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 。
下面分整流电路,逆变电路及保护回路分别进行一些介绍。
一三相桥式全控整流电路的工作原理1 三相桥式全控整流电路的工作过程。
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SCR 1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,SC R2和SCR3同时工作,输出电压为VBC,据此到时刻t4-t5, t5-t6, t6-t1分别为SCR3和SCR4, SCR4和S CR5, 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。
2 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)。
本系统(如图4整流触发线路)整流触发线路里,三相同步信号直接取之380V电压,接入主控板的同步输入端,X10(A),X20(B),X30(C)。
通过降压电阻降压,进入由W1,W2,W3,C1,C2,C3组成的三相同步滤波,整形,平衡电路。
它的特点是由W1,C1(单相说明)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,调节移相范围可达12o使整流桥输出平衡。
2)整流触发的形成通过以上整形后的三相同步信号,由C4.C5.C6.分别送入大规模集成块TCA787C的同步输入端1.2.18角。
按三相全控整流桥触发电路的要求由7.8.9.10.11.12角分别输出 6 路调制后的双窄脉冲,经电容C13. C14.C15.C16.C17.C18耦合给6路大功率MOS管进行脉冲功率放大。
再由6只脉冲变压器输出,经整形后接于整流桥的6只可控硅的控制极和阴极,达到三相全控整流桥正常工作的触发目的。
3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1200V—1400V的KP硅。
进相电压为三相660 V的机型中,选定耐压值为2000V—2500V的KP硅。
二可控硅中频电源装置的逆变电路1 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 5两种逆变器的比较如下；2 单相桥式并联逆变器的工作原理1)并联逆变器的基本线路如图6。
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,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,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)交替工作的次数也就决定了输出交流电的频率。
这种变频线路因其换流过程是受负荷控制的,所以不需要外加另外的强迫换流装置,这是它和其它变频线路的不同之点,由于不需外加换流装置,因之这种变频线路的效率较高。
适合在大功率的感应熔炼及加热中应用,所以这种线路对负载的依赖性也是较大的。
2)从上述分析的逆变器的换流过程还可以看出,换流过程必须在电容器电压过零之前的某一时刻进行,也就是电流必须超前电压某一时间。
这一点在所介绍的线路中非常重要,不满足这一点,这种逆变线路是不能正常工作的。
我们习惯上,把电流过零之点到电压过零之点这一段时间叫做引前触发时间tf ,为了保证可控硅(1)(2)与(3)(4)之间能可靠地进行换流,必须有一定的数值,不能太小。
这主要是从下述三点考虑:1在换流过程中,为了确保即将换流的SCR可靠关断,必须加上足够的反向电压,反向电压过低则可能关不断。
2必须确保一定的换流时间tr,在上面的分析中,假定换流是瞬时进行的,但实际上可控硅受一定的允许di/dt耐量的限制,换流是不能瞬时进行的,必须有一定的换流时间tr,这一点在后面还要叙述。
3要有足够的关断时间toff使即将关断的可控硅进行关断。
3)什么是可控硅的关断时间,可控硅在导通状态下,它的三个结上积蓄有载流子,可控硅在关断时,需要一定的时间,使这些残留载流子,作为反向电流释放出来,才能使可控硅承受正向电压。
(这种残留载流子的消失时间与可控硅的构造,结温,及关断前流过可控硅的电流等有关)如果残留载流子尚未完全消失,既加上正向电压,可控硅将重新再度导通。
因此,引前触发时间tf必须大于换流时间tr与关断时间toff之和,既tf>tr+toff,不然的话,则可控硅尚未完全关断又将承受正向电压而再度导通,这就会造成非常危险的直通短路。
但是，安全换流时间tr所对应的超前角α也不能太大,主要是考虑下面两个原因；(1)α角度增大,电容器两端电压Uc 就要增高,这将受到电容器和可控硅所能承受电压的限制,在单相桥式逆变线路中,当直流输入电压为Ud,中频输出电压为Uc,则在Ud和Uc的有效值之间存在下述关系；Uc=1.1Ud/cosα。
从式中可以看出,在输入直流电压Ud相同的条件下,当α角度增大,则cosα值减小,Uc将增大,也既加于电容器和可控硅两端的电压将增高。
这一点受到所选用的电容器即可控硅的耐压限制。
(2)中频输入的有功功率与α的关系：中频输出的有功功率P=Uc.ILcosα。
式中可以看出在相同的中频电压电流条件下ɑ角愈大,有功功率输出愈小,如果要保持一定的输出功率，则ɑ角度愈大,则必须使输出中频电压,电流愈大,这样恶化了可控硅的工作条件。
4)综上所述,在目前考虑到可控硅的关断时间及所选用的可控硅元件,电容器的耐压水平,在输出中频频率1000Hz的情况下引前触发时间tf取100 μs左右,对应的角度ɑ大约是在30o-45o范围内。
这一超前的无功功率仍是由电容器来补偿的,前面在介绍谐振回路时曾讲到应补偿到谐振状态,实际上补偿到谐振状态还不行,为了要保证我们这一线路能正常工作,必须要过补偿,即补偿到电流超前电压一个ɑ角的程度。
在前面的分析当中,假定换流是瞬时完成的,就是说关闭的可控硅的电流是瞬时转换给导通的可控硅的,但是这样是不允许的,受到可控硅允许的电流上升率di/dt的限制,如果转换太快,可控硅将烧毁。
这是因为,当可控硅触发以后,电流首先在控制极附近流通,然后才以每微秒大约0.1mm的速度从控制极中心向外扩展,最后电流扩展到整个硅片,这样将使硅片的某些区域发生过热而烧坏,可控硅允许的电流上升率di/dt数值,随频率,换流时阳极电压,电流峰值及结温的增高而下降。