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中频电源的研究与设计,毕业设计论文
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中频电源的研究与设计 1 目 录 摘要 Abstract 第 1 章 绪论 1 1.1 课题背景 1 1.1.1 国外技术发展与现状 1 1.1.2 国内技术发展与现状 1 1.2 感 应加热电源课题研究的必要性 2 1.2.1 国内外技术的对比 2 1.2.2 中频电源研究的必要性 2 第 2 章 感应加热原理及负载电路 4 2.1 感应加热基本原理 4 2.1.1 电磁感应和感应加热 4 2.1.2 电磁感应的三个效应 5 2.1.3 加热时金属物理性质的变化 5 2.2 感应加热电源的组成 6 2.3 负载感应器的等效电路 6 2.3.1 物理意义 6 2.3.2 感应器等效电路 8 2.4 负载电路及其自然特性 9 2.4.1 并联振荡负载电路 9 2.5 感应加热用可控硅并联式中频电源 12 第 3 章 整流电路 14 3.1 中频电源对整流电路的基本要求 14 3.2 三相全控桥式整流电路工作原理 14 3.3 晶闸管器件的选择 18 3.3.1 额定正 向平均电流的选择 18 nts中频电源的研究与设计 2 3.3.2 额定电压等级的选择 18 第 4 章 并联逆变器 20 4.1 并联逆变器的工作原理 20 4.2 并联逆变电路参数间的相互关系及主要参数的确定 24 4.2.1 输入直流电流dI与输出中频基波有效值1aI间的关系 24 4.2.2 输入直流电压dU与输出中频电压有效值aU间的关系 24 4.2.3 中频输出功率aP 25 4.2.4 引前时间ft的考虑 25 4.3 逆变电路参数选择 25 4.3.1 换流电感kL的布置与参数选择 25 4.3.2 逆变电路可控硅元件的选择 27 4.4 并联逆变中频电源的保护 29 第 5 章 中频电源的控制 30 5.1 自动调频 30 5.2 常规晶闸管并联谐振中频电源存在的问题 32 5.3 提高并联谐振中频电源的整流功率因数及实现恒功率输出的原理 33 5.4 控制电路的组成 35 5.5 三相全控桥式整流电路的触发电路 37 5.5.1 触发电路概论 38 5.5.2 TC787 的特性、功能和电路的实现 37 5.6 逆变触发电路 39 5.6.1 对触发脉冲参数的要求 39 5.6.2 对触发电路的要求 39 5.6.3 触发电路的实现 39 5.7 并联逆变电路的起动 40 第 6 章 系统调试 42 6.1 调试所使用的测试仪器仪表和工具 4 2 nts中频电源的研究与设计 3 6.2 调试步骤 42 6.2.1 准备实验 42 6.2.2 实验步骤 43 6.2.3 抗干扰分析 43 结论 4 4 参考文献 45 致谢 4 6 附录 4 7 摘 要 本文系统研究了由可控硅组成的中频电源，分析了用于熔炼的感应加热可控硅中频电源的特点和负载感应器的等效电路及其自然特性，采用并联补偿的方法提高负载的功率因数。为了使并联负载谐振电路能正常工作，必需将负载电路置于过补偿状态。针对常规可控硅并联谐振中频电源存在整流桥功率因数随输出电压降低而减少，且满足不 了熔炼负载对功率输出要求的问题，采用了一种调节逆变角 提高整流功率因数来实现恒功率输出的方法，但这里所提出的恒功率输出并非指一般意义下的恒功率闭环控制，而是指额定输出功率下的恒功率，即恒定的最大功率输出。在采用 角调节电路的基础上，配合原有 AC/DC 相控双闭环电路，可以使中频电源实现恒功率控制。在整流环节和逆变环节分别采用集成触发芯片 TC787 和 KC04 来实现，这样大大简化了控制电路，并提高了电路的可靠性 。设计中采用预磁化电路和撞击启动的方法，提高了中频电源的启动成功率和负载的适应性。 关键词：中频电源；并联补偿；功率因数； 角 调节；恒功率 nts中频电源的研究与设计 4 Abstract This paper has studied the intermediate frequency power composed of silicon controlled rectifier, analyzed characteristic of heating intermediate frequency power of silicon controlled rectifier used for smelting, equivalent circuit of the load inductor and natural characteristic, improved