可控硅中频电源原理及使用说明书

  洛阳市大好机电有限公司是专业生产可控硅中频电源装置的老企业,公司占地面积

  20000余平方米，建筑面积近15000平方米。拥有高中级工程师二十余名，大部分员工

  都具有大中专以上学历，普通员工也是从技校毕业生中挑选出来的。公司从上世纪七十

  年代中期创建至今,始终与科研院校保持着紧密的合作伙伴关系,以科研为先导,从事中频电

  源的研发与制造。三十余年来我公司先后研发和制造了二十几代SCR系列可控硅中频

  电源装置,其产品遍布全国各地,并远销前苏联,越南,泰国,缅甸,马来西亚等国。优越可靠

  SCR7.1主控板是我公司最新研制开发的产品。其特点是：控制线路采用全集成化，

  可控硅中频电源装置简称可控硅中频装置,是利用可控硅的开关特性把50Hz的工频

  电流变换成中频电流的一种电源装置,主要是在感应熔炼,感应加热,感应淬火等领域中

  可控硅电源装置具有相当高的变换效率(90-95%),输出功率低时,电源转换效率并

  不降低,特别是在热处理行业中,有些被加热工件需要分段加热,频繁开机和停机,在停

  可控硅变频装置由半导体元件组成,没有复杂的机械旋转部分无震动,噪音小,安装

  可控硅装置的功率调节范围大。频率可随负载参数改变而自动变化(既所谓频率跟

  踪)。负载回路保持在近乎谐振状态,既在最佳状态下工作。再加上它有一系列的自动保

  基于以上几个维度,并伴随着新的专有集成电路的开发成功,其高度的稳定性及结构

  紧凑性,深受广大新老用户的欢迎。因此;洛阳市大好机电公司为满足用户需要。研制开发

  了SCR系列宽频带中频电源控制板。1)均采用了先进的大规摸芯片,元件少工作可靠2)

