电动势，并在垂直于感应圈轴线的表面内产生感应涡流从而 使炉料加热熔化。 根据变压器感应原理，在二次绕组 (即炉料 )内的感应电动势有效值可按下式算出： mfN 22 44.4 （ 1-1） 式中 E2 炉料内感应电动势的有效值 (V)； f 一次绕阻交流电频率； N2 二次绕阻的匝数，这里 N2=1； m 交变磁通 的最大值。 在 E2 的作用下，在炉料所形成的闭合回路中便有涡流通过，此电流可按下式计算： nts江阴职业技术学院毕业设计说明书 第 8 页 共 32 页 222222XREI(12) 式中 I2 炉料中感应的涡流 (A)； R2 炉料所形成的圆环电阻 (n)； X2 炉料所形成的圆环由漏磁产生的电抗 ( )。 从式 (3 2)可以得出 I2 和 E2 成正比与炉料中的阻抗成反比，从式 (1 1)中可知， E2 仅与 f 和 m 有关，无铁心感应电炉由于没有导磁物体存在，磁力线经空气闭合，由于空气磁阻较大， 会减小有效磁能量，为了要获得所必须的感应电动势，这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的频率。 究竟应该选择怎样的频率才较合适呢 ?下面分析频率与电效率之间的关系。 感应电炉的效率概念是：感应电炉所获得的功率 P 实际上为二部分组成 ， 即感应圈内损耗尸 1(散发成热量被冷却水或周围介质带走 )和转换为炉料的热功率户 P2， P2/P 为电效率，但是 P2 中有一部分也消耗于周围介质成为热损，而只有户，才能用于金属的加热和熔化，比值 P3/P2称为热效率。总效率为： PPPPPP 3232 总（ 1-3） 上面谈到为使炉子发热效果显著，就要求增加通过感应线圈电流的频率。但如果无限制地增高频率，一则受到装置复杂性的限制，更重要的是由于集肤效应的原因，涡流发热随着电流频率的升高只局限于炉料周围的表面层，而炉料中心的热量是由表面传导而来，所以加热时间拉长，电效率不再上升。电源频率与电效率之间的关系可以这样描述：在感应电炉炉料直径一定，炉料物理性质不变的情况下，电效率将随着频率的增加而显著上升。但频率继续增加时电效率将不再上升而趋于饱和阶段，见图 （电源频率与电效率 曲线 ） 。从图中 可以看出，频率在 AB 区域内的变化剧烈直接影响着电效率，而 CD 区域则其变化实际上不起作用。因此可以说，对于一定尺寸的感应炉，在炉料和感应器材料的物理性质为同nts江阴职业技术学院毕业设计说明书 第 9 页 共 32 页 一条件，则必定有一临界频率点存在，在此值以上的电效率与频率不再发生关系，所以应在 CD 区域选取，这一情况非常有利于感应电炉的设计，根据经济的观点在很多许可频率中选取一合适的频率。这一临界频率 (即对感应供电的最佳频率 )可按以下步骤选： 当炉料直径 d 与透人深度 的比值 d/ 10 时，即可认为电效率 接近极限值。这里的透人深度 是指导体通过交流电流的深度。因 集肤效应的影响，电流密度的分布从表面到中心不断减小。当其电流密度减到为表面密度的1/e=2.71828 的深度时，在这一层中产生的热量差不多为所有热量的 90。为了筒化计算，假定近似地认为只有在深度 的一层内电流以均匀密度通过，而在导林截面其余部分上电流密度为零。 透入深度（ cm）的计算公式为： ff 5 0 3 01021 9 （ 1-4） 式中 导体的电阻率 ( cm) 导体的磁导率 (非磁性材料的 J 1)； f 电源的频率。 在 d 10 的条件下，炉料与感应器间的空气气隙愈小，则效率愈高。根 据式 (1 4)及 d =10 的关系，可以列出下列关系： 281025503010 dffd 或 此公式表明随着感应炉炉膛和炉料尺寸的增大，电流的临界频率可以相应地降低。这就是大型电炉采用较低频率仍能满意的工作的主要因素 。 1.2 感应加热电源的发展动态 感应加热电源是感应加热的关键设备之一，感应加热电源的发展与电力电子学及电力半导体器件的发展密切相关。 