可控硅中频感应加热炉.doc

可控硅中频感应加热炉 可控硅中频感应加热炉国营西安华山机械厂西安电炉研究所我国许多国防工业工厂和机器制造工厂中,锻造车间的加热炉多半是煤气加热炉,而且不少是由苏修引进的落后的四十年代水平的煤气炉。 这种加热设备。 不仅劳动生产率低,而且操作条件极差,影响工人的身体健康。 中频感应加热是当前国内外比较先进的技术,中频感应加热设备在我国巳经成批生产。 但是此种设备的电源是中频发电机组,在使用中存在一些缺点,随着可控硅应用技术的发展,以及我国生产可控硅的质量的不断提高。 可控硅中频电源将成为中频感应加热较理想的电源设备。 在毛主席的无产阶级革命路线指引下,我们组成工人、革命干部和技术人员三结合小组,经过不断实验,试制成功了120廷可控硅中频感应加热设备。 在可控硅中频感应加热设备中所采用的可控硅中频电源相对中频发电机组有如下优点:l、便于实现自动控制和保护。 2、随着负载的变化能在较大范围内自动调节频率,并维持一定的功率因数而不需要切换电容器来进行补偿。 3、效率高,体积小,重量轻。 4、无旋转部分,运行可靠,无燥声,能瞬时起动和停止,维修方便。 5、制作便利,不需大型加工设备,生产周期短还能节省大量铜、矽钢片等金属材料。 但它对所用的可控硅要求较高,过载能力较差。 随着可控硅质量的逐步提高,这些都容易得到改进,成本也会不断下降。 我们试制成功的120砒可控硅中频感应加热炉主要技术参数为:输入电源:三相,380伏,50赫兹输出中频电源:功率:120冠频率:8001100赫兹中频电压:600一65。 伏,中频电流:26。 安培功率因数:0。 800.85加热工件的尺寸:园钢中60X146中70X135加热温度:1200“C劳动生产率:350公斤/小时可控硅中频电源主要由可控硅并联逆变器、频率自动跟随系统、自动保护系统等组成。 本文重点介绍上述三个方面,对逆变器及其起动作较为详细的分析。 可控硅并联逆变器工作原理概述 1、主回路系统:主回路系统如图 (一)所示。 由三相桥气12式半控整流器输出一可调的直流电压。 此直流电压经电抗器后,向桥式并联逆变器提供连续且接近恒定的直流电流I d。 感应线卷L、电阻R及电容C,构成并联谐振回路。 改变整流器的直流输出电压就能调节中频电流的输出功率。 L成了铲V丫、尸卜.以卜|日卜J过二夕左c舜之.2L.比召J,饭兮气奴38oy.r麟矛撇称凡丘码各一.l l l l l_.-f一-叫I I I II厂一了玉一一一冲琴宝达以只处 2、桥式并联逆变器的工作原理:图一中假设可控硅ScR l.4被触发处于导通壮态,则I d经5C Rl一谐振回路一sC R4流通,C上电压极性如图所示,Ua为正。 SCR Z。 3分别承受正向电压Ua。 此时,如图二中t=t l时,触发S C R.23使之导通,则C上电荷通过S CR l。 2,及5CR3。 4放电。 5CRl.4的电流迅速减少到零而关断。 ScR2.3的电流迅速增加到I d。 与此同时C上电压极性变成左负右正。 这样交替地触发5cR l. 4、和sc R2.3就在谐振回路二端产生图二所示的中频电压与电流波形。 由于I d近似恒定,所以,ia为梯形波,而谐簇回路对基波近于呈谐振状态,它对i a的基波分量101呈现较高的阻抗21,所以Ua很近于基波iatZz,即Ua呈正弦波形。 换流电感Lk的作用是限制换流、二一八,一t、。 .I,。 d i,一一一,、-L,_速度,以使线路的共令小于可控硅所允许的目曰砂d tJ动“一/。 r”砂值。 由上可知,只有当Ua为正值时触发S c R2.3才能进行换流。 而且在换流终止(t二t,)以后,Ua仍应在一段时间内(t3一t Z一日期间内)保持正值,以使原先导通的5cRl.4继续承受反电压,使它们内部结上的载流子完全复合以恢复阻断能力。 月必须大于可控硅所要求的关断时间并留有一定的余量使可控硅能可靠地关断。 这样就要求i a超前U。 ,也就是要求逆变器的工作频率高于谐振回路的固有频率,因此谐振回路处于容性状态。 