the power factor of load by parallel compensation. To the shunt load resonance circuit can work normally, we must make the load circuit on the state of overcompensation. Aim at routine silicon controlled rectifier connect in parallel resonance intermediate frequency power has the problem about the power factor of rectification bridge reduce with the output voltage reducing and cant meet the smelting loads demand to power output, it adopt one measure to realize constant power output by adjust the inverse angle to improve the rectification power factor, but the constant power output put forward here is not that the constant power by closed-loop control under a general meaning, it refer to the constant power under rated output power, namely the constant peak power output. On the basis of adopting the angle to regulate circuit, cooperate with original AC/DC phase control bi-closed loop circuit, it can make the intermediate frequency power realize constant power control. In rectify element and reverse element it adopt separately the integrated trigger chip TC787 and KC04, thus simplify the control circuit greatly, and improve the circuit reliability. The paper adopt the magnetize circuit in advance and starting through impact method to improve the starting success rate and load adaptability of the intermediate frequency power. Key words: Intermediate frequency power， Parallel resonance， Power factor， regulate， Constant power 第 1 章 绪论 本章介绍了中频电源的课题背景及其发展状况，阐述了中频电源研究的必要性。 nts中频电源的研究与设计 5 1.1 课题背景 1.1.1 国外技术发展与现状 构成感应加热用中频电源的整流器和逆变器是比较典型的电力电子电路，它们的技术紧随着电力电子的发展而发 展，并且标志着整个电力电子技术的水平和现状。自从第一台晶闸管感应加热电源出现在二十世纪七十年代，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 1。 二十世纪七十年代后期，以大功率晶闸管、门极可关断晶闸管和功率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。进入二十世纪八十年代以后，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少，而且大大提高了效率 和可靠性。在二十世纪八十年代后期，不仅已有的 GTR、 POWER MOSFET 容量不断地提高，而且出现了绝缘栅双极晶体管（ SITH）、静电感应晶体管（ SIT）、静电感应晶闸管（ SITH）、 MOS 控制晶闸管（ MCT）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。 