本世纪初玻璃管汞弧整流器的发明标志着电力电子学的起源，而 50 年代末半导 体硅晶闸管的出现则标志着以固态半导体器件为核心的现代电力电子学的开始。在 50 年代前，感应加热电源主要有：工频感应熔炼炉、电磁倍频器、中频发电机组和电子管振荡器式高频电源。 50 年代末硅晶闸管的出现引起了感应加热电源技术以致整个电力电子学的一场革命，感应加热电源及应用得到了飞速nts江阴职业技术学院毕业设计说明书 第 10 页 共 32 页 发展。至今，在中频（ 150Hz10kHz）范围内，晶闸管中频感应加热装置已完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器。国外装置的最大容量已达数十兆瓦，国内也已形成 200Hz8000Hz、功率为 100kW3000kW 系列的产品，可以配备5t 以下的熔炼炉及更大容量的保温炉，也适用于各种金属透热、表面淬火等热处理工艺，但国产中频电源目前都采用并联谐振型逆变器结构。因此，在研究和开发更大容量的并联逆变中频电源的同时，研制结构简单，易于频繁起动的串联逆变中频电源是国内中频感应加热装置领域有待解决的问题，尤其是在熔炼、铸造应用中，串联逆变电源易实现全工况下恒功率输出（有利于降低电能吨耗）及一机多负载功率分配控制，更值得推广应用。 在超音频（ 10kHz100kHz）频段内，由于晶闸管本身开关特性等参数的限制，给研制该频段的电源带来了很大的技术难度 ，它必须通过改变电路拓扑结构才有可能实现，国内在 70 年代开始研制晶闸管倍频逆变电源，目前产品水平为250320kW/1015kHz，后于 80 年代末又采用改进型倍频逆变电路研制了50kW/50kHz 晶闸管超音频电源，但由于倍频电路的双谐振回路耦合使负载呈非线性，时变加热负载参数与谐振回路参数匹配调试较复杂及后出现的晶体管固态加热电源的频率及功率可完全覆盖而没有得到很好的推广应用。 70 年代末和 80 年代初，现代半导体微集成加工技术与功率半导体技术的结合，为开发新型功率半导体器件提供了条件，相继出现了一 大批全控型电力电子半导体器件，极大地推动了电力电子学发展，为固态超音频、高频电源的研制提供了坚实的基础。 第一台晶体管超音频感应加热电源在 1985 年面世，其容量为 25kW/50kHz，由于单管容量小而采用了多管并联技术，功率晶体管开关速度受到存储时间限制（ S 级）及它存在致命的二次击穿问题，限制了它的推广使用，随后出现的达林顿晶体管功率模块大多为电机调速应用设计，其开关速度更低，一般无法适用于感应加热电源。 功率 MOS 晶体管与功率双极管相比存在许多优点，由于它为多子工作器件，不存在存储时间，因此它的开关时间 远远小于双极晶体管。另外， MOS 晶体管不存在二次击穿问题，具有矩形安全区、驱动功率小、易并联等优点，非常适合 于高频大功率感应加热电源应用。采用 MOS 管可能引起的问题是由于高速开关要求电源工艺布置严格，另外，高压 MOS 晶体管通态损耗较大。 1983 年美国 GE 公司发明了新的很有前途的功率器件 IGBT，它综合了MOS 管与双极晶体管的优点， IGBT 结构除增加一个 n 层外，非常象 MOS 管结构，因此在其通态压降低的同时开关速度加快。自 1988 年解决了挚住问题后（由寄生 NPN 晶体管引起），大功率高速 IGBT 已成为众多 加热电源的首选器件，频nts江阴职业技术学院毕业设计说明书 第 11 页 共 32 页 率高达 100kHz，功率高达 MW 级电源也可实现。如 1994 年，日本采用 IGBT研制出了 1200kW、 50kHz 电流型并联逆变感应加热电源，逆变器工作于零电压 开关状态，并实现了微机控制；西班牙在 1993 年也已报道了 30kW600kW，50100kHz 电流型并联逆变感应加热电源，欧、美地区的其他一些国家如英国、法国、瑞士等国的系列化超音频感应加热电源目前最大容量也达数百千瓦。