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1、1 概述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(2.0KHz-8.0KHz) 主要是在感应熔炼,感应加热 ,感应淬火等领域中广泛应用。它的优点是 : 效率高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 ,在停机状态下无损耗。因此,在感应加热行业中采用可控硅中频装置可节约能源。体积小重量轻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 ,安装时对地面基础无特殊要求。操作方便可控硅装置的功率调节
2、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护装置,使它的工作稳定可靠。启动灵活可控硅变频装置一般采用零压软启动,启动成功率高无冲击,快而平稳。基于以上几个方面,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,深受大家的欢迎。感应加热的原理中频无铁芯感应电炉的基本原理是属于空气芯变压器的一种类型,感应圈相当于变压器的初级绕组,而坩埚内部的金属炉料则相当于变压器的次级绕组(既负载 )当在初级绕组中通过中频电流(2000Hz 8000Hz)就在电磁场的作用和应响下,产生磁力线切割次级绕组,致使炉
3、料产生感应电势,并在垂直于感应圈轴线的表面内引起感应电流 (称涡流 ),从而使炉料本身发热将金属熔化。用于锻造的加热到锻造温度。根据变压器互感应的理论,在次级绕组 (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有导磁的物体存在,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
4、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。但在实际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,这种现象也愈显著,这也就是所谓集肤效应作用的结果。为了提高炉料的发热量,如果无 * 的增高频率 ,一则受到电源装置复杂性的*, 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
5、 ,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可以这样来描述,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,电炉生产厂家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 2000Hz-8000Hz 范围内无铁芯感应炉对可控硅中频电源的要求感应炉对可控硅
6、中频电源的输出功率要求。可控硅中频电源的输出功率必须满足感应炉的最大功率,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2 其进行低功率烘炉,通常烘炉是从10-20%的额定功率开始,然后每隔一定时间升高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%额定输出功率的范围内方便的调节。用于锻造与热处理的透热炉不存在烘炉的过程。感应炉对
7、可控硅中频电源的输出频率要求。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 。感应器实际上是一个电感线圈，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。从以上可以看出,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
8、磁系数=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 能随着fo 的变化而变化，始终保持频率自动跟踪。可控硅中频电源的工作原理可控硅中频电源的基本工作原理,就是通过一个三相桥式整流电路,把 50 Hz 的工频交流电流整流成直流,再经过一个滤波器(直流电抗器 )进行滤波 ,最后经逆变器将直流变为单相中频交流以供给负载,所以这种逆变器实际上是一只交流直流 交流变换器 ,其基本线路如图2 。三相桥式全控整流电路的原理与工作过程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
9、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60o 电角度，既相当于一个周波的1/6)此时 SCR1和 SCR6同时工作 (图 3(a)中涂黑的SCR),输出电压即为VAB 。 到时刻 t2-t3 可控硅 SCR2 因受脉冲触发而导通,而 SCR6则受 BC 反电压而关闭 ,将电流换给了SCR2,这时 SCR1 和 SCR2同时工作 ,输出电压即为VAC,到时刻 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SCR3,SCR2 和SCR3 同时工作 ,输出电压为VBC,据此到时刻t4-t5, t
10、5-t6, t6-t1分别为SCR3 和 SCR4, SCR4 和 SCR5, SCR5和 SCR6 同时工作 ,加到负载上的输出电压分别为VBA,VCA,VCB,这样既把一个三相交流进行了全波整流,从上述分析可以看出,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 ,而且每个桥臂导通时间间隔为60o,故对触发脉冲有一定要求,即脉冲的时间间隔必须为60o,而且如果采用单脉冲方式 ,脉冲宽度必须大于60o,如果采用窄脉冲 ,则必须采用双脉冲的方法, 既在主脉冲的后面60o的地方再出现一次脉冲。三相同步及触发线路1,三相同步的选取及整形根据三相桥式全控整流过程
11、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)。一般通过通过降压电阻降压,进入由三个电位器 W1,W2,W3 和三个电容器C1,C2,C3 组成的三相同步滤波,整形 ,平衡电路。它的特点是由W,C 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) 调整三相不平衡度
12、,调节移相范围可达12o 使整流桥输出平衡。2, 整流可控硅的选取。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 系列可控硅。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3 中为了留有足够的富裕量,一般选用与电源的额定电流值相同大小的可控硅。3,进相电源电压为三相380V 的机型中 ,选定耐压值为1200V1400V 的 KP 硅。进相电压为三相660V 的机型中 ,选定耐压值为2000V2500V 的 KP 硅.三相可控硅中频电源装置的逆变电路两种逆变器电路无论是感应加热或是感应熔炼, 负载的功率因数
13、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 5-9 之间。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补偿功率因数一样。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
14、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, 一种叫作串联逆变器, 一种叫作并联逆变器 , 如图图中可控硅SCR1-SCR4 组成了一个桥式线路,Ld 为直流电抗器 ,L 为感应炉 ,C 为补偿电容 , LC组成一个并联谐振线路。这个线路是如何工作, 又是怎样把直流变为中频电流呢; 我们首先来研究分析一下线路正常情况下是如何工作的。图 7 表示一个工作循环的情况。假设在图 7(a) 中,先是 (1) (2) 导通 (3)(4)截止 ,则直流电流Id 经电抗器 Ld, 可控硅 (1)(2)流向 LC谐振回 , 由于 Ld 的电感值比较大 ,
15、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) 与(4), 此时可形成可控硅(1)(2)(3)(4)同时导通的状态,( 如图 7(b),由于可控硅 (3)(4)的导通 , 电容器两端的电压通过可控硅(3)(4)加在可控硅 (1)(2)上
16、, 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)触通则再次形成4 个桥臂可控硅 (1)(2)(3)(4)同4 时导通状态 , 但在此时使可控硅(3)(4)承受一个反向电压, 而将电流换给了可控硅(1)(2),这就完成了一个工作循环。从上述换流过程中我们可以看出, 当可控硅 (1)(2)导同时电流自一个方向流入负载, 当可控硅(3)(4)导通时电流从相反方向流入负载, 可控硅 (1)(2)与(3)(4)相互轮流导通和关断, 就把一个直流变成了交流 , 可控硅 (1)(2)与(3)(4