这里要指出的是换流过程是逆变器工作的核心部分,换流失败往往是导致逆变失败的重要原因。 对并联桥式逆变器有如下一些关系式:(z)工作频率。 之。 二一些(。 街杯LC谐振回路固有频率) (2)中频电流i。 之直流电流I d (3)电容电流i。 二负载电流i,二O、一曰”.“c一“M.“L一其中并联振荡回路的交流等效电阻LRo e一丁不不二CR 3、一些主要元件参数的介绍:逆变器每臂采用二个可控硅串接,并选用3C顶20O A/75O V的可控硅。 三相桥式半控整流电路中采用了3C T150A/900V可控硅和2C Z150A/900V的硅整流二极管。 电抗器L Z选用6m H,300A。 换流电感L K=4O mH。 回路电容二191两f,炉子热态时电感L=10e mH。 频率的自动跟随由上节可知正常的逆变换流要求i a导前Ua一定的角度,(二以满足、2+O Uialeos/。 .万、O十吮之-乙其中基波电流幅值i al二4兀 (4)中频电压Uj。 U d二之一。 _,/。 .万七U。 飞P下.丈尸,乙/., (1) (5)中频功率PR护0e换流和使可控硅恢复阻断能力所需要时间的要求,即图二中的(t f二t3一t l)要保持一定的数值,但甲也不能过大,由 (1)式可知中大Ua就高,可控硅上承受的电压就要增大,而且中频输出的功率因数也降低。 这样也就要求在运行过程中使逆变器的触发频率切略高于回路的因有频率。 某一数值。 但是,在加热过程中由于炉温的变化及不断的添新料,炉子的L和切。 都在不断的变化,这样就要求山能自动的随。 的变化而变化。 并始终满足上述的要求。 为此在装置逆变触发系统中采用了图三所示的频率自动跟随系统。 图三中,通过电压互感器和电流互感器分别测取振荡回路电压Ua的信号Ua(一k:Ua(与电容支路电流ic的信号i、。 (一F:i e,其中kl kZ为常数)。 它们按图示极性进行叠加。 因为Ua也即是C上的电压所以C超前U、ag o。 Uaie和(ua十ie)波形见图四(a)、(b)o叠加信号U、a+ic如图三所示送入粉二脉冲形成电路和逆变触发电路,并在(U“a干i。 )的过零点A lAZ、A3等点产生触发脉冲P2P4P6”(图四C)用来触发可控硅ScR23在过零点B l、B Z、B3等点产生触发脉冲Pl、P3,PS(图四d)用来触发可控硅ScR l。 4。 八、一一写,亏日扮lllll、!III!lll护:立痴llllll ll!l。 ,一111111111爪二:11111111111d,如15,行a(也即。 a)的各对应过零点的时刻t 3、t 3、t3”间的间隔(t3一ti)、(t3一ti)、(t“3一t“1),就是t f,要求始终满足上述的条件。 改变Ua、t。 、二信号的大小即能改变产生触发脉冲PZ、P i、p、p3的时刻t i、t 二、一t i“、从而也即改变了t f值的大小。 例如乙。 卜或U。 杏,则t i、ti、t“i等点就前移,t f个;反之L f咨。 在加热过程中我们往往只调节tc的大小(调节图三中的电位器Wi),使回路的中角也即“值满足正常逆变换流的要求。 这样产生逆变触发脉冲的信号取自负载振荡回路本身,且对,角及t f又能进行调节,频率自动跟随的目的也就达到了。 逆变器的起动 1、采用多谐振荡器的他激起动:由于本系统采用“自激”的工作状态,逆变触发信号取自负载回路,因此逆变器的起动就是如何给逆变器加上第一个触发脉冲并使系统转入稳定运行的问题。 对此尚有各种方法。 有一种叫“阻尼自由振荡法”即先给负载谐振回路充一能量使它产生阻尼自由振荡,其阻尼振荡的电压、电流信号通过频率自动跟随系统使逆变触发电路产生第一个触发脉冲。 此法需要一套给负载谐振回路充以能量的机构,其中包括一个直流电源。 我们采用了多谐振荡器的他激起动,由控制回路产生初始触发脉冲来起动。 整个逆变触发电路的方框图见图五。 开始的触发脉冲是由“多谐振荡器”通过“脉冲变换与放大电路”环节直接提供的。 一旦负载回路的振荡建立,中频电压U“和电流i c就通过频率自动跟随系统在“脉冲形成电路”产生相位互差180。 