《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于晶閘管關(guān)斷時(shí)間控制的高效中頻電源
宋朋,劉群,敖章洪
摘要: 針對(duì)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(duì)DC/AC逆變器采用調(diào)節(jié)功率角的觸發(fā)控制電路。
Abstract:
Key words :

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(guò)程中的正常工作如圖1所示,是以負(fù)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(shí)間應(yīng)大于晶閘管關(guān)斷時(shí)間,即

    t>(γδ)/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=γδθ(2)

    負(fù)載電流iH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+δθ(3)

    當(dāng)中頻電源用于熔煉金屬時(shí),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(huì)導(dǎo)致超前觸發(fā)時(shí)間

    t=β/ω=(γδθ)/ω

減少,也會(huì)使超前功率因數(shù)角變小,若換流重疊角γθ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(shí)間減小時(shí),為確保電源的安全運(yùn)行,要及時(shí)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(shí),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(shí)間,提高單產(chǎn)和效率。但在實(shí)際熔煉金屬過(guò)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RH改變,使熔煉過(guò)程大部分時(shí)間達(dá)不到設(shè)計(jì)的最大輸出功率(即Pdmax=UdmaxIdmax)。

    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Rd(Rd=Ud/Id)與中頻負(fù)載電路阻抗匹配就行,即當(dāng)RH變化時(shí),采用某種方法使Rd不變,這樣中頻輸出功率便不會(huì)隨RH變化而變化。

    根據(jù)并聯(lián)諧振中頻電源RdRHφ的相互關(guān)系式

    Rd≈0.81cos2φRH(4)

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

3    晶閘管關(guān)斷時(shí)間(TOT)控制電路的引用

    以德國(guó)AEG公司,英國(guó)RADYNE公司為代表的中頻電源產(chǎn)品,都采用了TOT(turn off time)定時(shí)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(shí)對(duì)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(shí)間。前已述及,無(wú)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(shí)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(duì)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uH和電容支路電流信號(hào)及其轉(zhuǎn)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(guò)零之前的TOT時(shí)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(hào)uc2;而同相輸入端接角調(diào)節(jié)信號(hào)uc1。通過(guò)uc1uc2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φmin下,依靠調(diào)節(jié)整流橋的控制角α來(lái)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(shí)間達(dá)不到Pdmax,因而熔煉周期長(zhǎng),熱損大,效率低。為此,可以保留升溫初期的控制過(guò)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(chǎng)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(guò)程中uHf(中頻爐線圈電壓反饋值),uduc1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(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uc1min對(duì)應(yīng)于φminφmax。在階段Ⅰ,直流電壓ud還沒有達(dá)到最大值,uH的大小完全由原有整流橋控制角α調(diào)節(jié),此時(shí)ud小于比較器①整定值ub1,比較器①輸出高電平,場(chǎng)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uc1的最大限幅值uc1maxφmin);在階段Ⅱ,直流電壓ud已達(dá)到最大值,比較器①翻轉(zhuǎn),使場(chǎng)效應(yīng)管Q1截止,φ角調(diào)節(jié)器開始工作,并自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。若調(diào)節(jié)過(guò)程中φ角大于φmax。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)uHfud的變化曲線

(b)uc1變化曲線

圖4角調(diào)節(jié)過(guò)程中uHfuduc1的變化曲線

5    結(jié)語(yǔ)

    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(gè)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(hào)取自原檢測(cè)電路與控制電路,不須另加檢測(cè)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。

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