国内在 90 年代初开始对 IGBT 超音频电源的研制，目前制造水平为 1000kW、 50kHz，与国外的水平仍有相当大 的距离。 在高频（ 100kHz 以上）频段，目前国外正处在从传统的电子管电源向晶体管化全固态电源的过渡阶段，以模块化、大容量化 MOSFET 功率器件为主，西班牙采用 MOSFET 的电流型感应加热电源制造水平达到 600kW/400kHz，德国在 1989 年研制的电流型 MOSFET 感应加热电源水平达 480kW/50200kHz，比利时 Inducto Elphiac 公司生产的电流型 MOSFET 感应加热电源水平可达1000kW/15600kHz。应用于高频电源的另一功率器件为静电感应晶体管（ SIT），主要以日本为主， 电源水平在 80 年代末达到了 1000kW/200kHz， 100kW/400kHz，SIT 开关速度比 MOSFET 慢，同时它存在很大的通态损耗，随着 MOSFET、 IGBT性能不断改进， SIT 将失去它存在的价值。国内目前 MOSFET 固态高频电源制造水平为 400kW、 500kHz。但总的来说，与国外的水平有一定的差距。 1.3 感应加热电源技术的发展趋势 感应加热电源技术的发展与功率半导体的发展密切相关，随着功率器件的大容量化、高频化带动感应加热电源的大容量化和高频化。 1) 高频化 目前，感应加热电源在中频频段主要采用晶 闸管，超音频频段主要采用IGBT，而高频频段，由于 SIT 存在高导通损耗等缺陷，主要发展 MOSFET 电源。感应加热电源谐振逆变器中采用的功率器件利于实现软开关，但是，感应加热电源通常功率较大，对功率器件、无源器件、电缆、布线、接地、屏蔽等均有许多特殊要求，尤其是高频电源。因此，实现感应加热电源高频化仍有许多应用基础技术需进一步探讨，特别是新型高频大功率器件（如 MCT、 IGCT 及 SIC 功率器件等）的问世将进一步促进高频感应加热电源的发展。 2) 大容量化 从电路的角度来考虑感应加热电源的大容量化，可将大容量化技术分为 二大类：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nts江阴职业技术学院毕业设计说明书 第 12 页 共 32 页 的可靠性越差。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。 感应加热电源逆变器主要有并联逆变器和串联逆变器，串联逆变器输出可等效为一 低阻抗的电压源，当二电压源并联时，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，以致辞逆变器件的电流产生严重不均，因此串联逆变器存在并机扩容困难；而对并联逆变器，逆变器输入端的直流大电抗器可充当各并联器之间的电流缓冲环节，使得输入端的 AC/DC 或 DC/DC 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。晶体管化超音频、高频电源多采用并联逆变器结构，并联逆变器易于模块化、大容量化是其中的一个主要原因。 3) 负载匹配 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，而电源逆变器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。对焊接、表面热处理等负载，一般采用匹配变压器连接电源和负载感应器，对高频、超音频电源用的匹配变压器要求漏抗很小，如何实现匹配变压器的高能输入效率，从磁性材料选择到绕组结构的设计已成为重要课题。另外，从电路拓扑上负载结构以三个无源元件代替原来的二个无源元件以取消匹配变压器，实现高效、低成本隔离匹配。 