【正文】 　 （22）其中感應電動勢的幅值為：＝＝2為了要使金屬工件加熱到一定的溫度，必須要求金屬工件內有足夠大的渦流，亦即要求金屬工件內有較大的電動勢，從式（22）可知，要增大有如下兩種途徑：（1）增大線圈A中的電流。（2）增大線圈中電流的頻率。近代感應加熱廣泛采用中頻及高頻電源的原因就在于此，也是成為感應加熱電源研究的方向和追求的必然。一般由整流器、濾波器、逆變器及一些控制和保護電路組成。整流電路的實質就是把交流電能轉換為直流電能的電路。利用二極管的單向導電性，只有半個周期內有電流流過負載，另半個周期被二管所阻，沒有電流。只適用于小電流整流電路。中間抽頭接負載一端，另兩個端子各串聯一個二極管后接負載的另一端?，F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。三相全波整流也只有橋式整流。 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輸入的50Hz電壓整流成脈動的直流電壓。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就構成三相橋式全控整流電路，如圖4所示。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。 圖5 不同的輸出波形在AB段內，a相電壓最高，電流從變壓器a相繞組流出，經過AB負荷和BA（在此段內，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。負荷電壓Ud=Uab。晶閘管BA承受反向電壓而關斷，所以電流回到c相繞組。負荷電壓Ud=Uac。在BC段內，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斷。在這一段內，c相電壓仍然最低，晶閘管CB繼續(xù)導通。在BA段內，BC和AC導通，Ud=Uba。在CB段內，CA和BA導通，Ud=Ucb。(1)二極管電壓額定值；二極管的耐壓可按式(32)確定，根據電網電壓，考慮到其峰值、電壓波動等因素。 （32）由于交流側電壓為380V，代入上式，可得： （33）(2)確定電流額定值I：整流二極管的電流額定值是根據其結溫而確定的，可按式(34)來確定： （34）式中：——沖擊電流值；——安全系數，取=2；將上式變形為：A （35）需要說明的是，由于有的存在，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。由于頻率較高，所以要選擇GTR、MOSFET、IGBT等工作頻率較高的自關斷器件。周期為20ms，所以每個波動的時間為20/64ms，根據公式(36)可以得到： （36）式中，取I=，t=4ms，=600V ,得到：C=可以選取3000μF/400V的電容4個串聯，這樣實際的容量為750μF，耐壓為1600V。在生產過程中，根據不同的工藝，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整各種指標。另外，在感應加熱系統(tǒng)出現故障情況下，電路中會出現過電流和過電壓，控制系統(tǒng)中保護部分應該負責故障的處理。隨著加熱工業(yè)的發(fā)展和新產品的生產工藝的變化，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。 逆變觸發(fā)電路調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波逆變負 載三相全控整流三組工電 源＋整流濾波給定電壓－＋－整流濾波比 較 電路圖6 感應加熱電源控制電路整流控制電路的任務是根據各種輸入信號(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。這些變化取決于負載的電氣特性如導電性、滲透性、耦合系數和幾何性質如形狀等等；同時，不同的負載需要的功率大小也不同，這樣必須對逆變器的輸出功率和頻率都做相應的調整。在本設計中采用的是由整流側調節(jié)功率，逆變側進行頻率跟蹤方案。逆變控制電路包括開關器件的驅動電路，死區(qū)形成電路，鎖相環(huán)電路。死區(qū)形成電路在串聯諧振型中是必不可少的，有的集成驅動模塊中含有該單元，在設計時就可以省略；有的雖然含有一定的延遲環(huán)節(jié)，但時間太短，需要另加延遲。一般采樣電壓取自負載電容兩端，這是由于電容對高次諧波的阻抗小，其端電壓的高次諧波分量最小，基波分量最大。保護電路主要是防止過電流，短路保護。通常，為減小器件開關損耗，工作頻率應大于諧振頻率。 f0 f1 fQ1Q3Q1Q4Q2Q4tt圖7等效阻抗的頻率特性 圖8 移相控制開關動作當提高工作頻率時阻抗也隨之增大，電流減小，功率因數也減小，因此輸出功率隨之減小。因此，直流端可為三相全控整流電源。這種調功方法速度快,整流電路簡單。（2）改變直流電壓移相調功是通過移相控制，即每個橋臂的兩個開關管互補導通，兩個橋臂的導通角相差一個相位，即移相角，通過調節(jié)移相角的大小調節(jié)負載電壓的寬度，從而調節(jié)輸出功率，如圖8所示。移相調功時電路仍工作在諧振狀態(tài)，實現負載電壓基波分量與負載電流同相。（3）調頻來調節(jié)輸出功率目前，高頻感應熱處理電源采用橋式逆變電路，通過調頻的方式來調節(jié)輸出功率。