  先进的控制电路设计,稳定性很高故障率较低。3)频率适应范围宽,在50Hz—10000Hz范围内

  不必调整可直接用。4)采用零压软启动,启动成功率高无冲击。完全能满足广大热加

  绕组(既炉料)内的感应电势的有效值(用E2表示)与频率及交变磁通的最大值两个参数有

  关,在这个感应电势E2的作用下,炉料所形成的闭和回路中,便有涡流通过,涡流的数值

  大小,与感应电势E2成正比,与炉料回路的阻抗成反比,当炉料的阻抗已确定的情况下,

  则发热与感应电势成比例。无铁心感应电炉由于没导磁的物体存在,所以磁力线必须经

  过空气而闭合,但是空气的磁阻很大,会减少有效的磁通量,为了要获得所必须的感应电势,

  就要求增加磁力线的切割速度,这就要求增加通过感应线圈电流的频率,来达到发热效果

  显著的目的。但在真实的情况下炉料中感应电流的流动,也会形成磁场,但其方向是与感应

  器的磁场相反,二个磁场迭加一起的结果将削弱整个的作用。随着不断被削弱的磁场继续

  向炉料内部深入分布并不断产生电流,而电流的去磁作用又促使炉料中感应的电场强度

  和电流密度自表面向中心剧烈的减小,电流的频率愈高,此现状也愈显著,这也就是所谓

  为了提高炉料的发热量,如果无限制的增高频率,一则受到电源装置复杂性的限制,更

  重要的是由于上述集肤效应的原因,涡流发热随着电流频率的升高,只局现在炉料周围的

  表面层,而炉料中心的热量是由表面传导进来的,所以加热时间将拉长了,电效率不再上

  升。电源的频率与电效率之间的关系能这样来描述,在感应电炉炉料直径固定,炉料的

  物理性能不变的情况下,电效率将随着电流频率的增加而显著上升,但当频率继续增加时,

  电效率将不再随频率变化而近于饱和阶段。因此,我们大家可以作一断言,对于一定尺寸的感

  应炉,并在炉料和感应器材料的物理性质为同一条件下,则必定有一临界频率的存在。正

  是以上原因的存在,电炉生产厂商将根据炉子的大小来选定频率的高低。考虑到炉子的电

  效率和热效率,选定合适的频率。炉子容量较小时频率选高些,容量较大时选低些,一般在

  可控硅中频电源的输出功率一定要满足感应炉的上限功率,还要考虑到输出功率能很

  方便的调节,这是因为通常感应炉的坩埚的寿命约熔炼数十炉后就损坏了,必须重新修筑

  坩埚炉衬,而新的坩埚炉衬筑好后必须对其进行低功率烘炉,通常烘炉是从10-20%的额定

  功率开始,然后每隔一段时间升高10%功率,直至额定功率。再则,熔炉过程中,当炉料熔化

  后,必须对炉料的成分进行化验,而化验期间为不使炉料熔化后沸腾剧烈,这时中频电源必

  须减小输出功率,使炉料保温。鉴于以上情况,所以要求可控硅中频电源能从10%-100%

  感应炉的电效率与频率之间的关系是相关连的。从电效率出发可以决定可控硅中频

  电源的输出频率。例如我们称这一频率为fo。感应器其实就是一个电感线圈，而为要补

  偿线圈的无功功率,在线圈的两端并联电容,这就组成了LC震荡回路。当可控硅逆变器

  的输出频率f等于感应炉回路的固有震荡频率fo时,则此时回路的功率因数等于1。感

  应炉内将得到最大的功率。从以上能够准确的看出,回路的固有震荡频率与L和C的数值有关,

  一般补偿电容C 的值是固定不变的,而电感L 则因炉料的导磁系数变化而变化,例如炼刚

  时,冷炉钢的导磁系数μ 很大,所以电感 L 较大,而当钢的温度高到过居里点时钢的导磁

  系数 μ =1,所以电感L 减小,因而感应炉回路的固有震荡频率 fo 将有低变高。为了使感

  应炉在熔炼过程中始终都能得到最大的功率,这就要求可控硅中频电源的输出频率 f 能

  这是因为当炉料在熔炼过程中,一旦中频电源出现故障,严重时会损坏坩埚所以要求

  可控硅中频电源工作要可靠,还须具备必要的限压限流保护,过压过流保护,断水保护,等

  其它自动保护装置。此外,要求可控硅中频电源启动成功率要高,启动停止操作要方便。

  三相桥式全控整流电路共有六个桥臂,在每一个时刻必须 2 个桥臂同时工作,才能够

  成通路,六个桥臂的工作顺序如图3 。现假定在时刻t1-t2(t1-t2 的时间间隔为60

  即为VAB。到时刻t2-t3 可控硅SCR2 因受脉冲触发而导通,而SCR6 则受BC 反电压而关

  t3-t4,SCR3 因受脉冲触发而导通，SCR1 受到 VAB 的反电压而关闭,将电流换给了

  VBA,VCA,VCB,这样既把一个三相交流进行了全波整流,从上述分析能够准确的看出,在一个周期

  中,输出电压有六次脉冲。这种整流电路由于在每一瞬间都有两个桥臂同时导通,而且每

  根据三相桥式全控整流过程的有关要求,首先要保证触发电路与三相电源严格同步。

  既有A 相产生的触发脉冲必须接于整流电路1 号,4 号可控硅(称为正A 负A ),B 相产生

  的触发脉冲接于3 号,6 号可控硅(称为正 B 负B),C 相产生的触发脉冲接于 5 号,2 号可

  控硅(称为正C 负C)。本系统(如图4 整流触发线路 )整流触发线路里,三相同步信号直

  相说明)组成积分电路。电容量一定,改变阻值大小就可改变时间常数。其作用有:(1)滤

  除网电杂乱尖峰波干扰,使同步信号纯正,定位准确,避免整流可控硅误动作。(2) 调整三

  通过以上整形后的三相同步信号,由 C4.C5.C6.分别送入大规模集成块 TCA787C 的同

  步输入端1.2.18 角。按三相全控整流桥触发电路的要求由7.8.9.10.11.12 角分别输出

  冲功率放大。再由 6 只脉冲变压器输出,经整形后接于整流桥的 6 只可控硅的控制极和

  1)由于三相全控整流桥工作在较低的频率范围,所以普遍选用普通整流可控硅,即KP

  2)跟据三相全控整流电路的理论计算,流过每一个可控硅的电流是整流输出总电流

  的0.334倍。所以在使用中为了留有足够的富裕量,一般都会采用与电源的额定电流值相同大

  3)进相电源电压为三相380V的机型中,选定耐压值为1200V—1400V的KP硅。进相电压

  无论是感应加热或是感应熔炼,负载的功率因数都是很低的,也就是感应的 Q 值很

  高,在感应熔炼炉来说 Q 值一般在 10-14 之间,对感应加热来说,则根椐偶合程度Q 值为

  什么是Q值,Q值是指线圈的感抗和线圈的电阻之比。也就是炉子的无功功率和有功

  功率之比。举例来说,250Kg的感应熔炼炉,其需要的有功功率为160kw.假定Q值为10,则其

  无功功率为1600 kfar,这样大的无功功率,很显然不能有电网供给,那样电网的容量将非常

  庞大而不经济,因此,必须用能提供无功功率的电容器进行补偿,这个原理就象一般工厂里

  无功功率的补偿方法有二种,一种是补偿电容器和炉子串联,叫作串联补偿,补偿电

  容器和炉子并联的叫做并联补偿。针对二种不同的补偿方法,可以有两中不同的逆变线路,

  Ld,可控硅(1)(2)流向LC 谐振回,由于Ld 的电感值比较大,Id 受Ld 的限止基本上不变化而保

  持恒定,LC 谐振回路受到一个恒定电流的激励,而产生谐振,震荡电压为正弦波,也就是说

  电容器两端的电压为正弦波,(这相当于图 7(a)及图 8 中时刻 t1 前的电流电压波形)假定在

  这一时刻电容器两端的电压极性左端为正,右端为负。电容器两端电压将按正弦波规律变

  化,如果我们在电容器两端电压尚未过零之前的某一时刻(图8 中的时刻t1)触通可控硅(3)

