【導(dǎo)讀】廣大工程師都有這樣一個困擾，常規(guī)晶閘管并聯(lián)諧振中頻電源存在的在熔煉期內(nèi)輸出功率達不到額定功率，針對這一問題，本文設(shè)計了一種對DC/AC逆變器采用調(diào)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。
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)輸出功率達不到額定功率的問題，我們設(shè)計了一種對DC/AC逆變器采用調(diào)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。
常規(guī)中頻電源介紹：
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(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。
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+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φ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)實際恢復(fù)關(guān)斷時間減小時，為確保電源的安全運行，要及時調(diào)節(jié)觸發(fā)角β或超前功率因數(shù)角φ。
中頻電源實現(xiàn)高效控制原理：
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
中頻電源用于熔煉時，其理想運行狀況應(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RH改變，使熔煉過程大部分時間達不到設(shè)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(fù)載電路阻抗匹配就行，即當(dāng)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(guān)系式
Rd≈0.81cos2φRH (4)
可知當(dāng)負(fù)載電路等效電阻RH變化時，只要調(diào)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。
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(turnofftime)定時控制法。其特點是按標(biāo)準(zhǔn)給定的TOT和實際TOT之間的差值及時對觸發(fā)角進行調(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[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(diào)節(jié)的要求。
圖2：超前觸發(fā)脈沖形成電路
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uc2；而同相輸入端接?角調(diào)節(jié)信號uc1。通過uc1與uc2比較(交點)確定觸發(fā)脈沖位置。
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(diào)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(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。
圖3：φ角調(diào)節(jié)器組成原理圖
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(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對應(yīng)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(diào)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(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uc1max(φmin)；在階段Ⅱ，直流電壓ud已達到最大值，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，并自動進行調(diào)節(jié)。若調(diào)節(jié)過程中φ角大于φmax。則由④輸出進行限幅。
圖4：φ角調(diào)節(jié)過程中uHf，ud及uc1的變化曲線
本文設(shè)計的高效中頻熔煉電源控制電路有以下幾個特點：（1）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(yīng)熔煉；（2）輸入信號取自原檢測電路與控制電路，不須另加檢測電路；（3）角調(diào)節(jié)電路可取代原逆變觸發(fā)器，可與原逆變觸發(fā)器互為備用，既使中頻電源實現(xiàn)高效控制，又提高運行可靠性。
相關(guān)閱讀：
如何提升晶閘管抗干擾能力？
http://www.okpsp.com/restify-art/80020854
用于電路保護的開關(guān)型晶閘管電壓抑制器
http://www.okpsp.com/cp-art/80020296
晶閘管和IGBT功率開關(guān)器件的保護作用對比
http://www.okpsp.com/cp-art/80019881