4) 智能化控制 随着感应热处理生产线自动化控制程度及电源可靠性要求的提高，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感应加热电源正成为下一代发展目标。 5) 高功率因数、低谐波电源 由于感应加热电源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，但随着对整个电网无功及谐波污染要求的提高，具有高功率因数（采用大功率三相功率因数校正技术）、低谐波污染电源必将成为今后发展趋势。 nts江阴职业技术学院毕业设计说明书 第 13 页 共 32 页 第 2章 无铁心感应电炉对晶闸管中频电源的要求 2.1 对中频输出功率的要求 晶闸管中频电源的输出功率除必须铭足感应炉的最大功率外，还要考虑到输出功率 能方便得调节。这是因为感应炉的炉衬的寿命通常为几十炉，而且新的炉衬筑好后，必须对其进行低功率烘烤。一般以 10%20%的额定功率开始。再则熔炼过程当炉料熔化后，必须对炉料成分进行化验。这时装置的输出功率能在10%100%范围内方便地调节。 2.2 对中频输出频率的要求 感应炉的电效率与效率有着密切的关系，从电效率出发可以决定晶闸管中频电源的输出效率，我们称这一频率为 D。感应器实际上是一个电感线圈。为了要补偿线圈的无用功率，在线圈的两端并联有电容器。这就组成了图 3-4所示的 LC并联振荡电路。图中 R为线 圈的电阻，回路中固有振荡频率 D可按下式计算： 0=LRLCM 4121 2 （ 2-1） 若 R2/（ 4L） 4|/（ LC）则上式可简化为： 0=LCM121 （ 2 2） 当晶闸管中频电源的输出频率等于 f0时， L=1/( C)回路中的功率因数， cos =1。感应炉内将得到最大的功率。从式 (2 2)中可知，回路中的振荡频率与 L和 C的数值有关。电容 C的数值一般是不变的，而 L则因炉料的磁导率变化而变化。为使感应炉在熔炼过程中始终 得到最大功率，要求中频电源输出的频率厂能随九的变化而变化，保证频率的自动跟踪。 2.3 大容量感应炉对中频电源的要求 中频电源的输出电压一般不很高而电流很大，这是因为电压太高时，晶闸管串联过多，均压比较困难，工作不可靠。而电流大些可用元件并联和机组并联的方法来解决，这样可用于熔炼时低电压，大电流的熔炼环境，但导线上损耗增大。当感应炉容量增大时，这个问题更为突出。感应炉的线圈也因铜管太粗而无法绕制。因此，大容量的中频装置都是把中频电压升高后供给炉子。 2.4 其他要求 熔炼过程中一旦中频电源发生故障就将 导致整炉材料报废，严重时还可能损坏坩埚。所以要求中频电源工作可靠，并且有必要的自动保护设施。另外中频装置在工作中受电网及负载的影响较大，故要求装置具有负反馈及限流限压环节以保证装置运行的平稳。 nts江阴职业技术学院毕业设计说明书 第 14 页 共 32 页 第三章 主电路的工作原理及参数计算 3.1晶闸管中频电源的工作原理 三相中频电源的基本原理，就是通过一个三相桥式全控整流电路把工频电流变成直流电，经过直流电抗器滤波最后经过逆变器变成单相中频交流电供给给负载。所以中频电源装置实际上就是交流电 直流电 交流电 负载。其框图如下 3.2三相全控整流电路的工作 原理 本设计不用整流变压器而直接由 380V 三相交流接入再整流为直流电源。常用的三相可控整流的电路有：三相半波三相半控桥三相全控桥双反星形等。根据它们各自的特点和使用场合等因素综合考虑。本设计采用三相全控桥整流电路。三相全控桥整流电压脉动小，脉动频率高，基波频率为 300HZ，所以串入 的平波电抗器电感量小，动态响应快，系统调整及时。并且全控桥电路可以实现有源逆变，把能量回送电网或者采用触发脉冲快速后移至逆变区，使电路瞬间进入有源逆变状态进行过电流保护。 如图 所示 的 三相全控桥式整流电路共有六个桥臂，在每一个 时刻必须有两个桥臂同时导通才能工作，输出的电压为线电压。