1    概述

    常規(guī)中頻電源是由AC/DC可控整流器與單相DC/AC電流型并聯(lián)諧振逆變器組成的,，它在感應(yīng)加熱熔煉過程中的正常工作如圖1所示,，是以負(fù)載電路中的電流i_H超前其電壓u_H為前提條件的,。逆變電路中晶閘管的超前觸發(fā)時間應(yīng)大于晶閘管關(guān)斷時間，即

    t>（γ＋δ）/ω（1）

式中：γ為晶閘管換流重疊角,；

            δ為恢復(fù)角,；

            ω為中頻電源角頻率。

（a）主電路組成框圖

（b）負(fù)載電壓及電流波形

圖1    常規(guī)中頻熔煉電源主電路與負(fù)載電壓及電流波形

    設(shè)β為超前觸發(fā)角,，為保證安全換流,，應(yīng)考慮安全裕量角θ，則

        β=γ＋δ＋θ（2）

    負(fù)載電流i_H的基波超前其電壓uH的角度稱為負(fù)載超前功率因數(shù)角,，從圖1（b）可見

    φ=γ/2＋δ＋θ（3）

    當(dāng)中頻電源用于熔煉金屬時,，其被熔煉材料大多為鐵磁材料，負(fù)載電路的諧振角頻率ω隨爐溫升高而增大,。從式（2）可知，這會導(dǎo)致超前觸發(fā)時間

    t=β/ω=(γ＋δ＋θ)/ω

減少,，也會使超前功率因數(shù)角變小,，若換流重疊角γ及θ不變，這意味著晶閘管的關(guān)斷恢復(fù)角δ減小,，因而有可能導(dǎo)致逆變失敗,。可見,，當(dāng)實際恢復(fù)關(guān)斷時間減小時,，為確保電源的安全運行，要及時調(diào)節(jié)觸發(fā)角β或超前功率因數(shù)角φ,。

2    中頻電源實現(xiàn)高效控制原理

    中頻電源用于熔煉時,，其理想運行狀況應(yīng)是保持熔煉期盡可能有較大的功率輸出或恒功率輸出,，以迅速提高爐溫，減少熱損,，縮短熔煉時間,，提高單產(chǎn)和效率。但在實際熔煉金屬過程中,，由于被熔煉材料的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率都隨溫度的變化而變化,，將引起負(fù)載等效電阻R_H改變，使熔煉過程大部分時間達(dá)不到設(shè)計的最大輸出功率（即P_dmax=U_dmaxI_dmax）,。

    事實上,，從圖1（a）主電路組成框圖可看出，要實現(xiàn)恒功率輸出,，只要讓等效直流電阻R_d(R_d=U_d/I_d)與中頻負(fù)載電路阻抗匹配就行,，即當(dāng)R_H變化時，采用某種方法使R_d不變,，這樣中頻輸出功率便不會隨R_H變化而變化,。

    根據(jù)并聯(lián)諧振中頻電源R_d，R_H及φ的相互關(guān)系式

    R_d≈0.81cos²φR_H（4）

    可知當(dāng)負(fù)載電路等效電阻R_H變化時,，只要調(diào)節(jié)功率角φ,，就可以使R_d保持不變，從而實現(xiàn)高效節(jié)能,。

3    晶閘管關(guān)斷時間（TOT）控制電路的引用

    以德國AEG公司,，英國RADYNE公司為代表的中頻電源產(chǎn)品，都采用了TOT（turn off time）定時控制法,。其特點是按標(biāo)準(zhǔn)給定的TOT和實際TOT之間的差值及時對觸發(fā)角進(jìn)行調(diào)整,，以便準(zhǔn)確控制逆變晶閘管的關(guān)斷恢復(fù)時間。前已述及,，無論從安全運行要求,，還是確保恒功率輸出的要求，都希望調(diào)節(jié)觸發(fā)角（即超前功率因數(shù)角φ）,。為此,，我們從參考文獻(xiàn)[2]引用了“TOT”定時控制法的“超前觸發(fā)脈沖形成電路”，以滿足高效中頻熔煉電源輸出恒功率對角調(diào)節(jié)的要求,。

