【文章內(nèi)容簡介】 。為了減小逆變管的開關(guān)損耗，逆變器的工作頻率大于其諧振頻率。若逆變器的工作電壓不變，則在諧振點附近的輸出功率最大，當提高逆變器工作頻率時，負載等效阻抗增高，輸出功率減小，輸出功率因數(shù)很低，而且逆變器主開關(guān)管工作在硬開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，效率低。高頻感應熱處理逆變電源采用并聯(lián)諧振式全橋DC/AC逆變電路，以晶閘管為主開關(guān)器件，由電流調(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)組成雙閉環(huán)進行功率調(diào)節(jié)，用頻率跟蹤電路控制逆變器的工作頻率，使逆變器始終工作于諧振狀態(tài)，逆變器輸出功率因數(shù)接近于1，而且能始終工作在準零電流開關(guān)狀態(tài)、整機工作效率較高。 控制電路的作用感應加熱電源的控制電路必須至少起著以下作用:（1）調(diào)節(jié)控制電路必須對整流電路、逆變電路等系統(tǒng)主電路部分進行功能控制。對于整流電路、逆變電路必須在各種擾動下維持系統(tǒng)各參量(如電流、輸出電壓等)不偏離其設(shè)定值。（2）上述各參量因各種故障而超出其設(shè)定的極限值時，控制電路應將調(diào)節(jié)器封鎖，使整流電路轉(zhuǎn)入逆變工作狀態(tài)。（3）是為了達到調(diào)節(jié)和保護等目的，系統(tǒng)必須具有對各種參量進行測量和監(jiān)視的能力。例如對冷卻水的壓力、水流量、水溫，控制柜中的氣溫，中頻電壓和電流等參量的測量和監(jiān)視。（4）中頻加熱電源的負載頻率必須要實現(xiàn)自動跟蹤功能。（5）控制為了協(xié)調(diào)各部分工作，保證整個電源能按照預定的程序正常運行，系統(tǒng)必須具有嚴密的控制操作。但是，與其他自動裝置相比較，中頻電源對各項調(diào)節(jié)品質(zhì)指標的要求(動態(tài)的和靜態(tài)的)相對要低一些。而動態(tài)指標與靜態(tài)指標相比，后者是主要的。前者僅限于電源在擾動下不至于失去控制。 控制策略直到目前為止，工業(yè)中常用的中頻電源仍以并聯(lián)諧振逆變電路為主，功率調(diào)節(jié)方式都是采用單獨調(diào)節(jié)可控整流器輸出電壓的方法。中頻電源的開環(huán)控制如圖9所示。d2給定電壓整流控制角調(diào)節(jié)器UsaUdUdUNTCf U0d1負載電路可控整流逆變電路濾波電路圖9 中頻電源開環(huán)原理控制過程如下：整流觸發(fā)控制角調(diào)節(jié)器把輸入控制信號轉(zhuǎn)換成控制角?？煽卣麟娐吩陔娋W(wǎng)電壓為的條件下把轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓；經(jīng)過濾波電感后，逆變器將輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為頻率為f的中頻電壓向負載輸出電能；負載電路將中頻電壓轉(zhuǎn)換成工件溫度，改變控制信號即可改變工件溫度。開環(huán)系統(tǒng)的特點是結(jié)構(gòu)簡單，但是對擾動沒有調(diào)節(jié)能力。逆變觸發(fā)電路脈沖形成電路UsaUdUnfd1UdU0UtU1 可控整流給定電壓d2電壓調(diào)節(jié) 器Tc負載電路電壓反饋電路整流控制角調(diào)節(jié)器濾波電路逆變變路圖10 中頻電源控制原理閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理圖如10所示。電壓反饋電路把輸出中頻電壓，轉(zhuǎn)換成反饋電壓（直流），后者與給定電壓Us相比較，并產(chǎn)生差值電壓；電壓調(diào)節(jié)器將此差值電壓放大。這樣系統(tǒng)在外界干擾和的作用下也能維持輸出電壓為恒值。擾動模擬三相電網(wǎng)電壓的波動；擾動模擬由于負載性質(zhì)變時所引起的阻抗變化，當直流電壓為定值時，負載阻抗變化將引起輸出電壓的變化。圖中另一內(nèi)環(huán)描述逆變電路具有頻率自動跟蹤的能力。脈沖形成電路將連續(xù)變化的負載電壓換成同步脈沖，作為逆變觸發(fā)電路的控制信號。經(jīng)過感應加熱的產(chǎn)品最重要的技術(shù)指標就是溫度。還可以通過測量溫度然后作為反饋信號進行控制。