【文章內(nèi)容簡介】 隨著電力電子學及功率半導體器件的發(fā)展，感應加熱電源拓撲結(jié)構(gòu)經(jīng)過不 8 斷的完善，已形成一種固定的 AC/DC/AC 變換形式，基本結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。一般由整流器、濾波器、逆變器及一些控制和保護電路組成。 圖 2 感應加熱電源的基本結(jié)構(gòu) 整流電路的分類 整流電路是電力電子電路中最早出現(xiàn)的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?，應用十分廣泛，電路形式各種各樣；按組成的器件可分為不可控、半控和全控三種，按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路，按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路，按變壓器二次側(cè)電流的方向是單相或雙相，又分為半波電路和全波電路；實用電路是上述的組合結(jié)構(gòu)。整流電路的實質(zhì)就是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。 整流電路的選擇 半波整流：變壓器的次級繞 組與負載相接，中間串聯(lián)一個整流二極管，就是半波整流。利用二極管的單向?qū)щ娦?，只有半個周期內(nèi)有電流流過負載，另半個周期被二管所阻，沒有電流。這種電路，變壓器中有直流分量流過，降低了變壓器的效率；整流電流的脈動成分太大，對濾波電路的要求高。只適用于小電流整流電路。 全波整流：一是變壓器與半流整流電路相同，但用四個二極管組成橋式電路，將次級線圈的正、負半周都用起來；二是變壓器的次級繞組圈數(shù)加倍，中間抽頭，實際上由兩個次級線圈構(gòu)成。中間抽頭接負載一端，另兩個端子各串聯(lián)一個二極管后接負載的另一端。 經(jīng)常使用的整流電源 電路是效率高的全波整流電源電路，僅用電容器作為濾波電路的電路有中心抽頭式和橋式?，F(xiàn)在裝有 4個整流二極管的橋式整流器能夠很便宜買到，而且變壓器的使用效率也高，所以幾乎都為橋式整流電路。 橋式整流屬于全波整流，三相整流只有全波整流，沒有半波整流。三相全波整流也只有橋式整流。 所以在此設(shè)計中選用了三相橋式全控整流電路。 三相整流 器 濾波器 逆變器 負載 整流器控制電路 逆變器控制電路 9 三相橋式全控整流電路 整流電路采用三相全控橋式整流電路，其作用為將從三相電網(wǎng)輸入的 50Hz電壓整流成脈動的直流電壓。 三相橋式整流電路圖如圖 3 所示。 圖 3 三相橋式全控整流電路 晶閘管 AB、 BC、 CA 接成共陰極，晶閘管 AC、 BA、 CB 接成共陽極，并與變壓器和負荷分別構(gòu)成兩個三相半波可控整流電路，兩個三相半波可控整流電路串聯(lián)就構(gòu)成三相橋式全控整流電路，如圖 4所示。 圖 4 三相橋式全控整流電路 三相橋式全控整流電路的輸出電壓為三相半波可控電路的兩倍 三相橋式全控整流電路的輸出電壓為： 4 cosdUU ?? （ 31） 10 式中： dU —— 輸出直流電壓平均值； oU —— 電網(wǎng)相電壓； ? —— 觸發(fā)移相角。 當 ? =0 時，對于共陰極組的晶閘管依次觸發(fā)陰極電位最高的晶閘管，對于陰極組的晶閘管組依次觸發(fā)陰極電位最低的晶閘管，使晶閘管導通。把一個周期平均分為 6段，如圖 5 所示。 圖 5 不同 ? 的輸出波形 在 AB 段內(nèi)， a 相電壓最高，電流從變壓器 a相繞組流出，經(jīng)過 AB 負荷和 BA（在此段內(nèi)， b相電壓最低，共陽極組的晶閘管 BA 正處于導通狀態(tài)），回到變壓器 b 相繞組。 a相繞組內(nèi)的電流為正， b相繞組內(nèi)的電流為負。負荷電壓 Ud=Uab。 在 AC 段內(nèi)， a 相電壓仍然最高，晶閘管 AB 繼續(xù)導通，電流從 a相繞組流出，經(jīng)過 AB 負荷和 CB。晶閘管 BA承受反向電壓而關(guān)斷，所以電流回到 c 相繞組。 b相繞組內(nèi)的電流為正， c相繞組內(nèi)的電流為負。負荷電壓 Ud=Uac。 在 AB 和 AC段內(nèi)，由于負荷的電感量較大，流過 AB 的電流也保持不變。 在 BC 段內(nèi)， b 相電壓最高，晶閘管 BC 因得到觸發(fā)脈沖而導通，由于 b點電位高于 a 點電位，所以晶閘管 AB 因承受反向電壓而關(guān)斷。