的二列脉冲。 每组脉冲又分成二路,一路经“倒相器”的倒相和放大后去同步“多谐振荡且k_一一乙3乡誊杏讨霆、月泉冲老拔访诵么爪启珍脉冲如夹泰牙之大呛忿之鱼他众犬论忍杏叨构币到声日矛日价口脉冲于东成电路以可取自资双派盆动珑,图五,16.器”,另一路去触发“单稳态触发器”进行脉冲宽度的放大,然后被同步的“多谐振荡器”输出脉冲与单稳态触发器输出脉冲同时进入“脉冲变换与放大电路”。 这样,两个“脉冲变换与放大电路”就相隔180“交替地产生触发脉冲去触发C SRI.4和s CR Z。 3。 此时系统已处于频率自动跟随的工作状态。 但此时的工作状态是不够稳定的: (一)若因某种原因使“脉冲形成电路”停止工作而无输出信号,(例如频率自动跟随系统发生故障)则逆变器将按多谐振荡器的频率工作,而多谐振荡器的频率是小于回路冷态时的固有频率,这样将造成逆变失败而短路。 (二)多谐振荡器虽被同步但其工作状态有可能是不够稳定的。 考虑到上述原因,在系统稳定工作后我们用开关K切断供多谐振荡器的直流电源一E。 ,使它停止工作。 这样逆变触发脉冲就单独通过“单稳态触发器”来提供了,此时系统就完全处于“自激”的工作状态。 采用这种方法起动可靠,而且节省许多大型元件。 2.起动电容的作用:为了帮助起动,可如图六(a)所示在负载回路中串接起动电容c“。 设负载谐振回路二端电压UE B落后电流1,角。 而C。 上电压U AE是落后190,的。 这样:U A B=U AE十U E B,由图六(卜)可见:大、二义归.b e协-一议如8b,念声户洛二.,I UAB I)I U EB I,甲)甲,这里加于逆变桥臂可控硅上的电压是UA B而不是原来的UEB。 这样在换流时加于原先导通可控硅上的反向电压就大(x UAB xs in中I UEBI sin巾),且相应的“也增大,这些都有利于导通可控硅的关断,对换流有利,所以工作就较稳定。 若cs减小,其阻抗于就增加,C因此I UAE I也变大,由图六(卜)可知,I UABI及印都增加,就更有利于换流的进_.,一L成心、儿两、荟乙翎若乙,e亡匈图六(a行。 但此时加于可控硅上的电压的增加,对管子的耐压是不利的。 所以一般Cs取得很大,并在炉温上升,负载回路电压增高:系统工作稳定后短接掉。 我们在试验时取Cs约为C的3一4倍,己并选用工频电容来替代。 3.起动电阻的作用:,试验证明,起动时必须在主回路中串入起动电阻R二l R+RZ+R3,R在起动时起着限制过大的起动电流的作用,防止因换流时间丫过长,使可控硅不能可靠地关断而造成逆变的失败石此外,R还能限制起动失败后的短路电流。 系统的自动保护可控硅的过压、过流能力较差,而本系统除了一般的故障外产生换流失败短路,及负载端过电压的可能性都较大。 因此系统中除了采取一般的保护外(例如加入R c过压吸收装置、安装快速熔断器,串联限流电感,以及并联反干扰电容等等)还设有一套过压过流自动保护路线。 1.逆变端的保护:见图七,正常工作时Cz经Cp充电至时间要求不小于100尽s。 当SoR p导通后,整流输出电压U d就通过La给Cp充电,使Uc变正。 由二极管S R和电阻RZ组成限压回路,当UcU d时S R导通,L d上的反向电压(极性如图所示)沿SeR pRZ,和S R放电至i SR“0,Uc便被箱位在U d的电位上,然后S“R p关断。 C P被Cz重新充电至开始状态。 在触发ScR p的同时,并接于逆变触发器的直流电源二端的可控硅,以及并接于脉冲形成电路的直流电源两端的可控硅也同时被触发导通,这样直流电源的短接使逆变触发脉冲被迅速地切除。 2.整流端的保护:洛选之口s c今吨、么.六p必、之C Il|11,-I卜吸|整流端的保护与逆变端的保护是同时进行的,它们所用的保护触发脉冲是由同一触发电路提供的。 当过流或过压时,并接于整流触发器的直流电源二端的可控硅也被同时触发导通,从而切除了整流触发脉冲。 但当发生短路,并切除了整流触发脉冲后,有时由于L d的续流作用,使整流端仍有电压输出,图七中Z D二极管