把三相工频交流电进行了全波整流，可以得到一个脉动的直流电压。这种整流电路由于在每一个瞬间都有两个桥臂工作，而且每个桥臂导通时间间隔为 60 电角度。故要求每只晶闸管的触发间隔也应为 60 电角度，脉冲采用大于 60 而小于 120 的单宽脉冲。六只晶闸管的导通顺序如图所示。 三相桥式全控整流电路电感性负载输出的直流电压的平均值按下式计算： c o s34.2c o s63)(s in62 6 2223/2 3/ UUttdUU d （ 3-1） 式中 U2 电源相电压有效值 (V)。 从式 (3 1)可知： =00时 Ud 值最大 a=900 时， Ud=0；当 a900 时，输出nts江阴职业技术学院毕业设计说明书 第 15 页 共 32 页 电压为负值。 在三相整流电路中，晶闸管承受的最大电压为三相交流电的峰值，如果考虑 2 3 倍的安全系数，则晶闸管的额定电压为： VVUU TN 11008082206)25.1(6)25.1( 2 可选择额定电压为 1000V 的晶闸管。 本装置额定中频输出功率为 100kW，考虑到逆变桥路损耗与一定的功率余 量，取最大整流输出功率 Pdm=Udm Idm=125kW。 整流输出最大直流电压为 Udm=2.34 220V=514.8V 所以 Idm=242.8A 在 平 波电感 Ld 足够大、电流为矩形波的情况下，晶闸管 IT(AV) KIa。通过查表，三相全控桥 K=0.367， IT(AV) 0.367 242.8A=89.1A。考虑到安全系数和现有元件电流规格，选 IT(AV)=200A 的元件，所以整流桥路晶闸管选用 KP20010。 3.3单相桥式并联逆变器的工作原理 并联逆变器的基本线路如图（并联谐振电路与负载）， Ld是直流电抗器， L为中频感应炉。 C为补偿电容（即换流电容）， 其主要作用是：（ 1）与感性负载构成并联谐振，为负载提供无功功率，提高了装置的功率因数。（ 2） C值一般都要求过补偿一些，使等效负载呈现容性，这样 ia就会超前 ua一定的角度，达到自然换流及可靠关断晶闸管的目的， L和 C组成并联谐振电路，逆变器由四个桥臂组成，每个桥臂由晶闸管和限流电感 L1L4串联组成，限流电感的作用是限制晶闸管的电流的变化率以保护晶闸管。 nts江阴职业技术学院毕业设计说明书 第 16 页 共 32 页 当逆变桥对晶闸管（ VT1、 VT4或 VT2、 VT3） 以接近电路谐振频率交替触发导通时，流进负载线圈的中频电流便产生了中频交流磁场。熔炼炉内的金属（钢、铁、铜、铝等均可）在交流磁场的作用下产生涡流，使金属发热熔化。由图波形可见，流进并联谐振电路的电流 ia 为梯形交流波形，可分解成基波分量正弦电流 ia1以及其他高次谐波电流，而电路谐振频率恰好是基波分量正弦电流 ia1的频率，呈现高阻抗，对其高次谐波均视为短路，所以负载两端电压 ua波形是很好的中频正弦波，并且滞后 ia1一定角度 （因等效负载呈容性）。如给换流关断的晶闸管施加一定时间的反向电压，可达到可靠换流关断的 目的。 图（ 3-1）并联谐振逆变器的电压、电流波形 图中并联谐振逆变器一周工作过程大致可分为导通阶段与换流阶段：（ 1）图中 VT1、 VT4触发导通工作与图波形中 t1t2阶段相对应。图中还绘出了负载电流ia的路径，此时负载两端得到正弦半波电压 ua（极性为左正右负）。（ 2）图电路对应于图波形 t2t4换流阶段。在 t=t2时刻，触发 VT2与 VT3，于是 iT2,3从零增大，而 iT1,4在反向电压作用下从 Id减小，此阶段四个晶闸管同时处在导通换流过程，t=t4时刻， iT1,4已经降到零，此 时 iT2， 3从零增到 Id， VT1与 VT4已经关断、 VT2nts江阴职业技术学院毕业设计说明书 第 17 页 共 32 页 与 VT3已经完全导通，完成换流过程。