基于晶閘管關(guān)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(nèi)輸出功率達(dá)不到額定功率的問題，設(shè)計(jì)了一種對DC/AC逆變器采用調(diào)節(jié)功率角?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(shí)現(xiàn)高效控制。

關(guān)鍵詞：中頻電源；功率因數(shù)角?調(diào)節(jié)；關(guān)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(yīng)加熱熔煉過程中的正常工作如圖1所示，是以負(fù)載電路中的電流i_H超前其電壓u_H為前提條件的。逆變電路中晶閘管的超前觸發(fā)時間應(yīng)大于晶閘管關(guān)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(fù)角；

??????????? ω為中頻電源角頻率。

（a）主電路組成框圖

（b）負(fù)載電壓及電流波形

圖1??? 常規(guī)中頻熔煉電源主電路與負(fù)載電壓及電流波形

??? 設(shè)β為超前觸發(fā)角，為保證安全換流，應(yīng)考慮安全裕量角θ，則

??????? β=γ＋δ＋θ（2）

??? 負(fù)載電流i_H的基波超前其電壓uH的角度?稱為負(fù)載超前功率因數(shù)角，從圖1（b）可見

??? φ=γ/2＋δ＋θ（3）

??? 當(dāng)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(fù)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(dǎo)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?變小，若換流重疊角γ及θ不變，這意味著晶閘管的關(guān)斷恢復(fù)角δ減小，因而有可能導(dǎo)致逆變失敗。可見，當(dāng)實(shí)際恢復(fù)關(guān)斷時間減小時，為確保電源的安全運(yùn)行，要及時調(diào)節(jié)觸發(fā)角β或超前功率因數(shù)角φ。

2??? 中頻電源實(shí)現(xiàn)高效控制原理

??? 中頻電源用于熔煉時，其理想運(yùn)行狀況應(yīng)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(chǎn)和效率。但在實(shí)際熔煉金屬過程中，由于被熔煉材料的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率都隨溫度的變化而變化，將引起負(fù)載等效電阻R_H改變，使熔煉過程大部分時間達(dá)不到設(shè)計(jì)的最大輸出功率（即P_dmax=U_dmaxI_dmax）。

??? 事實(shí)上，從圖1（a）主電路組成框圖可看出，要實(shí)現(xiàn)恒功率輸出，只要讓等效直流電阻R_d(R_d=U_d/I_d)與中頻負(fù)載電路阻抗匹配就行，即當(dāng)R_H變化時，采用某種方法使R_d不變，這樣中頻輸出功率便不會隨R_H變化而變化。

??? 根據(jù)并聯(lián)諧振中頻電源R_d，R_H及φ的相互關(guān)系式

??? R_d≈0.81cos²φR_H（4）

??? 可知當(dāng)負(fù)載電路等效電阻R_H變化時，只要調(diào)節(jié)功率角φ，就可以使R_d保持不變，從而實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能。

3??? 晶閘管關(guān)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(chǎn)品，都采用了TOT（turn off time）定時控制法。其特點(diǎn)是按標(biāo)準(zhǔn)給定的TOT和實(shí)際TOT之間的差值及時對觸發(fā)角進(jìn)行調(diào)整，以便準(zhǔn)確控制逆變晶閘管的關(guān)斷恢復(fù)時間。前已述及，無論從安全運(yùn)行要求，還是確保恒功率輸出的要求，都希望調(diào)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(xiàn)[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?角調(diào)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(fù)載電路電壓u_H和電容支路電流信號及其轉(zhuǎn)換電路，異或非門U_1A，比較器B，JK觸發(fā)器U_3A和斜波生成電路組成。其核心部分是保證在u_H過零之前的TOT時間內(nèi)，比較器B產(chǎn)生下降沿，使JK觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，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u_c2；而同相輸入端接?角調(diào)節(jié)信號u_c1。通過u_c1與u_c2比較（交點(diǎn)）確定觸發(fā)脈沖位置。

（a）電路框圖

（b）波形圖

圖2??? 超前觸發(fā)脈沖形成電路

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(shè)計(jì)控制電路，即在升溫初期，讓觸發(fā)角固定在某一φ_min下，依靠調(diào)節(jié)整流橋的控制角α來提升中頻電壓u_H；而在升溫后期，則靠保持最大直流輸出功率P_dmax=U_dmaxI_dmax完成熔煉。但由于R_H的變化，使熔煉大部分時間達(dá)不到P_dmax，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(diào)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(diào)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(yīng)管Q₁“通－斷”的比較器；②是φ角調(diào)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(diào)節(jié)過程中u_Hf（中頻爐線圈電壓反饋值），u_d及u_c1的變化曲線。系統(tǒng)在投入工作前u_H^＊為最大值（可根據(jù)中頻負(fù)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u_c1min對應(yīng)于φ_min和φ_max。在階段Ⅰ，直流電壓u_d還沒有達(dá)到最大值，u_H的大小完全由原有整流橋控制角α調(diào)節(jié)，此時u_d小于比較器①整定值u_b1，比較器①輸出高電平，場效應(yīng)管Q₁導(dǎo)通，φ角調(diào)節(jié)器②不起作用，③輸出為最大值，④輸出為u_c1的最大限幅值u_c1max（φ_min）；在階段Ⅱ，直流電壓u_d已達(dá)到最大值，比較器①翻轉(zhuǎn)，使場效應(yīng)管Q₁截止，φ角調(diào)節(jié)器開始工作，并自動進(jìn)行調(diào)節(jié)。若調(diào)節(jié)過程中φ角大于φ_max。則由④輸出進(jìn)行限幅。

圖3?φ角調(diào)節(jié)器組成原理圖

（a）u_Hf及u_d的變化曲線

（b）u_c1變化曲線

圖4?角調(diào)節(jié)過程中u_Hf，u_d及u_c1的變化曲線

5??? 結(jié)語

??? 本文所設(shè)計(jì)的高效中頻熔煉電源控制電路有以下幾個特點(diǎn)：

??? ——電路集成化高，抗干擾能力強(qiáng)，適用于頻率為1000Hz～2500Hz的中頻感應(yīng)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；

??? ——φ角調(diào)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(shí)現(xiàn)高效控制，又可提高運(yùn)行可靠性。