：转载时请以超链接形式标明文章原始出处和作者信息及

   摘要:分析了一种新型晶闸管中频感应加热电源主回路和控制电路的结构及工作原理 ,给出了主电路仿真和 实验结果。
   关键词:感应加热;逆变;电源/斩波控制、

  1 　引　言
    感应加热已广泛用于金属熔炼、热处理、锻件透热等领域。但是 ,常用的晶闸管中频感应电源加热中小工件存在输出电压高 ,感应线圈长 ,线路复杂 ,效率低的问题。为此 ,设计研制了一种新型 ,并于 1999 年获得实用新型专利。

   2 　主电路结构及工作原理
    中频电源的主回路如图 1 所示 ,主要包括二极管整流桥、斩波器、 LC 滤波电路、逆变桥以及由L1C1 组成并联谐振回路作为炉体[1 ]。

   380V 的三相工频交流电经 VD1～VD6 组成的全桥整流模块在电容 C4 上可输出电压 500V 的直流。再由晶闸管 VT1、电容 C5、电感L5、续流二极管VD7 进行斩波控制[2 ]经电容 C6 ,电感L4 滤波变成C6 上电压可调的直流电。C4 的作用是给斩波器提供一个高频通路 ,避免它对电网的干扰。其电容量只有 180 μF ,所以合闸时冲击电流不很大。

   逆变桥两臂由晶闸管 VT2 ,VT3 及阻容保护组成 ,另两臂为电容 C2 ,C3 通过两个可调电感 L2 ,L3与晶闸管桥臂连接。感应加热线圈 L1 与补偿电容C1 并联 ,其谐振频率决定晶闸管触发导通的频率 ,使电源及桥臂上两组电容周期性通过晶闸管对感应加热线圈供电 ,由此产生中频交变磁通穿过炉体加热工件。当晶闸管 VT2 导通时 ,电容 C2 经电感 L2正向通过负载放电 ,同时电源经上述通路向电容 C3充电 ,由于 C1 ,C2 及 L2 构成的串联谐振回路的固有频率ω2 略高于 C1 ,L1 并联谐振回路的固有频率ω0 ,所以通过电感L2 的电流在电容 C1 电压过零前已衰减为零 ,晶闸管 VT2 自行关闭 ,此时 V c2 - V c1< 0 ,晶闸管 VT2 承受的反压促使其加速关闭 ,当V c1过零且晶闸管 VT2 承受反压超过其关断时间时 ,控制电路产生触发脉冲使晶闸管 VT3 导通。电容 C3 反向通过负载和电感 L3 放电 ,同时电源经此通路向 C2 充电。当电流为零时 ,晶闸管 VT3 自行关闭 ,延迟一段时间且 V c1再次过零后 ,触发脉冲又使晶闸管 VT2 再次导通 ,完成一个振荡周期。

  电路中设有过压保护 ,R1为压敏电阻 ,正常电压时 R1 漏电流极小 ,R4 上的压降很小。在工作状态下 ,C6 上的电压总是低于 C4 上的 500V。晶闸管VT4 大部分时间处于反压而截止。当逆变桥因触发脉冲丢失而突然停止工作时 ,流过铁芯电感L4 上的电流将通过续流二极管 VD7 向电容 C6 充电 ,使C6 的电压不断上升引起过压。当电容 C6 上电压超过 650V 时 ,流过 R1 的电流急剧增加 ,电阻 R4 上压降使晶闸管 VT4 导通。于是 ,铁芯电感的电流通过VT4 及L6 回路 ,不再向 C6 充电 ,实现过压保护。直至这一电流因线圈本身的电阻而逐渐衰减为零时 ,晶闸管 VT4 自行关断。

3 　控制电路方案设计与工作原理

  控制电路结构如图 2 所示 ,其调控功能主要包括:启动、斩波调功率、产生逆变晶闸管触发控制信号、直通保护、缺水保护及停炉

   启动时 ,双刀双掷开关 K闭合 ,双稳[ SW]输出的高电位通过限流电阻R9 ,水保护系统[ SBH]和指示灯向光耦 V G7 供电 ,斩波器开始工作。同时 ,K闭合使电阻 R7 ,R8 的中点接地 ,延时后[ YS4 ]输出跳变为高电压 ,又经C14 ,R19微分触发三极管 V3 ,放大的脉冲通过脉冲变压器B3 去触发晶闸管 VT3 ,于是电炉启动并进入自激状态。

  斩波控制的同步信号从晶闸管 VT1 的两端 a , b取得 ,经电阻分压 ,限流 ,驱动光耦V G1。当 V ab达 300V 左右 ,施密特电路[ SMT]翻转 , [ YS1 ]延时 , [MC]产生系列脉冲 ,再经三极管 V1 功放 ,推动脉冲变压器B1触发晶闸管 VT1。延时时间 t 可以通过电位器 R5来调节 , t 越长斩波器的输出电压越低 , t 的长短控制中频电源的输出功率。t 的长短和负载大小决定斩波器的工作频率 , t 越短负载越大则频率越高。