（ 3）图电路所对应于图波形中 t4t5，为 VT2与 VT3导通工作阶段，负载得到正弦波电压 ua的负半波。（ 4）图电路对应于图波形中 t5t7换流阶段，其分析方法于图相同，不在详细阐述。 并联谐振逆变器的工作过程 从图（ 3-1） ua波形可知，滞后功率因数角 应满足晶闸管恢复到正向阻断能力所需要的时间。通常 角宜取 40度为宜。中频输出功率 由上式可见，调节功率主要是改变 Ud 大小。由于 Ud 是由三相全控桥可控整流电路获 得，所以改变移相角 即可调节输出功率。 要想使并联谐振电路可靠，对触发电路有以下几个要求：具有自动调频能力。在前述的熔炼和加热过程中，由于负载回路的参数不断变化，因此负载回路的固有频率也不断变化，为保证中频电源始终运行于最佳状态，要求触发电路的输出脉冲能自动随着负载频率的变化而变化，即具有频率自动跟踪能力。合适的触发脉冲。脉冲的产生必须在中频电压过零前的适当时刻进行，且这一时刻必须在中频运行过程中始终保持不变。脉冲宽度应为 10 500 s 之间。一般设计在 100 150 s。脉冲必须具有一定的幅度 以满足管子触发的要求，一般设计在4 10V；要求脉冲前沿陡，以保证逆变桥每臂相串的两只晶闸管能基本同时开通；要求触发电路具有抗干扰能力且线路简单，便于维修。 要想实现上述对触发电路的要求，首先要找到一个合适的控制信号。我们首先想到中频电压 ua 虽然它能反映负载频率与幅值的变化，但是光有一个 ua 信 I号还不行，因为可靠关断晶闸管希望在 ua 过零之前某时刻送出触发脉冲，因此还需要另外一个比较信号，这个比较信号与 ua信号波形的交点，距 ua 的过零点RUP da 22cos123.1nts江阴职业技术学院毕业设计说明书 第 18 页 共 32 页 的时间正好是要求的触发引前时间 tf。 并联电容中的电流与 ua相 位差 90 利用 -ic在电阻上形成的电压作为比较信号是十分合适的。这是因为： ic产生的电压信号在相位上滞后 c4。中频电压 90，故只要适当调节这个信号的幅值，便可以方便地改变它和 u。的交点位置，即调节了“的大小。 ic产生的电压信号与 ua的交点在任一半周上只有一个交点，它正好作为换流点信号。当 ua幅度或频率变化时， ic产生的信号电压亦随之变化，维持引前触发时间 tf不变。上述各点可由图 （定时控制的信号波形） 得到证实。实现上述设想的具体电路如图 （逆变触发电路） 所示。 信号 ua和 ic分别由图中频电压互感器 TR2与图中频电流互感器 TA检测到，并分别在 RP59、 RP11、 RP10、 R18上按 ua-(-ia)的 原则，形成逆变电路同步电压信号 us，并由电位器 RP9和 PR10决定了两个信号的相对强度。改变 PR9的大小即改变了合成信号的过零时刻，当电流信号幅值增大时， tf也就增大了。反之， tf减小， RP9和 RP10位置调整完成后 ,tf便保持不变了。 合成后的信号 us通过 R7、 R8接入逆变触发电路，当 us信号由正变负时， V4截止， V3导通，经 C2、 R3微分后得到宽度约 100s的正尖脉冲，复合管 V1、 V2得到触发 而导通，这时直流电压从 233、 201端输入到逆变脉冲变压器一次侧，脉冲变压器的二次侧感应出触发脉冲去触发相应的晶闸管。同理，当 us信号由变正的瞬间， 233、 202两端输出脉冲去触发另一对角线上的一对晶闸管。图中 R7、 R8为限流电阻， VD3、VD4、 VD5组成双向限幅电路， C3为抗干扰电容，VD2的作用同 VD3， C1为加速电容， R1为限流电阻， VD1并联于脉冲变压器一次侧以消除振荡，从而保护 V1、 V2不被关断时产生脉冲电压击穿 3.4 逆变电路的参数计算 本装置的具体条件 Pa=100Kw =1000Hz dU=500V Id=250A cos =0.8、电网电压 波动为 5% （ 1）逆变晶闸管选择 额定电压 UTN= Ua22)(1.5 nts江阴职业技术学院毕业设计说明书 第 19 页 共 32 页 aU=1.11Udm/cos = V8.0 50005.111.1 =728V UTN=(1.52) 2 728V=15442059V 选择 1800V的快速晶闸管，或者两个 1000V 的管子串联，并采用均压措施。 （ 2）额定电流 IT (AV)=(1.52) IT/1.57 已知在并联逆变桥路中流过晶闸管电流近似为每周期导通 180度的矩形波，所以流过管子电流的有效值为 IT= 22102 dM d ImtdI =0.707Id IT (AV)= (1.52) 1.57IT=(1.52) 57.1 2500.707 A=169225A 考虑到中频运行时的开关损耗 ,所以选择晶闸管额定电流 IT (AV)=200A 选用晶闸管型号规格为 3CTK200-10. (3)换流时间 rt 和触发引前时间ftft=dtdiITd从晶闸管允许电流上升率 Tdi /dt =20A/us 计算 ,则 rt = 20250 us=12.5us 对应的 =4.5 度 因为 1KHZ中频周期 T =1000 us,故qt可按下式求得 qt= 2取 k=1.5, =36代入上式 qt=100021.5 25.236 106=63us 触发引前时间ft=rt +kqt=12.5us+1.563us=107us 因为本装置稳定 ft=110 us 是适当的 ,故其对应的功率因数角 =37.3度 负载补偿电容器 补偿电容器提供无功功率 Q应满足 : nts江阴职业技术学院毕业设计说明书 第 20 页 共 32 页 补偿负载的无功功率 Q1=LPcos sin L 满足换流需要 Q2=cosPcos L Q= Q1+ Q2=P(tan L+tan ) 负载感应器的功率因数 cos L 都很低 ,用于熔炼时 cos L=0.060.5,用于透热和淬火时 cos L=0.20.5， 本装置取 cos L=0.1, P=100kw, cos L=0.8 则 Q=100(9.95+0.75) vark =1070kvar 选用中频电容器型号 RYSO0.75-90-1.0,即eU=0.75 kW , eQ=90kwm, ef=1.0kHz，每台电容量约为 25Uf.共需要电容器 1070/90B12 nts江阴职业技术学院毕业设计说明书 第 21 页 共 32 页 第四章 整流触发电路的工作原理 4.1对触发电力的基本要求 由前可知，三相桥式全控整流电路有六只晶闸管，因此要求触发电路能够提供六个周期性的触发脉冲信号，这六只触发脉冲的频率应与输入整流电路的三相工频交流电同步，而且六路脉冲的相位关系互差 60度电角度。 为保证整流电路的可靠启动，要求触发脉冲大于 T/6即 60度电角度（ T为工频周期），这样保证了在任何时刻启动至少有两只晶闸管得到触发脉冲而导通，但触发脉冲的宽度 又不宜太宽，一般要求小于 T/3即 120度电角度，这是因为三相全控整流电路中每只晶闸管在一个周期中导通时间为 T/3。在晶闸管导通期间控制极上加有脉冲信号对其正常工作不会产生不良影响，但当晶闸管收反相电压关断后仍有触发脉冲加于控制极时，则管子的漏电流将显著增加，而且这样做非成危险。 为使整流输出电压可以任意调节并满足限流、限压和保护的需要，要求触发脉冲的移相范围在 150度左右。 4.2触发电路的工作框图 触发电路框图如图所示 1) 同步电压与信号形成电路的作用，使触发电路输出脉冲的基本工作频率和晶闸管的控制极触发 相序与主电路保持同步状态。 2) 锯齿波形成环节利用“密勒”效应的积分电路，以及采用恒流充电电路给电容充电的工作原理，形成一个底宽为 240 度 300度锯齿波。 3) 移相控制与尖脉冲形成环节的作用 把直流控制信号幅度变化与锯齿波比较后转换成尖脉冲相位的变化，线路中采用一只工作状态的晶体管和一组 RC电路来达到尖脉冲形成的目的。 