基于晶閘管關斷時間控制的高效中頻電源

摘要：針對常規晶閘管并聯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逆變器采用調節功率角?的觸發控制電路，配合原有的AC/DC相控雙閉環控制電路，可以使中頻熔煉電源實現高效控制。

關鍵詞：中頻電源；功率因數角?調節；關斷時間控制

1??? 概述

??? 常規中頻電源是由AC/DC可控整流器與單相DC/AC電流型并聯諧振逆變器組成的，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。

（a）主電路組成框圖

（b）負載電壓及電流波形

圖1??? 常規中頻熔煉電源主電路與負載電壓及電流波形

??? 設β為超前觸發角，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i_H的基波超前其電壓uH的角度?稱為負載超前功率因數角，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，這會導致超前觸發時間

??? t=β/ω=(γ＋δ＋θ)/ω

減少，也會使超前功率因數角?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，要及時調節觸發角β或超前功率因數角φ。

2??? 中頻電源實現高效控制原理

??? 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R_H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P_dmax=U_dmaxI_dmax）。

??? 事實上，從圖1（a）主電路組成框圖可看出，要實現恒功率輸出，只要讓等效直流電阻R_d(R_d=U_d/I_d)與中頻負載電路阻抗匹配就行，即當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。

??? 根據并聯諧振中頻電源R_d，R_H及φ的相互關系式

??? R_d≈0.81cos²φR_H（4）

??? 可知當負載電路等效電阻R_H變化時，只要調節功率角φ，就可以使R_d保持不變，從而實現高效節能。

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（turn off time）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，都希望調節觸發角（即超前功率因數角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?角調節的要求。

圖2是TOT控制法“超前觸發脈沖形成電路”框圖及波形圖。該電路由中頻負載電路電壓u_H和電容支路電流信號及其轉換電路，異或非門U_1A，比較器B，JK觸發器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，比較器B產生下降沿，使JK觸發器翻轉，由Q及Q端輸出超前觸發脈沖。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?角調節信號u_c1。通過u_c1與u_c2比較（交點）確定觸發脈沖位置。

（a）電路框圖

（b）波形圖

圖2??? 超前觸發脈沖形成電路

4??? φ角的控制思想和策略

??? 常規并聯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，讓觸發角固定在某一φ_min下，依靠調節整流橋的控制角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，采用調節?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角調節器；③是加法器；④是限幅電路；⑤是超前觸發脈沖形成電路。圖4給出了φ角調節過程中u_Hf（中頻爐線圈電壓反饋值），u_d及u_c1的變化曲線。系統在投入工作前u_H^＊為最大值（可根據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u_c1min對應于φ_min和φ_max。在階段Ⅰ，直流電壓u_d還沒有達到最大值，u_H的大小完全由原有整流橋控制角α調節，此時u_d小于比較器①整定值u_b1，比較器①輸出高電平，場效應管Q₁導通，φ角調節器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已達到最大值，比較器①翻轉，使場效應管Q₁截止，φ角調節器開始工作，并自動進行調節。若調節過程中φ角大于φ_max。則由④輸出進行限幅。

圖3?φ角調節器組成原理圖

（a）u_Hf及u_d的變化曲線

（b）u_c1變化曲線

圖4?角調節過程中u_Hf，u_d及u_c1的變化曲線

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；

??? ——φ角調節電路可取代原逆變觸發器，并可與原逆變觸發器互為備用，既可使中頻電源實現高效控制，又可提高運行可靠性。