中頻輸出功率與工件溫度之間存在如下關(guān)系： （41）式中： ——電源總效率； C——鍛件的比熱容； ——鍛件加熱時間； G——鍛件質(zhì)量；——環(huán)境溫度。 （42）式中：——中頻電壓 ——等效電阻故有： （43）生產(chǎn)過程中若要保持工件的溫度在控制的范圍內(nèi)，工件的溫度是控制的關(guān)鍵因素。由上面的分析可知，調(diào)節(jié)中頻電壓的值就可達到調(diào)節(jié)鍛件溫度的目的。而中頻電壓在生產(chǎn)過程中會發(fā)生波動，且溫度控制具有一定的滯后性，所以，在控制鍛件溫度的控制系統(tǒng)中，一般采用溫度和電壓雙閉環(huán)的方法。溫度和中頻電壓串級控制，溫度閉環(huán)為外環(huán)，電壓閉環(huán)為內(nèi)環(huán)。系統(tǒng)控制框圖如圖11所示。整流控制角調(diào)節(jié)器電壓反饋溫度反饋UsUrUdU UHfTr＋P I調(diào)節(jié)P I調(diào)節(jié)可控 整流濾波電路逆變電路負載電路＋Tg控制系統(tǒng)實際應用中的控制系統(tǒng)外環(huán)根據(jù)用戶給定的設(shè)定溫度和反饋的工件溫度進行PI調(diào)節(jié)后設(shè)定給定電壓值，內(nèi)環(huán)根據(jù)和中頻電壓反饋經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后通過整流控制角調(diào)節(jié)器設(shè)定整流的角，控制中頻電源的輸出功率。在電壓閉環(huán)和溫度閉環(huán)中都采用了PI調(diào)節(jié)器。比例調(diào)節(jié)P反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用以減少偏差，較大的比例系數(shù)可以使系統(tǒng)很快到達設(shè)定位，但是也增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性；積分調(diào)節(jié)I用于消除靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度；在感應加熱中，熱慣性比電慣性大得多，所以一般忽略微分調(diào)節(jié)D，在實際設(shè)備中采用PI調(diào)節(jié)雙閉環(huán)控制。本裝置是采用電流電壓雙閉壞控制電路。 ，其中采用電流為內(nèi)環(huán)，電壓為外環(huán)的控制方式，如圖12所示。三相全控整流器 橋濾波電抗逆變電路負載電路電流反饋電壓反饋UgaUfIf－＋＋IgP I調(diào)節(jié)－＋P I調(diào)節(jié)圖12 圖中Ug為給定電壓，Uf為負載反饋電壓，If為負載反饋電流，Ig為負載電流給定，α為三相全控整流橋的導通角。通過對主回路的三相全控整流橋的控制，即對三相全控橋的六個晶閘管導通角α的控制，來實現(xiàn)對負載功率的控制。并聯(lián)逆變式負載采用頻率自動跟蹤，需要對單相逆變器通斷的控制，來保證負載電路為諧振回路，從而實現(xiàn)負載的功率輸出最大。 控制觸發(fā)回路頻率跟蹤調(diào)節(jié) 觸發(fā)要求為使逆變器可靠換向，必須按一定引前功率因數(shù)運行。逆變器在加熱過程中，爐子的電感是個變量，其震蕩頻率在加熱過程中是不斷地變化的，為使逆變器安全地工作，觸發(fā)頻率必須緊跟爐子電感的變化。同時逆變器電流超前于電壓的角度不能太小，否則晶閘管承受反向電壓的時間太短，就不能可靠地關(guān)斷晶閘管，待負載電壓過零后，管子又將得到正向電壓，造成換向失敗，但引前觸發(fā)角不能太大，它會造成功率因數(shù)下降，輸出電壓值升高?？傊|發(fā)應是在一定的引前角下進行，逆變器的換向必須在負載電壓過零前結(jié)束，逆變器觸發(fā)頻率必須跟蹤于負載頻率。 頻率跟蹤電路頻率自動跟蹤可由逆變器或負載端的電流或電壓量，經(jīng)過處理，產(chǎn)生脈沖，使逆變器隨爐子參數(shù)的變化不斷改變觸發(fā)脈沖頻率。它分為兩種恒時間原則及恒功率因數(shù)原則。（1）恒時間t原則，即加熱過程中始終保持引前觸發(fā)時間為恒值。其缺點是當換向重疊時間增加時，安全余量勢必減小，對換向不利。啟動時為使逆變器可靠換向，需人為增大t值。本原則功率因數(shù)隨爐子負載變化而變化。（2）恒功率因數(shù)原則，其目的是爐子在加熱運行過程中，始終保持引前觸發(fā)角平為恒定值。