基于晶闸管关断时间控制的高效中频电源

摘要：针对常规晶闸管并联谐振中频电源存在的在熔炼期内输出功率达不到额定功率的问题，设计了一种对DC/AC逆变器采用调节功率角?的触发控制电路，配合原有的AC/DC相控双闭环控制电路，可以使中频熔炼电源实现高效控制。

关键词：中频电源；功率因数角?调节；关断时间控制

1    概述

    常规中频电源是由AC/DC可控整流器与单相DC/AC电流型并联谐振逆变器组成的，它在感应加热熔炼过程中的正常工作如图1所示，是以负载电路中的电流i_H超前其电压u_H为前提条件的。逆变电路中晶闸管的超前触发时间应大于晶闸管关断时间，即

    t>（γ＋δ）/ω（1）

式中：γ为晶闸管换流重叠角；

            δ为恢复角；

            ω为中频电源角频率。

（a）主电路组成框图

（b）负载电压及电流波形

图1    常规中频熔炼电源主电路与负载电压及电流波形

    设β为超前触发角，为保证安全换流，应考虑安全裕量角θ，则

        β=γ＋δ＋θ（2）

    负载电流i_H的基波超前其电压uH的角度?称为负载超前功率因数角，从图1（b）可见

    φ=γ/2＋δ＋θ（3）

    当中频电源用于熔炼金属时，其被熔炼材料大多为铁磁材料，负载电路的谐振角频率ω随炉温升高而增大。从式（2）可知，这会导致超前触发时间

    t=β/ω=(γ＋δ＋θ)/ω

减少，也会使超前功率因数角?变小，若换流重叠角γ及θ不变，这意味着晶闸管的关断恢复角δ减小，因而有可能导致逆变失败。可见，当实际恢复关断时间减小时，为确保电源的安全运行，要及时调节触发角β或超前功率因数角φ。

2    中频电源实现高效控制原理

    中频电源用于熔炼时，其理想运行状况应是保持熔炼期尽可能有较大的功率输出或恒功率输出，以迅速提高炉温，减少热损，缩短熔炼时间，提高单产和效率。但在实际熔炼金属过程中，由于被熔炼材料的磁导率和电导率都随温度的变化而变化，将引起负载等效电阻R_H改变，使熔炼过程大部分时间达不到设计的最大输出功率（即P_dmax=U_dmaxI_dmax）。

    事实上，从图1（a）主电路组成框图可看出，要实现恒功率输出，只要让等效直流电阻R_d(R_d=U_d/I_d)与中频负载电路阻抗匹配就行，即当R_H变化时，采用某种方法使R_d不变，这样中频输出功率便不会随R_H变化而变化。

    根据并联谐振中频电源R_d，R_H及φ的相互关系式

    R_d≈0.81cos²φR_H（4）

    可知当负载电路等效电阻R_H变化时，只要调节功率角φ，就可以使R_d保持不变，从而实现高效节能。

3    晶闸管关断时间（TOT）控制电路的引用

    以德国AEG公司，英国RADYNE公司为代表的中频电源产品，都采用了TOT（turn off time）定时控制法。其特点是按标准给定的TOT和实际TOT之间的差值及时对触发角进行调整，以便准确控制逆变晶闸管的关断恢复时间。前已述及，无论从安全运行要求，还是确保恒功率输出的要求，都希望调节触发角（即超前功率因数角φ）。为此，我们从参考文献[2]引用了“TOT”定时控制法的“超前触发脉冲形成电路”，以满足高效中频熔炼电源输出恒功率对?角调节的要求。

图2是TOT控制法“超前触发脉冲形成电路”框图及波形图。该电路由中频负载电路电压u_H和电容支路电流信号及其转换电路，异或非门U_1A，比较器B，JK触发器U_3A和斜波生成电路组成。其核心部分是保证在u_H过零之前的TOT时间内，比较器B产生下降沿，使JK触发器翻转，由Q及Q端输出超前触发脉冲。比较器B反相输入端接斜坡电压信号u_c2；而同相输入端接?角调节信号u_c1。通过u_c1与u_c2比较（交点）确定触发脉冲位置。

（a）电路框图

（b）波形图

图2    超前触发脉冲形成电路

4    φ角的控制思想和策略

    常规并联谐振电流型中频电源一般按下列思想设计控制电路，即在升温初期，让触发角固定在某一φ_min下，依靠调节整流桥的控制角α来提升中频电压u_H；而在升温后期，则靠保持最大直流输出功率P_dmax=U_dmaxI_dmax完成熔炼。但由于R_H的变化，使熔炼大部分时间达不到P_dmax，因而熔炼周期长，热损大，效率低。为此，可以保留升温初期的控制过程不变，而在升温后期，采用调节?的控制方法，使Rd保持不变，维持最大功率输出，使中频电源由低效变成高效。

    调节φ角的控制电路如图3所示。图中①是用于控制场效应管Q₁“通－断”的比较器；②是φ角调节器；③是加法器；④是限幅电路；⑤是超前触发脉冲形成电路。图4给出了φ角调节过程中u_Hf（中频炉线圈电压反馈值），u_d及u_c1的变化曲线。系统在投入工作前u_H^＊为最大值（可根据中频负载电路中电容器和逆变晶闸管的耐压确定），uc1的最大值uc1max和最小值u_c1min对应于φ_min和φ_max。在阶段Ⅰ，直流电压u_d还没有达到最大值，u_H的大小完全由原有整流桥控制角α调节，此时u_d小于比较器①整定值u_b1，比较器①输出高电平，场效应管Q₁导通，φ角调节器②不起作用，③输出为最大值，④输出为u_c1的最大限幅值u_c1max（φ_min）；在阶段Ⅱ，直流电压u_d已达到最大值，比较器①翻转，使场效应管Q₁截止，φ角调节器开始工作，并自动进行调节。若调节过程中φ角大于φ_max。则由④输出进行限幅。

图3?φ角调节器组成原理图

（a）u_Hf及u_d的变化曲线

（b）u_c1变化曲线

图4?角调节过程中u_Hf，u_d及u_c1的变化曲线

5    结语

    本文所设计的高效中频熔炼电源控制电路有以下几个特点：

    ——电路集成化高，抗干扰能力强，适用于频率为1000Hz～2500Hz的中频感应熔炼；

    ——输入信号取自原检测电路与控制电路，不须另加检测电路；

    ——φ角调节电路可取代原逆变触发器，并可与原逆变触发器互为备用，既可使中频电源实现高效控制，又可提高运行可靠性。