IGBT， SITH 在几十千赫兹频段内得到了大量应用，、而 SIT、 MOSFET 则在100KHZ 以上频段向传统的电子管式感应加热电源发起了挑战。由于国外在电力电子器件的制造技术的成熟、完善和技术的不断的进步，使中频电源无论是在频率上还 是功率上都不断提高，大大扩展了中频电源的应用领域。总之，二十世纪九十年代以来，各国竟相利用电力电子器件开发感应加热电源，在这方面，欧洲和日本已经走在了前面，现在，几十千瓦的 IGBT 全固态电源已经实用化，而 50KHZ 的电源也已有了样机 2。 1.1.2 国内技术发展与现状 国内也很早就开始了感应加热电源的研制工作。浙江大学于二十世纪七十年代研制成我国第一台 100KW/1KHZ 晶闸管并联逆变式中频电源。然后陆续有一些单位开始生产，截止目前已形成 1KHZ、 2.5KHZ、 8KHZ 三个标准系列，在厂矿企业得到了广泛 的使用。近年来，一些单位开发了基于集成电路控制和单片机控制的中频电源，在提高中频电源启动成功率和负载适应性方面取得了一些成绩。 nts中频电源的研究与设计 6 同时，我国也在不断的引进其他国家的先进技术，使自己的技术能有跨越性的发展，如我国的天津高频设备厂引进日本的全套技术生产出 30KHZ/250KW 的全固态电源，提高了我国在中频电源领域的生产水平。同时，各个科研院所和大专院校也投入了大量的人力物力对 IGBT 在这方面的使用进行研究，如浙江大学已取得较好的成绩，为我国中频电源的发展作出了非常大的贡献。 1.2 感应加热电源课题研究的必要性 1.2.1 国内外技术的对比 与国外相比，国内还有不少差距：在容量上，中频电源国外最高容量为 10MVA，而国内为 2MVA；在控制技术手段上，国外大量采用集成电路，数字显示，微机控制，国内大部分是分立元件和继电器控制，只有少部分采用集成电路控制，采用微机控制的则更少；在工作频率上，国外基本没有空白，可满足不同用户的要求，而国内10KHZ100KHZ 基本属于空白， 100KHZ 以上以电子管式为主。尽管国内采用改进线路和快速晶闸管技术，已成功研制出了 50KHZ/50KW 电源，但因电路复杂，元件缺乏，并未形成生产规 模；在生产手段上，国外一般采取标准化大规模生产，而国内仍处于手工业作坊阶段；在工艺结构上，国内几十年不变，采用角钢焊接等技术，工艺落后，外观质量差，急需改进。 1.2.2 中频电源研究的必要性 感应加热应用范围非常广泛，在锻造方面，可对钢材和钛、镍等稀有金属进行加工预热；在热处理方面，为了加强工件的硬度和韧性，应用感应加热可对钢材进行透热、表面淬火、穿透淬火、回火和焖火；在熔炼方面，通常用感应加热的方法来熔化优质钢和有色金属；在焊接固压方面，可把金属片涂料抹在金属表面，然后利用感应加热使其熔化渡涂并固化；在 烧结方面，使用感应加热能在石墨曲颈瓶或感应器中对炭化物加热到 2550 Co 的高温。 过去传统的加热方式，多以煤、油、气为能源或箱式电炉加热，不仅造成有限的资源浪费、环境污染，而且工作效率低，工人劳动条件差，工艺质量难以准确控制，严重nts中频电源的研究与设计 7 地制约了我国机械加工业的发展。而在国外，早在二十世纪初就开始了感应加热的研究，至今感应加热技术已日趋成熟。比如，在锻造方面，传统锻造法材料利用率很低，大概在 30%左右，且表面光洁度不高，而利用感应加热实现快速透热热锻，不仅使材料利用率提高到 85%以上，表面光洁度小于 50m,而且氧化皮损耗大大降低，锻模的寿命大大提高。八十年代特别是九十年代，随着科技的进步和时代的发展，我国的感应加热设备才有了一定的发展，但与世界发达国家相比还有相当大的差距。 感应加热是通过电磁感应原理即利用涡流对被加工件加热的。由于是从工件内部，即从工件的电流透入深度层开始加热的，因此大大节省了热传导时间，加热速度快，氧化层薄，金属烧损小，可以根据不同的工艺要求，对工件进行局部或整体加热，而且对加热深度可以严格控制，加热温度也可以控制，一般只需控制加热时间和电压即可，温差 可保证在 0.51%以内，而热效率则可高达 5060%。最重要的是对大气和周围环境无污染，无噪音，作业的环境条件得以大大提高。在大力提倡环保意识的今天，更加符合时代的要求。而且，感应加热设备可以随时开停，不需电极或增加燃料，容易实现机械化和自动化。 总之，随着我国电力供应的改善，电力电子技术的进一步发展，以及环保要求的提高，发展和扩大感应加热应用的范围，在锻造、焊接、淬火热处理等方面进一步改进技术，提高质量，改造我国传统加热行业是势在必行的。这一改造不但涉及与加热电源配套的机械工艺的改造提高，而且至关重要 的就是进行大功率感应加热电源的开发和研究工作 3。 