 逆变晶闸管 VT2 ,VT3 与炉膛工作状态同步的触发信号从补偿电容两端 f g 两点取得 ,经电阻 R16 ,R17和稳压管 Vz4 ,Vz5削波后 ,过限流电阻 R18加在光耦V G3 和 V G2 上。只有当 f 点的电压由负转正后 ,光耦 V G3 被打开 ,来自 R15并提供给 V5 的基流经光耦 V G3 入地 ,V5 截止并输出高电位。这一高电位经 R13 ,C13微分 ,V3 放大后通过脉冲变压器B3触发晶闸管 VT3。因此 ,VT3 的导通不仅与炉子信号同步 ,而且只有在 VT2 关断足够长时间后方能导通。同理 ,只有当 VT3 关断足够长时间后 ,VT2 方能被触通 ,从而有效地防止了直通。

  直通信号取自逆变晶闸管 VT2 ,VT3 的端点 c ,d , e。正常工作时 VT2 ,VT3 轮流导通 ,晶闸管两端电压Vcd ,Vde经二极管VD3～VD8 全波整流、叠加及稳压管 VZ3削波和阻容滤波后 ,提供一直流电压到光耦 V G6 输入端 ,使其输出低电位至双稳[ SW]的一个输入端。[ SW]另一输入端通过二极管 VD9 连接延时[ YS4 ]的输出 , [ YS4 ]的输入端经电阻 R7 ,R8连接 15V 电源 ,两电阻中点通过起炉开关 K接地。当逆变晶闸管 VT2 ,VT3 由于外界干扰或故障发生直通时 ,电压 V cd , V de同时为零 ,光耦 V G6 截止 ,双稳[ SW]输出低电位 ,光耦 V G7 截止而切断脉冲发生器[MC]的电源 ,使斩波器在零点几毫秒内停止工作 ,实现直通保护。为了有效预防直通 ,必须保证一个晶闸管关断足够长时间后再触通另一晶闸管。因此 ,晶闸管关断信号也取自 c , d , e 三点 ,当 VT2 承受反压关断时 ,光耦 V G5 被打开 , R11的高电位经[ YS3 ]延时后加到 R13上方能产生VT3 的触发脉冲。

 图 2 中所示的[ SBH]是五路水保护电压比较器的总成 ,当某一路冷却水回水不足时 ,排水铜管露出水面 ,铜管的电位升高使该路电压比较器反转 ,将控制光耦 V G7 的电流接地。于是 ,斩波器停止工作 ,达到缺水保护的目的。

 停炉时切断启动开关K,斩波器即停止工作。在停炉、直通保护和缺水保护时 ,斩波器停止工作 ,而逆变器继续工作。如图 1 所示 ,储存在铁芯电感L4中的磁能通过 VD7 继续向电容 C6 供电直至耗尽。

 4 　仿真及实验结果分析

  根据上述电路 ,提供所研制的某一中频感应电源主要参数为:额定功率 32kW ,逆变桥输入电压420V ,平均电流 77A ,晶闸管平均电流 80A。电源
输出电压 280V ,工作频率 3250Hz。加热钢质锻件坯料直径 30mm , 加热温度 1200 ℃, 生产率为1. 5kg/ min。

 电源逆变桥的主要数据:晶闸管 VT2 ,VT3 为KK200A/ 1600V ; 电 热 电 容 C2 , C3 为 500V/240kvar ;可调电感L2 ,L3 为0. 02mH;感应线圈内径
为60mm ,长度为 350mm ,共 27 匝;并联电容 C1 为375V/ 640kvar (两箱) 。将上述数据代入程序经计算机运算给出仿真结果如图 3 所示。

(a)双电容电压波形 (b)炉子电压波形 (c)逆变晶闸管电压波形    图 3 　计算机仿真结果

　　在相同电路条件下 ,电源实验结果如图 4 所示。电路分析、实验和仿真结果均表明 ,该电源输出电压低 ,较好地解决了国内普遍采用并联逆变器加热中小工件所存在的输出电压高、感应线圈长、匝数多、需要中频变压器降压、线路复杂、效率低的问题。

   图形显示了逆变晶闸管过零触发 ,其电压( V c2～V c1)是光滑过渡 ,既有效解决了引起高频振荡使晶闸管误导通而产生的直通 ,也改善了晶闸管工作状态。证实了控制电路是在一只晶闸管关断足够长时间后才产生触发脉冲 ,使另一晶闸管开通 ,有效避免了直通。

　                  (a)双电容电压波形 (b)炉子及晶闸管电压波形 (c)逆变晶闸管电压波形

     所研制的新型中频感应电源结构简单 ,操作维修方便 ,已成功应用于多家企业。经过近几年的生产考验 ,电炉工作稳定、功耗低、电热效率高、性能良好。

文章来源：