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基于晶閘管關斷時間控制的高效中頻電源
摘要：針對常規(guī)晶閘管并聯(lián)諧振中頻電源存在的在熔煉期內輸出功率達不到額定功率的問題，設計了一種對DC/AC逆變器采用調節(jié)功率角φ的觸發(fā)控制電路，配合原有的AC/DC相控雙閉環(huán)控制電路，可以使中頻熔煉電源實現(xiàn)高效控制。關鍵詞：中頻電源；功率因數(shù)角φ調節(jié)；關斷時間控制
1 概述
常規(guī)中頻電源是由AC/DC可控整流器與單相DC/AC電流型并聯(lián)諧振逆變器組成的，它在感應加熱熔煉過程中的正常工作如圖1所示，是以負載電路中的電流iH超前其電壓uH為前提條件的。逆變電路中晶閘管的超前觸發(fā)時間應大于晶閘管關斷時間，即
t>（γ＋δ）/ω （1）
式中：γ為晶閘管換流重疊角；
δ為恢復角；
ω為中頻電源角頻率。
設β為超前觸發(fā)角，為保證安全換流，應考慮安全裕量角θ，則
β=γ＋δ＋θ （2）
負載電流iH的基波超前其電壓uH的角度?稱為負載超前功率因數(shù)角，從圖1（b）可見
φ=γ/2＋δ＋θ （3）
當中頻電源用于熔煉金屬時，其被熔煉材料大多為鐵磁材料，負載電路的諧振角頻率ω隨爐溫升高而增大。從式（2）可知，這會導致超前觸發(fā)時間
t=β/ω=(γ＋δ＋θ)/ω
減少，也會使超前功率因數(shù)角φ變小，若換流重疊角γ及θ不變，這意味著晶閘管的關斷恢復角δ減小，因而有可能導致逆變失敗。可見，當實際恢復關斷時間減小時，為確保電源的安全運行，要及時調節(jié)觸發(fā)角β或超前功率因數(shù)角φ。
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2 中頻電源實現(xiàn)高效控制原理
中頻電源用于熔煉時，其理想運行狀況應是保持熔煉期盡可能有較大的功率輸出或恒功率輸出，以迅速提高爐溫，減少熱損，縮短熔煉時間，提高單產和效率。但在實際熔煉金屬過程中，由于被熔煉材料的磁導率和電導率都隨溫度的變化而變化，將引起負載等效電阻RH改變，使熔煉過程大部分時間達不到設計的最大輸出功率（即Pdmax=UdmaxIdmax）。
事實上，從圖1（a）主電路組成框圖可看出，要實現(xiàn)恒功率輸出，只要讓等效直流電阻Rd(Rd=Ud/Id)與中頻負載電路阻抗匹配就行，即當RH變化時，采用某種方法使Rd不變，這樣中頻輸出功率便不會隨RH變化而變化。
根據(jù)并聯(lián)諧振中頻電源Rd，RH及φ的相互關系式
Rd≈0.81cos2φRH （4）
可知當負載電路等效電阻RH變化時，只要調節(jié)功率角φ，就可以使Rd保持不變，從而實現(xiàn)高效節(jié)能。
3 晶閘管關斷時間（TOT）控制電路的引用
以德國AEG公司，英國RADYNE公司為代表的中頻電源產品，都采用了TOT（turnofftime）定時控制法。其特點是按標準給定的TOT和實際TOT之間的差值及時對觸發(fā)角進行調整，以便準確控制逆變晶閘管的關斷恢復時間。前已述及，無論從安全運行要求，還是確保恒功率輸出的要求，都希望調節(jié)觸發(fā)角（即超前功率因數(shù)角φ）。為此，我們從參考文獻[2]引用了“TOT”定時控制法的“超前觸發(fā)脈沖形成電路”，以滿足高效中頻熔煉電源輸出恒功率對φ角調節(jié)的要求。
圖2是TOT控制法“超前觸發(fā)脈沖形成電路”框圖及波形圖。該電路由中頻負載電路電壓uH和電容支路電流信號及其轉換電路，異或非門U1A，比較器B，JK觸發(fā)器U3A和斜波生成電路組成。其核心部分是保證在uH過零之前的TOT時間內，比較器B產生下降沿，使JK觸發(fā)器翻轉，由Q及Q端輸出超前觸發(fā)脈沖。比較器B反相輸入端接斜坡電壓信號uc2；而同相輸入端接?角調節(jié)信號uc1。通過uc1與uc2比較（交點）確定觸發(fā)脈沖位置。
圖3
4?φ角的控制思想和策略
常規(guī)并聯(lián)諧振電流型中頻電源一般按下列思想設計控制電路，即在升溫初期，讓觸發(fā)角固定在某一?min下，依靠調節(jié)整流橋的控制角α來提升中頻電壓uH；而在升溫后期，則靠保持最大直流輸出功率Pdmax=UdmaxIdmax完成熔煉。但由于RH的變化，使熔煉大部分時間達不到Pdmax，因而熔煉周期長，熱損大，效率低。為此，可以保留升溫初期的控制過程不變，而在升溫后期，采用調節(jié)?的控制方法，使Rd保持不變，維持最大功率輸出，使中頻電源由低效變成高效。
調節(jié)φ角的控制電路如圖3所示。圖中①是用于控制場效應管Q1“通－斷”的比較器；②是φ角調節(jié)器；③是加法器；④是限幅電路；⑤是超前觸發(fā)脈沖形成電路。圖4給出了φ角調節(jié)過程中uHf（中頻爐線圈電壓反饋值），ud及uc1的變化曲線。系統(tǒng)在投入工作前uH＊為最大值（可根據(jù)中頻負載電路中電容器和逆變晶閘管的耐壓確定），uc1的最大值uc1max和最小值uc1min對應于φmin和φmax。在階段Ⅰ，直流電壓ud還沒有達到最大值，uH的大小完全由原有整流橋控制角α調節(jié)，此時ud小于比較器①整定值ub1，比較器①輸出高電平，場效應管Q1導通，φ角調節(jié)器②不起作用，③輸出為最大值，④輸出為uc1的最大限幅值uc1max（φmin）；在階段Ⅱ，直流電壓ud已達到最大值，比較器①翻轉，使場效應管Q1截止，φ角調節(jié)器開始工作，并自動進行調節(jié)。若調節(jié)過程中φ角大于φmax。則由④輸出進行限幅。
5 結語
本文所設計的高效中頻熔煉電源控制電路有以下幾個特點：
——電路集成化高，抗干擾能力強，適用于頻率為1000Hz～2500Hz的中頻感應熔煉；
——輸入信號取自原檢測電路與控制電路，不須另加檢測電路；
——?角調節(jié)電路可取代原逆變觸發(fā)器，并可與原逆變觸發(fā)器互為備用，既可使中頻電源實現(xiàn)高效控制，又可提高運行可靠性。
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