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，輸出功率因數很低，而且逆變器主開關管工作在硬開關狀態(tài)，開關損耗大，效率低。 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。（2）上述各參量因各種故障而超出其設定的極限值時，控制電路應將調節(jié)器封鎖，使整流電路轉入逆變工作狀態(tài)。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。（5）控制為了協調各部分工作，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。而動態(tài)指標與靜態(tài)指標相比，后者是主要的。 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諧振逆變電路為主，功率調節(jié)方式都是采用單獨調節(jié)可控整流器輸出電壓的方法。d2給定電壓整流控制角調節(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)控制角調節(jié)器把輸入控制信號轉換成控制角。開環(huán)系統(tǒng)的特點是結構簡單，但是對擾動沒有調節(jié)能力。電壓反饋電路把輸出中頻電壓，轉換成反饋電壓（直流），后者與給定電壓Us相比較，并產生差值電壓；電壓調節(jié)器將此差值電壓放大。擾動模擬三相電網電壓的波動；擾動模擬由于負載性質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。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。還可以通過測量溫度然后作為反饋信號進行控制。 （42）式中：——中頻電壓 ——等效電阻故有： （43）生產過程中若要保持工件的溫度在控制的范圍內，工件的溫度是控制的關鍵因素。而中頻電壓在生產過程中會發(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。系統(tǒng)控制框圖如圖11所示。在電壓閉環(huán)和溫度閉環(huán)中都采用了PI調節(jié)器。本裝置是采用電流電壓雙閉壞控制電路。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調節(jié)－＋P I調節(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。并聯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，從而實現負載的功率輸出最大。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?？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束，逆變器觸發(fā)頻率必須跟蹤于負載頻率。它分為兩種恒時間原則及恒功率因數原則。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。本原則功率因數隨爐子負載變化而變化。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。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。過電流一般是采用快速熔斷器，快速直流開關和電子電路來實施過電流保護的。本設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。使用時，與被保護晶閘管直接串聯，如圖14整流電路中的快速熔斷器所示。阻容吸收電路俗稱緩沖電路，電路是由電容和電阻串聯而成，利用電容來吸收尖峰狀態(tài)的過電壓能量，利用與電容串聯的電阻來消耗產生過電壓的能量。整流器和逆變器等同一個諧波源，在運行時都會向電網注入諧波電流電壓，這些諧波分量都將產生不良影響。5 驅動電路的設計　 驅動電路的作用是將控制電路輸出的PWM脈沖放大到足以驅動IGBT，所以單從原理上講，驅動電路主要起開關功率放大作用，即脈沖放大作用器。 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）對驅動電路的要求 門極電壓對開關特性的影響及選擇驅動電路的要求與IGBT的特性密切相關。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。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。因為當IGBT關斷時，會在集電極和射極間產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。因此，驅動電路輸出選擇+18V和5V為開通和關斷電壓。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。　　本設計中的門極電阻可選取30Ω。②用內阻小的驅動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓UGE有足夠陡的前后沿，使IGBT的開關損耗盡量小。③驅動電路要能傳遞幾百Hz的脈沖信號。+UGE增大時，IGBT通態(tài)壓降和開通損耗均下降，但負載短路時的IC增大，IGBT能承受短路電流的時間