长期以来，国内中频电源在技术上落后，其主要问题是自动化程度低，可靠性差，操作不安全，特别是由于变换效率只有 50%60%，造成了能源的极大浪费。而国外先进的中频电源体积小、重量轻、可靠性高，使效率从 50%提高到 90%，节省了大量电能。正是中频电源的许多优点和我国国内落后的技术，使得我们必须赶快加大对中频电源的研究力度和深度，在借鉴国外技术的基础，自力更生，迎头赶上。 nts中频电源的研究与设计 8 第 2 章 感应加热原理及负载电路 本章主要介绍了感应加热的基本原理，在介绍了基本原理以后 ，推导出了负载电路的等效形式和及其自然特性，并根据其自然特性得出了谐振电路补偿的两种形式，并联补偿电路和串联补偿电路。 2.1 感应加热基本原理 2.1.1 电磁感应和感应加热 感应加热实质是由电磁感应电流产生热能的电加热，它是依靠感应器通过电磁感应把电能传递给被加热的金属，再在金属内部电能转化为热能，达到加热金属的目的。可见，感应加热的基本原理可以用电磁感应定理和焦耳 -楞次定理来描述。 电磁感应定理可以描述为：当穿过任何闭合回路所限制的面的磁通量随时间发生变化时，在回路上就会产生感应电势 e，如图 2.1所 是。 dtde （ 2.1） 负号表示感应电动势的作用总是试图阻止磁通的变化。 焦耳 -楞次定理的表达式为： RtiQ 224.0 （ 2.2） 其中式中： eiR（ 2.3） Q 导体所消耗的功率转变成的热量，卡； i 通过导体的电流强度，安； R 导体的电阻，欧姆； t 电流通过导体的时间，秒。 把金属工件放入通以交流电流的线圈中，由电磁感应定理可知，金属内就 会产生感应电势，而金属工件可视为 -短路的导体，于是在感应电势的作用下，金属内就有电图 2 . 1 感 应 加 热 原 理nts中频电源的研究与设计 9 流产生，此电流成为感应电流或涡流，当然也是交变的。交变的电流同样产生交变的磁通，此磁通总是试图补偿原线圈中磁通量的变化。任何金属都有一定的电阻，根据焦耳-楞次定律，涡流在具有一定电阻的金属内流动就会产生热量，从而使金属被加热，这就是感应加热。 从以上分析可知，金属若被感应加热必须具备两个条件：一是在感应圈中通以交变电流，二是被加热材料必须是能导电的，或用导体作为发热体，利用其发出的热量间接加热非导电体 4。 2.1.2 电磁 感应的三个效应 （ 1）集肤效应 众所周知，直流电流流经导体时，电流在导体截面上是均匀分布的，但交流电流则不然。当交流电流流经导体时，电流沿导体截面上的分布是不均匀的，最大电流密度出现在导体的表面层。这种电流集聚于表面的现象称为集肤效应。其原因是由于与导体表面交链的磁力线比与导体内部所交链的磁力线要少，因此导体表面的电感和阻抗小于内部的电感与阻抗，而电流总是沿阻抗最小的路径流动，所以电流会集聚到导体的表面形成集肤效应，而且电流频率越高，集肤效应就越显著。 （ 2）临近效应 相邻两导体通以交流电流时，在相互影响下 导体中的电流要重新分布。当两电流方向相反时，电流聚于导体内侧，方向相同时，电流被排斥于导体外侧，成为临近效应。因为两电流方向相反时，导体间两电流所建立的磁场方向相同，总磁场增大，两导体外侧的磁场却互相削弱；同理，两电流方向相同时，导体间两电流所建立的磁场方向相反，总磁场互相削弱，两导体外侧的磁场却增大。 （ 3）圆环效应 如果将交流电流通过圆环形螺管线圈时，最大电流密度出现在线圈导体的内侧，这种现象成为圆环效应。这是因为通常磁力线在环内集中，在环外分散，在导体的外侧较内侧交链较多的磁通，这样导体的外侧的电感和 阻抗较内侧为大，电流向内侧集聚。 感应加热既是对以上几种效应的综合利用。在感应器中置以工件，并施以交流电压，则在感应器中产生交变磁场，感应器本身表现为圆环效应，感应器与工件间即为邻近效应，而工件本身表现为集肤效应。 nts中频电源的研究与设计 10 2.1.3 加热时金属物理性质的变化 加热透入深度与金属物理性质有关及 r有关，对于导磁率 r，随着温度的升高而下降，开始时下降比较缓慢，当温度达到居里点时，便会急剧下降到相对导磁率为 1，所以高温时，电流透入深 度会增加很多。对于电阻率 ，随着温度的升高而增加。但当温度升高到一定时（大概 800 900），电阻率将基本维持不变，即不再随温度的升高而增加。因此，在设计时，对金属的导磁率和电阻率在冷态和热态时，要做不同的考虑。 2.2 感应加热电源的组成 一般感应加热电源装置均采用交 直 交变频原理，主要由三大部分组成，即整流器，滤波器及逆变器，当然还有一些控制电路和保护电路。其主电路基本结构框图如图 2.2 所示。 图 2 . 2 主 电 路 基 本 结 构 框 图 三相 50HZ 输入电压经过整流器成为脉动的直流电压，再经过滤波器成为平滑直流电压，而逆变器则由于开关器件的开关频率将直流电压变为不同频率的电压供负载使用。