圖2是TOT控制法“超前觸發(fā)脈沖形成電路”框圖及波形圖,。該電路由中頻負(fù)載電路電壓u_H和電容支路電流信號及其轉(zhuǎn)換電路，異或非門U_1A,，比較器B,，JK觸發(fā)器U_3A和斜波生成電路組成。其核心部分是保證在u_H過零之前的TOT時間內(nèi),，比較器B產(chǎn)生下降沿,，使JK觸發(fā)器翻轉(zhuǎn),，由Q及Q端輸出超前觸發(fā)脈沖。比較器B反相輸入端接斜坡電壓信號u_c2,；而同相輸入端接角調(diào)節(jié)信號u_c1,。通過u_c1與u_c2比較（交點）確定觸發(fā)脈沖位置。

（a）電路框圖

（b）波形圖

圖2    超前觸發(fā)脈沖形成電路

4    φ角的控制思想和策略

    常規(guī)并聯(lián)諧振電流型中頻電源一般按下列思想設(shè)計控制電路,，即在升溫初期,，讓觸發(fā)角固定在某一φ_min下，依靠調(diào)節(jié)整流橋的控制角α來提升中頻電壓u_H,；而在升溫后期,，則靠保持最大直流輸出功率P_dmax=U_dmaxI_dmax完成熔煉。但由于R_H的變化,，使熔煉大部分時間達(dá)不到P_dmax,，因而熔煉周期長，熱損大,，效率低,。為此，可以保留升溫初期的控制過程不變,，而在升溫后期,，采用調(diào)節(jié)的控制方法，使Rd保持不變,，維持最大功率輸出,，使中頻電源由低效變成高效。

    調(diào)節(jié)φ角的控制電路如圖3所示,。圖中①是用于控制場效應(yīng)管Q₁“通－斷”的比較器,；②是φ角調(diào)節(jié)器；③是加法器,；④是限幅電路,；⑤是超前觸發(fā)脈沖形成電路。圖4給出了φ角調(diào)節(jié)過程中u_Hf（中頻爐線圈電壓反饋值）,，u_d及u_c1的變化曲線,。系統(tǒng)在投入工作前u_H^＊為最大值（可根據(jù)中頻負(fù)載電路中電容器和逆變晶閘管的耐壓確定），uc1的最大值uc1max和最小值u_c1min對應(yīng)于φ_min和φ_max,。在階段Ⅰ,，直流電壓u_d還沒有達(dá)到最大值,，u_H的大小完全由原有整流橋控制角α調(diào)節(jié),，此時u_d小于比較器①整定值u_b1，比較器①輸出高電平,，場效應(yīng)管Q₁導(dǎo)通,，φ角調(diào)節(jié)器②不起作用,，③輸出為最大值，④輸出為u_c1的最大限幅值u_c1max（φ_min）,；在階段Ⅱ,，直流電壓u_d已達(dá)到最大值，比較器①翻轉(zhuǎn),，使場效應(yīng)管Q₁截止,，φ角調(diào)節(jié)器開始工作，并自動進(jìn)行調(diào)節(jié),。若調(diào)節(jié)過程中φ角大于φ_max,。則由④輸出進(jìn)行限幅。

圖3φ角調(diào)節(jié)器組成原理圖

（a）u_Hf及u_d的變化曲線

（b）u_c1變化曲線

圖4角調(diào)節(jié)過程中u_Hf,，u_d及u_c1的變化曲線

5    結(jié)語

    本文所設(shè)計的高效中頻熔煉電源控制電路有以下幾個特點：

    ——電路集成化高,，抗干擾能力強，適用于頻率為1000Hz～2500Hz的中頻感應(yīng)熔煉,；

    ——輸入信號取自原檢測電路與控制電路,，不須另加檢測電路；

    ——φ角調(diào)節(jié)電路可取代原逆變觸發(fā)器,，并可與原逆變觸發(fā)器互為備用,，既可使中頻電源實現(xiàn)高效控制，又可提高運行可靠性,。