電流從 b相繞組流出。在這一段內(nèi)， c相電壓仍然最低，晶閘管 CB繼續(xù)導通。負荷電壓 Ud=Ubc。 11 在 BA 段內(nèi)， BC 和 AC導通， Ud=Uba。 在 CA 段內(nèi)， AC 和 CA導通， Ud=Uca。 在 CB 段內(nèi)， CA 和 BA導通， Ud=Ucb。 上面圖 5 是不同 ? 時的輸出電壓波形給出了在感性負載電流非斷續(xù)的狀態(tài)下，不同 ? 角下的輸出電壓的波形，其中 ? 90 的狀態(tài)稱為整流橋的逆變工作狀態(tài)，其實質(zhì)是負載向電網(wǎng)反饋能量。 整流電路的參數(shù)設(shè)計 (1)二極管電壓額定值 RRMU ；二極管的耐壓可按式 (32)確定，根據(jù)電網(wǎng)電壓，考慮到其峰值、電壓波動等因素。取波動系數(shù)為 ，安全系數(shù) ? =。 2 1. 3R R M A CVU ?? ? ? ? （ 32） 由于交流側(cè)電壓 ACU 為 380V，代入上式，可得： 2 1 .3 3 8 0 2 1 .3 1 .5 1 0 4 7 .7 7 4R R M A CV U V?? ? ? ? ? ? ? ? ? （ 33） (2)確定電流額定值 I：整流二極管的電流額定值是根據(jù)其結(jié)溫而確定的，可按式 (34)來確定： 22RI t I t?? （ 34） 式中： RI —— 沖擊電流值； ? —— 安全系數(shù)，取 ? =2； 將上式變形為： 2 1 .3 2 1 1 5 .8 3 1 .3 2 1 3RnI I I?? ? ? ? ? ? ? ? ?A （ 35） 需要說明的是，由于有 CHV 的存在，在開始啟動時，可以使其占空比很小，這樣幾乎沒有沖擊電流， 所以實際上二極管的耐流可以更小。 （ 3） CHV 的選?。?CHV 的耐壓和耐流與整流二極管是相同等級的。由于頻率較高，所以要選擇 GTR、 MOSFET、 IGBT 等工作頻率較高的自關(guān)斷器件。 （ 4）電力電容的計算；因為是 6 個脈動整流波動， 50Hz 電網(wǎng)輸入。周期為20ms，所以每個波動的時間為 20/6? 4ms，根據(jù)公式 (36)可以得到： Q C U I t? ?? ? ? （ 36） 式中，取 I=， t=4ms， U? =600V ,得到： C= 可以選取 3000μF/400V 的電容 4 個串聯(lián)，這樣實際的容量為 750μF，耐壓為 1600V。 12 控制電路系統(tǒng)的概述 敢應加熱對其電源提出了一定的技術(shù)要求，感應加熱電源的控制系統(tǒng)就是根據(jù)這些要求來設(shè)計和實現(xiàn)的。在生產(chǎn)過程中，根據(jù)不同的 工藝，中頻電源不僅要輸出各種不同的功率，而且還需要在各種擾動下維持和調(diào)整各種指標。例如鍛坯加熱時，為保證工件的出口溫度，電源必須具有電壓自動調(diào)節(jié)的能力，以適應電網(wǎng)電壓的波動的影響。另外，在感應加熱系統(tǒng)出現(xiàn)故障情況下，電路中會出現(xiàn)過電流和過電壓，控制系統(tǒng)中保護部分應該負責故障的處理。因此，與其他自動裝置一樣，中頻電源必須具備相應的控制功能，才能有可靠的工作和產(chǎn)品質(zhì)量的保證。隨著加熱工業(yè)的發(fā)展和新產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝的變化，對感應加熱電源的控制系統(tǒng)功能的要求也更加的多樣化和智能化。 控制電路的結(jié)構(gòu)與原理 控制 電路包括整流控制電路、逆變控制電路，保護電路等，如圖 6所示。 圖 6 感應加熱電源控制電路 整流控制電路的任務(wù)是根據(jù)各種輸入信號 (給定，反饋，故障等 )綜合情況發(fā)出寬度合適的脈沖，以便輸出合適的直流電壓。感應加熱電源主要用于工業(yè)快速，均勻加熱，特點是隨著加熱過程的進行，負載不斷變化，負載的固有諧振頻率變化，功率因數(shù)變化。這些變化取決于負載的電氣特性如導電性、滲透性、耦合系數(shù)和幾何性質(zhì)如形狀等等；同時，不同的負載需要的功率大 小也不同，這樣必須逆變觸發(fā)電路 調(diào)頻 電路 電壓檢測電路 給定電壓 比較放大電路 啟 動 控制 同步信號電源變壓器 整流觸發(fā)電路 電流檢測電路 移制電路 濾