在感应加热中，一般是通过感应圈将能量输送给负载，所以感应圈往往就是逆变器的一部分。 2.3 负载感应器的等效电路 2.3.1 物理意义 在负载感应器中要发生电磁感应、发热、传热及热辐射等物理现象，现以感应熔炉为例阐明其中的电磁现象。熔炉的原理结构如图 2.3 所示，感应线圈由空心铜管绕成，管内通水冷却。铜管的截面可以是圆的，也可以是方的，方的电效率较高。在感应 线圈nts中频电源的研究与设计 11 内的一只用耐火材料打结后烧结的干锅，干锅内放置被熔炼的金属，大多数情况为钢材。下面条论其中几个主要的电磁现象。 （ 1）磁场 当感应磁场通以中频电流时，就产生中频磁场，如图 2.3 所示。其中，磁通2经过干锅或炉膛，但没有穿入被熔炼的钢材，称为漏磁通；另一部份磁通1穿过钢材，称为主磁通。只有主磁通1才能在钢材感应出电流并使之发热熔化。但主磁通1和漏磁通2总是存在，而且漏磁通往往比主磁通多，影响主磁通相对大小的因数很多。如被熔炼的材料、熔炼材料的多少和熔炼过程中的状态等。 （ 2）电阻 感应炉内有两个通电流部分，一是感应线圈本身，从外部通入中频电流；二是被熔炼的钢材，在其中感应出中频电流。两者都有电阻，都要发热。 1、感应线圈不但产生磁场引起电感，而且它本身还有电阻。由于感应线圈中引起很大的中频电流，而且密集于铜管一侧的透入深度 薄层内，因此其中的电流密度很大，使铜管内大量发热，故需要通水冷却。 Hp HpxL在熔炼过程中，电源频率、漏磁通分布和水温等因数变化不是很大的，故感应线圈本身的电阻可以认为基本上是不变的。 2、由于主磁通穿过钢材，在其中感应出涡流电流。钢材放在感应线圈之内，这种涡流产生的漏磁通（只穿过钢材本身而不穿过感应线圈就是钢材的漏磁通）较少。因为它的电阻率较大和集肤效应较显著，故钢材的电阻比感应线圈大，且在整个熔炼过程中不断变化，特别是当温度上升导超过 居里点时由于透入深度 增加，电阻急剧下降。 3、感应线圈通以交流大电流，产生磁场，在钢材23121451 铜 管 、 2 钢 材 、 3 坩 锅4 漏 磁 通 、 5 主 磁 通图 2 . 3 熔 炼 炉 的 结 构1R1xmx2R2xHsrHpra)b)图 2 . 4 负 载 感 应 器 的 等 效 电 路b)H s H sxLH p H pxLnts中频电源的研究与设计 12 中感应出电流。它好像一只变压器，感应线圈为原边，钢材为副边。按照变压器的原理画出它的等效电路，如图 2.4a 所示。图中11xL ，它代表感应线圈的漏磁通引起的感抗；mxM,它代表主磁通引起的互感抗；1R代表感应线圈本身的电阻， 2R代表钢材工件的电阻（归算到原边）； 22xL ,它代表钢材工件中涡流引起的漏磁通所导致的漏感抗（归算到原边）。 4、感应炉虽然相当于一只变压器，但它的参数却与平常变压器很大的不相同。如前所述：原边漏磁通很多，故1x很大，其次在熔炼过程中，1x、mx、 2R、 2x变化都很大。 5、图 2.4a 的等效电路分析起来不太方便，以一般常将它化成电阻感应串联电路（图2.4b）或电阻感应并联电路（图 2.4c）。 2.3.2 感应器等效电路 电阻感应并联电路（图 2.4c）地等效阻抗为 222 2 2 2H P H P H P H P H P H PH P H P H P H P H P H Pr j x r x r xZjr j x r x r x （ 2.4） 由式（ 2.4），得 222H P H PHS H P H Prxrrx （ 2.5a） 222H P H PH S H S H P H PrxxLrx （ 2.5b） 或将上两式化成 22H S H SHPHSrxrr （ 2.6a） 22H S H SHPHSrxxx （ 2.6b） 在大 多数得情况下， 22()H P H S H S H Sr r x L（ 2.7a） HS HPxx，HS HPxx（ 2.7b） 由电阻电感并联等效电路得等效阻抗（式 2. 4）可求得感应炉得功率因数 cosL及品nts中频电源的研究与设计 13 质因数0Q： 2 2 2 2c o sH P H PH P H PLH P H PxLr x r L （ ）（ 2.8） 0 H P H PH P H PrrQ xL （ 2.9） 以上分析了电阻电感并联等效电路，在某些场合也常常用到电阻感应串联等效电路。其分析的方法与电阻感应串联的等效电路是一样的。图 2.4 所示出的三种等效电路只是用不同的形式来表达感应器的电磁现象，其结果是完全 一样的。选用哪一种电路来代表感应器可以根据具体应用来决定。 影响感应炉的等效电路参数的因数有很多。