4) 脉冲整形和宽度调节电路的作用 采用一组单稳态触发电路将尖脉冲的宽度nts江阴职业技术学院毕业设计说明书 第 22 页 共 32 页 惊醒适当的调节，以适应输出脉冲所必须的宽度的要求。 5）功率放大与输出电路的作用 将整形调整好的脉冲加以放大使其具有足够大幅值，以适应被触发元件的参数的要求，输出电路采用脉冲变压器带动负载，一方面使主电路与触发电路加以隔离，另一方面又使波形基本上不失真如实的进行波形传替。 4.3触发电路的电气原理图 nts江阴职业技术学院毕业设计说明书 第 23 页 共 32 页 第五章 并联逆变器的启动及参数计算 5. 1 并联逆变器的启动 由上节的内容可知，触发脉冲的信号取自负载，这样就 存在一个启动的问题，因为在系统未投入运行前，负载端是不可能有输出的，这样也就没有了输出的，这样也就没有信号可取，因此必须在逆变器中假如启动电路。启动电路的主要任务是：产生一个触发脉冲以启动逆变器 从而保证逆变器由启动转到稳定运行。我们设想预先给一个电容充电，使其存储一定的能量，然后在启动的时候将这一能量突然加到并联负载电路上，负载电路将产生衰减振荡，这时检测电路获得其振荡频率信号。 （如图正弦振荡模拟电路） 在启动前开关 S置于 “1”位置，电容 C被充电至 Uo，启动时开关 S拨向开关 “2”端，电容便向电感支路放电，这样原来存在于电容 C内的能量便逐渐转移到电感 L中，一直到电容中的能量放完时 C两端的电压便下降到零，电容放电停止，但由于电感中的电路不能突变，它仍然按原来的方向继续流动，而维持这一电流是储藏于电感中 的能量，电流的继续流动使电容 C被反向充电，极性与原来的相反，随着 C上电荷的不断增长，电感中的能量又不断转移到电容中，当电流下降到零时，线圈中的能量转移到电容中。以后电容 C又再次向电感放电，这样不断反复便在电容两端形成振荡电压，其电压频率为： 电容两端的电压幅值是不断衰减的，这是由于电路中有电阻 R存在的缘故。能量在 R中被消耗掉。 R越大，消耗的能量越大，因此衰减的速度也就越快。要想把以上的工作原理应用到中频电路中去，就需要一套向电容充电的电路及使电容在启动瞬间并向负载的开关。中频装置中具体实现上述设计的电路 见图。启动时按下启动按扭 SB4，主接触器 KM2吸合并自锁，主电路供电，当按下逆变工作按扭SB6时 KM3吸合接入电路，改变触发角 a的大小，即可适当调整直流电压输出。同LCf 210 nts江阴职业技术学院毕业设计说明书 第 24 页 共 32 页 时充电电容 C被充电到 350V，另一整流电路给晶闸管 VT提供了正向电压，启动 KT1经过延时后闭合，触发信号送入到晶闸管 VT的门极， VT被触发导通，电流送入脉冲变压器一次线圈，二次侧耦合出正向触发信号使晶闸管 VT11导通，电容存储的能量通过 VT11向负载回路放电， RC并联谐振负载得到能量开始衰减振荡，这时候逆变触发电路检测出触发频率并输出脉冲，并联逆 变器开始工 作，整流电路向逆变器输出能量，启动成功后，图 KA1吸合，从而 KA2吸合，使触发引前角减小，同时 KM3、 KA3释放，中频装置进入正常工作状态。 nts江阴职业技术学院毕业设计说明书 第 25 页 共 32 页 第六章 保护系统及保护器件的选择 由于晶闸管中频加热电源装置的工作受供电电网及负载的影响较大，而且晶闸管元件超负载能力又较小，故要使装置可靠工作，必须要有完善的保护措施。 6.1限电流限电压电路 保护系统的作用是：当本装置的电压和电流小于整定值时，保护电路不工作，当电压或者电流超过整定电流值时保护电路发出信号，把电压和电流限制 在整定值，使装置免遭过载运行的危害。 图 （限流限压电路） 所
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