  器两端的电压通过可控硅(3)(4)加在可控硅(1)(2)上,阳极电压为负,阴极电压为正,可控硅(1)(2)

  两端由于承受一个反向电压而迅速关断,也就是说可控硅(1)(2)将电流换给可控硅(3)(4).换

  流以后,直流电流经电抗器Ld,可控硅(3)(4),从相反方向激励了谐振回路。电容器两端电压

  继续按正弦规律变化,而电容器两端电压的极性变成左端为负,右端为正,(如图 7(c)),对应

  的波形图位图8 中的t2—t3 时刻。在负载回路中的电流也改变了方向。当电容器右端的

  正电压再要过零之前的某一时刻(这相当于图8 中的t3 时刻),再将可控硅(1)(2)触通则再次

  能使可控硅承受正向电压。(这种残留载流子的消失时间与可控硅的构造,结温,及关断前

  流过可控硅的电流等有关)如果残留载流子尚未完全消失,既加上正向电压,可控硅将重

  新再度导通。因此,引前触发时间tf 必须大于换流时间tr 与关断时间toff 之和,既tf>

  tr+toff,

  不然的话,则可控硅尚未完全关断又将承受正向电压而再度导通,这就会造成非常危险的

  直通短路。但是，安全换流时间 tr 所对应的超前角α 也不能太大,主要是考虑下面两个

  原因；(1)α 角度增大,电容器两端电压 Uc 就要增高,这将受到电容器和可控硅所能承受

  电压的限制,在单相桥式逆变线路中,当直流输入电压为 Ud,中频输出电压为 Uc,则在 Ud

  和Uc 的有效值之间有下述关系；Uc=1.1Ud/cosα 。从式中能够准确的看出,在输入直流电

  压 Ud 相同的条件下,当α 角度增大,则 cosα 值减小,Uc 将增大,也既加于电容器和可控

  硅两端的电压将增高。这一点受到所选用的电容器即可控硅的耐压限制。(2)中频输入

  的有功功率与α 的关系：中频输出的有功功率P=Uc.ILcosα 。式中能够准确的看出在相同的中

  频电压电流条件下ɑ 角愈大,有功功率输出愈小,如果要保持一定的输出功率，则ɑ 角度

  4)综上所述,在目前考虑到可控硅的关断时间及所选用的可控硅元件,电容器的耐

  压水平,在输出中频频率1000Hz 的情况下引前触发时间tf 取100 µs 左右,对应的角度ɑ

  回路时曾讲到应补偿到谐振状态,实际上补偿到谐振状态还不行,为了要保证我们这一线

  路能正常工作,必须要过补偿,即补偿到电流超前电压一个ɑ 角的程度。在前面的分析当

  中,假定换流是瞬时完成的,就是说关闭的可控硅的电流是瞬时转换给导通的可控硅的,但

  是这样是不允许的,受到可控硅允许的电流上升率 di/dt 的限制,如果转换太快,可控硅将

  烧毁。这是因为,当可控硅触发以后,电流首先在控制极附近流通,然后才以每微秒大约

  0.1mm 的速度从控制极中心向外扩展,最后电流扩展到整个硅片,这样将使硅片的某些区

  域发生过热而烧坏,可控硅允许的电流上升率 di/dt 数值,随频率,换流时阳极电压,电流峰

  值及结温的增高而下降。为了限制换流过程中的电流上升率 di/dt 必须在每个桥臂中串

  接一定数量的电感,但是这个换流电感值也不能太大,因为换流的重叠时间 tr 直接有这个

  换流电感决定,如果这个电感数值太大,则换流时间将拖长,当电流增大时,时间会更长,以

  致是总的时间大于安全换流时间tf,而是换流没办法完成造成逆变失败。一般考虑tr=Id/di/dt,

  式中；I 为流过可控硅的电流,di/dt 为可控硅元件允许的电流上升率。因此；在中频频率

  的线路中很重要,不满足这一点,这种逆变线)在具体的线路中,为实现以上触发提前的要求,采用的是谐振回路的电压 Uc 和

  流过电容器的电流 Ic 的合成信号,因为两个信号的交差点位置刚好在 tf 所要求位置附近

  共同组成双向比较器电路。（实际上也叫窗口式比较器）当合成信号正半周到来时,3