比如说，在加热过程中，金属炉料的温度不断上升，它的相对导磁率 和电阻率 都不断发生变化。往炉中加冷料、炉料熔化和下塌，这些炉料情况的变化都要反映导等效电路参数中来，故在加热过程中感应炉等效电路参数也是不断变化的。 上述阐明，感应炉等效电路参数是随时都在变化的，因而精确计算这些参数是有困难的。在大多数情况下都是 针对熔炼快要结束时感应电炉等效电路的参数进行计算。这是因为炉料已经熔化，高温液态金属充满炉膛，几何形状一定，计算较为简单，得出的结果较为适用。 2.4 负载电路及其自然特性 根据前节所述，感应加热负载均为功率因数很低的感应性负载（ 0.05 0.3），若不设法补偿，就需要很大的电源容量。在感应加热过程中都采用电容器来补偿感应器的无功功率，提高其功率因数，使电源仅供给有功功率。在采用可控硅电路的感应加热设备中，常用的有串联补偿、并联补偿及串并联补偿。这样组成了串联振荡回路、并联振荡回路和串并联振荡回路。熔炼用中 频电源一般采用并联振荡负载电路，因此这里主要介绍一下并联振荡负载电路。 nts中频电源的研究与设计 14 2.4.1 并联振荡负载电路 将补偿电容器与感应器并联组成并联补偿负载电路，分析这中电路时感应器用HPr和HPL并联等效电路较为方便，这样就组成了图 2.5 所示的并联振荡。 将角频率为 的正弦电压加到并联振荡电路时，电路中各元件电压电流的关系用图 2.6 并联振荡电路的向量图表示。在这些图中感 应器的端电压1U就等于电源电压 U ,1I为感应器电流，它可以分为RI及LI两个分量，RI是流过电阻HPr的电流，它与1U同相位，LI是流过电感HPL的电流，它比1U滞后 90o ，1I比1U滞后一个角度L，它就是感应器的功率因数角。 1RHPUI r 1L HPUI jL 22c o sHPR H PLL HPILI rL （ ）（ 2.10a） 在图 2.6 中电容器HC的电流CL比电压1U超前 90o ，它与电流LI的方向 相反： CLU H jC（ 2.10b） 电源电流 I (即整个并联振荡电路的输入电流 )是感应器电流1I与电容电流的和，也是RI、LI、CI三个电流只和。 1 C R L CI I I I I I （ 2.10c） 图 2.6a 是欠补偿情况，它的特点是：CLII， 0 （ 2.10a） 先将LI和CI相加 ，得到整个电路的无功电流LCII，然后再将它与RI相加，就得到整个电路的输入电流0I由于CI小于LI，电路的无功电流LCII仍比电压1U滞后 90o ，所以图 2 . 5 并 联 振 荡 负 载 电 路nts中频电源的研究与设计 15 电流 I 仍滞后于电压1U，电路的功率因数角 大于 0，仍为感性负载。补偿后整个电路的无功电流LCII比LI小，电源电流 I 比感应气的电流1I小，整个电路的功率因数角 比感应器的功率因数角L小， cos 比 cosL大，这样就提高了功率因数，降低了对电源容量的要求。 图 2.6c 是过补偿的情况，它的特点是：CLII0 在完全补偿的基础上若继续增加电容或频率 f ，就会使CI大于LI，得到过补偿。国补偿时整个电路的无功电流CLII与电流CI相位相同，并比电压1U超前 90o ，所以电流 I 超前于电压1U，电路呈容性，功率因数角 小于零。过补偿时电源电流 I 比完全补偿时大，功率因数 cos 比完全补偿时小，因此和完全补偿时相比，过补偿要求电源有较大的容量。 从减少电源容量的观点来看，图 2.6b 所示的完全补偿最好，但可控硅中 频电源需要它的负载为容性，所以并联振荡电路一般工作在图 2.6c 所示的过补偿情况下，超前功率因数角常为 20o 45o 。 可控硅电路供电的感应加热电源采用改变频率 f 的方式来调节功率因数。当电源频率改变时，图 2.5 所示的并联振荡回路的输入阻抗 Z、功率因数角 等参数都会变动。改变频率可以调节功率因数，当工作频率 高于并联振荡电路谐振频率后，负载呈容性， 越高，超前功率因数角越大。 频率变化时，电源电流得频率特性可用下式表示： I1ILIcI1UUULI1ILIcIULRIRIcLIIa) b)I1ILIcIUL RIc)LCII图 2.6 不同补偿情况下的向量图 nts中频电源的研究与设计 16 HPHPrUUIZ r Z= 20001 ( )IQ （ 2.11） 综合以上分析，图 2.5 所示得并联负载振荡负载电路由一下特点： 1) 为了得到容性负载，工作频率 f 要稍高于并联谐振频率0f频率越高，则超前功率因数角越大，负载阻抗越小，电源电流越大； 2) 感应器的端电压1U等于电源电压 U ； 3) 感应器的电流1I大于电源电流 I ，其近似关系为 1II 21 cosQ 。 