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(guò)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(shí)間應(yīng)大于晶閘管關(guān)斷時(shí)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(jiàn)

    φ=γ/2＋δ＋θ（3）

    當(dāng)中頻電源用于熔煉金屬時(shí),，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(huì)導(dǎo)致超前觸發(fā)時(shí)間

    t=β/ω=(γ＋δ＋θ)/ω

減少,，也會(huì)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?？梢?jiàn),，當(dāng)實(shí)際恢復(fù)關(guān)斷時(shí)間減小時(shí)，為確保電源的安全運(yùn)行，要及時(shí)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(shí)現(xiàn)高效控制原理

    中頻電源用于熔煉時(shí),，其理想運(yùn)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(shí)間，提高單產(chǎn)和效率,。但在實(shí)際熔煉金屬過(guò)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(guò)程大部分時(shí)間達(dá)不到設(shè)計(jì)的最大輸出功率（即P_dmax=U_dmaxI_dmax）,。

    事實(shí)上，從圖1（a）主電路組成框圖可看出,，要實(shí)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(shí),，采用某種方法使R_d不變,，這樣中頻輸出功率便不會(huì)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(shí),，只要調(diào)節(jié)功率角φ，就可以使R_d保持不變,，從而實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能,。

3    晶閘管關(guān)斷時(shí)間（TOT）控制電路的引用

    以德國(guó)AEG公司，英國(guó)RADYNE公司為代表的中頻電源產(chǎn)品,，都采用了TOT（turn off time）定時(shí)控制法,。其特點(diǎn)是按標(biāo)準(zhǔn)給定的TOT和實(shí)際TOT之間的差值及時(shí)對(duì)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(shí)間,。前已述及,，無(wú)論從安全運(yùn)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(shí)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(duì)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(hào)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(guò)零之前的TOT時(shí)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(hào)u_c2,；而同相輸入端接角調(diào)節(jié)信號(hào)u_c1。通過(guò)u_c1與u_c2比較（交點(diǎn)）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(jì)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(lái)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(shí)間達(dá)不到P_dmax,，因而熔煉周期長(zhǎng),，熱損大，效率低,。為此,，可以保留升溫初期的控制過(guò)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(chǎng)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(guò)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(duì)應(yīng)于φ_min和φ_max。在階段Ⅰ,，直流電壓u_d還沒(méi)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(shí)u_d小于比較器①整定值u_b1，比較器①輸出高電平,，場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管Q₁截止，φ角調(diào)節(jié)器開(kāi)始工作,，并自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié),。若調(diào)節(jié)過(guò)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(guò)程中u_Hf,，u_d及u_c1的變化曲線

5    結(jié)語(yǔ)

    本文所設(shè)計(jì)的高效中頻熔煉電源控制電路有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

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

    ——輸入信號(hào)取自原檢測(cè)電路與控制電路，不須另加檢測(cè)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(shí)現(xiàn)高效控制,，又可提高運(yùn)行可靠性,。