本原則在運行中當頻率降低時，tf將自動增大，使引前觸發(fā)角保持不變，啟動時雖然換向重疊時間增大，但因頻率較低也能保證tk有足夠的值，爐料溫度升高的過程中tf值將自動減小，由于負載電流下降，tk值幾乎不受影響，本裝置隨頻率自動變化。 過流和過壓的保護電路電力電子半導體器件特點之一是承受過電壓、過電流的能力較差，一旦遇到故障，幾乎瞬間就壞。為了提高電力電子裝置的可靠性，除了在選擇器件時，需有一定的電壓和電流裕量外，還需要采用一定的保護措施。一般過電壓是用阻容元件吸收和消耗產(chǎn)生過電壓的能量，或是選用非線性元件限制過電壓的幅度和用電子電路來實施保護等方法來抑制過電壓。過電流一般是采用快速熔斷器，快速直流開關(guān)和電子電路來實施過電流保護的?？煽毓杵骷目惯^流能力較弱，熱容量較小，過載電流流過器件時會使器件溫度迅速上升，如來不及切斷或限制過電流，很快就會使器件因溫度過高而損壞；過載電流越大器件能承受過電流時間越短，因此線路設(shè)計須考慮保護。本設(shè)計是采用快速熔斷器的保護措施，這是一種最簡單有效的過電流保護器件。它的分斷時間短（ 〈10ms），允許能量小，分斷能力強（1000A）以上）。使用時，與被保護晶閘管直接串聯(lián)，如圖14整流電路中的快速熔斷器所示。圖14 感應加熱電源電路換流過程中的電壓毛刺會引起電路產(chǎn)生過電壓，這種現(xiàn)象主要靠增加阻容吸收來克服，須注意：逆變回路二極管上也需要加阻容吸收。阻容吸收電路俗稱緩沖電路，電路是由電容和電阻串聯(lián)而成，利用電容來吸收尖峰狀態(tài)的過電壓能量，利用與電容串聯(lián)的電阻來消耗產(chǎn)生過電壓的能量。電阻還能阻止電容與線路分布電感形成的振蕩以及限制當開關(guān)器件導通時，由電容放電引起的di /dt和浪涌電流。整流器和逆變器等同一個諧波源，在運行時都會向電網(wǎng)注入諧波電流電壓，這些諧波分量都將產(chǎn)生不良影響。這是本設(shè)計的缺點，也是今后研究的一個重要趨勢，目前只能靠LC濾波器來盡量減少諧波分量的影響。5 驅(qū)動電路的設(shè)計　 驅(qū)動電路的作用是將控制電路輸出的PWM脈沖放大到足以驅(qū)動IGBT，所以單從原理上講，驅(qū)動電路主要起開關(guān)功率放大作用，即脈沖放大作用器。其重要性在于IGBT的開關(guān)特性與驅(qū)動電路的性能密切相關(guān)。 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）對驅(qū)動電路的要求 門極電壓對開關(guān)特性的影響及選擇驅(qū)動電路的要求與IGBT的特性密切相關(guān)。設(shè)計門極驅(qū)動電路時，應特別注意其開通特性、負載短路能力和引起的誤觸發(fā)等問題。正偏置電壓UGE增加，通態(tài)電壓UCE下降，開通能耗EON也下降，只有當UGE大到一定值時，UCE才能達到較低的飽和值。若+UGE固定不變時，導通電壓將隨集電極電流增大而增高，開通損耗將隨結(jié)溫而升高。由此可知當門極電壓在15V左右時，通態(tài)壓降接近飽和，但是門極電壓不能超過20V，否則可能擊穿門極與發(fā)射極之間的氧化膜，這里選擇18V。 IGBT的門極驅(qū)動與特性的關(guān)系特 性、負載短路能力條件 UCE大UCE 大RG 大 減小————減小—— 增大——微增大 增大減小————增大減小減小負偏電壓UGE直接影響IGBT的可靠運行，負偏電壓增高時漏極浪涌電流明顯下降，對關(guān)斷能耗無顯著影響，UGE與集電極浪涌電流和關(guān)斷能耗EOFF的關(guān)系十分密切。因為當IGBT關(guān)斷時，會在集電極和射極間產(chǎn)生很高的電壓上升率，引發(fā)較大的位移電流，使得門極與發(fā)射極間的電壓升高，可能超過門極閥值，導致脈沖浪涌電流過大，發(fā)生擎住效應。為了避免這種誤觸發(fā)，在IGBT關(guān)斷時，應在門極上加負電壓，5V～10V。因此，驅(qū)動電路輸出選擇+18V和5V為開通和關(guān)斷電壓。門極電阻增加，將使IGBT的開通與關(guān)斷時間增加；因而使開通與關(guān)斷能耗均增加。而門極電阻減小，則又使增大，可能引發(fā)IGBT誤導通，同時RG上的損耗也有所增加。因為RG的具體數(shù)值還與柵控電路的具體形式及IGBT的電壓、電流大小有關(guān)，所以門極電阻選擇要適當?！　”驹O(shè)計中的門極電阻可選取30Ω。綜上所述對驅(qū)動電路的要求可歸納如下：①IGBT與MOSFET都是電壓驅(qū)動，～，有一個容性輸入阻抗，因為IGBT對柵極電荷集聚較敏感，故驅(qū)動電路必須很可靠，要保證有一條低阻