2.5 感应加热用可控硅并联式中频电源 在近代工业生产中，熔炼金属及对工件进行透热、淬火、和弯管等，常常采用中频电源装置作为感应加热电源，在可控硅出现以前，中频加热电源多采用中频发电机组，但自从可控硅元件出现后，二十世纪六十年代后期发展了感应加热用可控硅中频加热电源。它用可控硅代替了发电机组，由于可控硅关断时间非常短，整个可控硅中频电源响应速度非常短，能非常方便的改变输出电压电流和频率等指标参数。随着电力电子器件的飞速发展，可控硅中频电源在越来越多场合 的到了应用。 感应加热用可控硅中频电源是一种将三相工频交流电转变为单相中频交流的装置。可控硅变频电路可以分为两大类：交交变频电路和交直交变频电路，前者的特点是将 50Hz的工频交流电直接变成频率为 的中频交流电 ,没有直流环节。这种变频电路的特点是效率较高，但电路复杂，目前应用极少。交 -直 -交变频的特点是有直流环节，通过整流电路先将工频交流电整成直流电，在通过逆变电路将它变成频率为 的交流电。它具有电路简单，调试方便 ,运行可靠，效率可达 90%以上等优点，目前应用较多。 逆变电路输出的中频电能，通过感应 线圈施加到负载上，进行感应加热。感应线圈通以交流大电流时，产生磁场，在熔炉里面感应出电流。它好像一只变压器，感应线圈为原边，熔炉（负载）为副边。按照变压器的原理图可以画出它的等效电路图出来，按照变压器的等效电路图分析起来不太方便，一般常将它化成电阻电感串联电路或电阻电nts中频电源的研究与设计 17 感并联电路。按照逆变电路和负载电路的不同组合，感应加热又可分为并联变频电路、串联变频电路、串并联变频电路，倍频式变频电路和时间分割变频电路等，其中并联变频电路和串联变频电路是基本电路。感应加热用中频电源一般由其特点所决定的一般采用并联式中频电源 。 图 2.7 为并联式中频电源主电路原理图。图中 A 为可控硅组成的三相桥式全控整流电路（简称整流桥），它将正弦的工频交流电整成脉动的直流电dU可以调节直流电压dU来调节负载电流。图中 B 为直流中间电路，它式由一个储能电感组成，它把 50Hz 工频网络和中频网络隔开，并把直流电流滤成平滑的波形。图中 C 为四只可控硅组成的单相桥式逆变电路，它将直流电流逆变成交流方波中频电流，并将它送入负载电路 D。负载电路 D 由感应器和电容器组 成的并联振荡电路对工件进行感应加热。逆变电路输出的中频电流频率 f ，受负载振荡电路呈现很大的阻抗，比基波频率高几倍的谐波电流通入并联振荡电路时，振荡电路呈现很小的阻抗，所以方波中频电流通入并联振荡电路负载感应器负载电压aU实际上接近正弦波性。并联变频电路对负载的适应能力很强，是当前应用得最广泛的一种电路，主要作用作为中频熔炼和透热的电源 5。 图 2.7 并联式中频电源主电路原理图 nts中频电源的研究与设计 18 第 3 章 整流电路 整流电路的作用是把交流电能转化为直流电能，中频电源中整流电路与其他电气传动装置中的整流电路是相同的，其相应的触发电路也是相同的，只是对应不同的使用场合，其控制方式有所差异。 3.1 中频电源对整流电路的基本要求 中频电源整流电路的负载是逆变器，逆变器输出的有功功率是由整流电路提供的。所以要求整流电路的直流输出电压在规定的范围内能连续平滑地调节。中频感应加热的负载是变化很大，整流电路应能自动限制输出电压、功率及电流，以及通过整流电路对系统进行过电流、过电压保护。 几乎所有的中频电源都是采用三相全控桥式整流电路 。这是因为它的输出电压的调节范围大而移相控制角的变化范围小，有利于系统的自动调节。它的输出电压的脉动频率较高，可以减轻直流滤波环节的负担。对整流电路的还有一个要求是，当逆变器运行失败时，能把贮藏在直流滤波电抗器中的能量通过整流器输送到电网上而使整流桥得到保护。三相全控桥式整流电路能理想得完成这一任务。 3.2 三相全控桥式整流电路得工作原理 全控整流桥如图 3.1 所示，并假设网侧交流回路没有电感，直流滤波电感足够大，它有六只晶闸管，1VT、3VT、5VT为共阴极组；4VT、6VT、2VT为共阳极组。在任何导电时刻，电流总是从某一相流入，先经过共阴极组晶闸管、直流滤波电抗器dL、负载电阻dR，再经过共阳极组晶闸管，由另一相流出。三相 全控桥式整流电路实为三相半波共阴极组和共阳极组串联，且控制角 完全相同。 三相全控桥整流电路中， 6 个晶闸管导通顺序是： 1VT2VT3VT4VT5VT6VTdLdRABC图 3 . 1 全 控 桥 整 流 电 路nts中频电源的研究与设计 19 1VT 2VT 3VT 4VT 5VT 6VT 由三相桥式整流电路的特点决定，在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，才能形成导电回路其中一个是共阳极组和一个共阴极组；共阳极组的1VT、3VT和5VT之间相差 120o ，共阴极组的；4VT、6VT和2VT之亦间相差 120o ，挨在一起的两管子，如1VT和4VT、3VT和6VT、5VT和2VT之间相差 180o ；为了保证整流桥合闸后共阴极组和共阳极各有一晶闸管导电，或者由于电流断续后能再次导通，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时给定触发脉冲。可以采用宽脉（大于 60o ）或双窄脉冲（两脉冲相隔 60o ）来保证 。 在不同的触发角下，我们可以得到不同的输出波形： （ 1）控制角 0 o 时，输出波形如图 3.2。 图 3.2 0 o 时输出波形图 （ 2） 控制角 0 90oo时 其中图 3.3 中 60o ；图 3.4 中 75o 。在图 3.4 中我们可以看到，1t时刻之后，nts中频电源的研究与设计 20 滤波电感dL中所存储的一部分磁能通过6VT、1VT由 A、 B 两相返回电网。这一过程实质上是整流电路的有源逆变过程，这说明在整流电路中当 60o 时开始存在部分时间段的有源逆变。 图 3.3 60o 输出波形图 图 3.4 75o 输出波形图 （ 3） 控制角 90 o 时 波形 见图 3.5，正负的面积相等，其平均值为零。但其瞬间值仍不为零。由上分析可见，三相全控桥式电路的整流状态的触发脉冲移相范围是 0 90oo。在整个移相范围内，对整流输出电压中的某一段波形（图 3.6 斜线部分）求平均值。 图 3.5 90 o 输出波形图 图 3.6 某段波形求平均值图 即得直流输出电压dU与整流桥二次侧输入线电压得数量关系是 nts中频电源的研究与设计 21 661 2 c o s3dlU U t d t 03 2 3 2 2 c o s s i n c o s c o s6lldUU U （ 3.1） 可见，只需要调节控制角 ，就可改变整流桥的输出电压平均值。 （ 4）控制角 9 0 1 2 0oo时 90 o 时，负向面积大于正向，这时整流桥工作在逆变状态。此时的整流桥被称为有源逆变器 。它的能量传输方向是从直流侧送往工频电流电网的。有源逆变须具备三个条件：控制角 90 o ；直流滤波电感足够大；直流侧具有电势源。 （ 5） 控制角 120 o 时 波形见图 3.7。直流电抗器dL是构成有源逆变器的一个极重要的条件。dL在有源逆变器与dE之间起着平衡作用。 图 3.7 120 o 输出波形图 图 3.8 电流波形图 综上所述，当 0 90oo时，电路处于整流状态，输出直流电压值由最大值到零。60 o 时，输出电压在部分时间内出现负值，但平均值仍为正。当 90 o 时，输出电压的正负瞬时值相等，平均值 为零。 90 o 时，电路处于逆变状态。此时称为有源逆状态 6。 nts中频电源的研究与设计 22 3.3 晶闸管器件的选择 3.3.1 额定正向平均电流的选择 当直流电抗器dL的电感足够大时，每只晶闸管导电 120o ，则可画出电流过三相全控桥每桥臂晶闸管的电流波形如图 3.8。电流有效值为： 2 2230123 3dddIII I d t （ 3.2） 晶 闸管器件的额定电流FI是指按 50Hz 半波平均值计算的，即： mmm0II1 I s i n c o s c o s 0 22FI t d t （ 3.3） 其中mI为半波电流的幅值。半波电流的有效值为 mI2I 半波电流的有效值 I 与平均值 FI 的关系为mmI2I 2FII 1 . 5 72 FFI I I （ 3.4） 整流桥中晶闸管器件的发热状况取决于式（ 3.2）所决定的有效值。把它折合成半波电流的平均值，则式（ 3.2）式（ 3.5），即得 2 0 . 3 6 7dFdIII （ 3.5） 式（ 3.5）可取决在多大得直流电流时的晶闸管器件的电流等级。式（ 3.4） 则能判断已有的晶闸管能承受多大的电流有效值。据此可以选择与每一桥臂晶闸管相串联的快速熔断器的电流等级。 3.3.2 额定电压等级的选择 晶闸管器件的正向阻断电压 PFV 及反向峰值电压 PRV 可按电路中器件可能承受的最高压、反向峰值电压的 1.5 2.0 倍计算。三相全控桥式整流电路承受正、反向电压的最大值等于三相交流电网线电压lU的峰值。 nts中频电源的研究与设计 23 2 (1 . 5 2 . 0 )lP F V P R V U 2 3 8 0 ( 1 . 5 2 . 0 ) 8 0 6 1 0 7 4 V 考虑到各地方电网的 差别教大，选用 1200V，即选用 KP200A、 1200V 晶闸管 7。 nts中频
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