可控硅中频电源 原理及使用说明书

可控硅中频电源原理及使用说明书第二册(宽频电源7.1板)洛阳市大好机电有限公司1前言洛阳市大好机电有限公司是专业生产可控硅中频电源装置的老企业,公司占地面积20000余平方米，建筑面积近15000平方米。拥有高中级工程师二十余名，大部分员工都具有大中专以上学历，普通员工也是从技校毕业生中挑选出来的。公司从上世纪七十年代中期创建至今,始终与科研院校保持着紧密的合作关系,以科研为先导,从事中频电源的研发与制造。三十余年来我公司先后研发和制造了二十几代SCR系列可控硅中频电源装置,其产品遍布全国各地,并远销前苏联,越南,泰国,缅甸,马来西亚等国。优越可靠的性能,加上良好的售后服务,深得广大用户的满意和好评。SCR7.1主控板是我公司最新研制开发的产品。其特点是：控制线路采用全集成化，双电源供电，抗干扰能力强，各点电位不发生漂移，使其工作更加稳定可靠。第一章概述可控硅中频电源装置简称可控硅中频装置,是利用可控硅的开关特性把50Hz的工频电流变换成中频电流的一种电源装置,主要是在感应熔炼,感应加热,感应淬火等领域中广泛应用。它的优点是:1效率高可控硅电源装置具有相当高的变换效率(90-95%),输出功率低时,电源转换效率并不降低,特别是在热处理行业中,有些被加热工件需要分段加热,频繁开机和停机,在停机状态下无损耗。因此,在感应加热行业中采用可控硅中频装置可节约能源。2体积小重量轻可控硅变频装置由半导体元件组成,没有复杂的机械旋转部分无震动,噪音小,安装时对地面基础无特殊要求。3操作方便可控硅装置的功率调节范围大。频率可随负载参数改变而自动变化(既所谓频率跟踪)。负载回路保持在近乎谐振状态,既在最佳状态下工作。再加上它有一系列的自动保护装置,使它的工作稳定可靠。4启动灵活可控硅变频装置一般采用零压软启动,启动成功率高无冲击,快而平稳。基于以上几个方面,并伴随着新的专有集成电路的开发成功,其高度的稳定性及结构紧凑性,深受广大用户的欢迎。因此;洛阳市大好机电公司为了满足用户需要。研制开发了SCR系列宽频带中频电源控制板。1)均采用了先进的大规摸芯片,元件少工作可靠2)先进的控制电路设计,性能稳定故障率低。3)频率适应范围宽,在50Hz—10000Hz范围内不必调整可直接使用。4)采用零压软启动,启动成功率高无冲击。完全能够满足广大热加工行业用户的需求。2第二章感应加热的作用原理中频无铁芯感应电炉的结构(见图1)主要有三部分组成1感应圈(由水冷却的铜管绕制的)2坩埚(通常用耐火材料捣制而成)3炉料（可为各种金属材料的碎块）中频无铁芯感应电炉的基本原理是属于空气芯变压器的一种类型,感应圈相当于变压器的初级绕组,而坩埚内部的金属炉料则相当于变压器的次级绕组(既负载)当在初级绕组中通过中频电流(200Hz—8000Hz)就在电磁场的作用和应响下,产生磁力线切割次级绕组,致使炉料产生感应电势,并在垂直于感应圈轴线的表面内引起感应电流(称涡流),从而使炉料本身发热将金属熔化。用于锻造的加热到锻造温度。下面我们简单的分析一下感应电炉的工作情况;根据变压器互感应的理论,在次级绕组(既炉料)内的感应电势的有效值(用E2表示)与频率及交变磁通的最大值两个参数有关,在这个感应电势E2的作用下,炉料所形成的闭和回路中,便有涡流通过,涡流的数值大小,与感应电势E2成正比,与炉料回路的阻抗成反比,当炉料的阻抗已确定的情况下,则发热与感应电势成比例。无铁心感应电炉由于没有导磁的物体存在,所以磁力线必须经过空气而闭合,但是空气的磁阻很大,会减少有效的磁通量,为了要获得所必须的感应电势,就要求增加磁力线的切割速度,这就要求增加通过感应线圈电流的频率,来达到发热效果显著的目的。但在实际情况下炉料中感应电流的流动,也会形成磁场,但其方向是与感应器的磁场相反,二个磁场迭加一起的结果将削弱整个的作用。随着不断被削弱的磁场继续向炉料内部深入分布并不断产生电流,而电流的去磁作用又促使炉料中感应的电场强度和电流密度自表面向中心剧烈的减小,电流的频率愈高,这种现象也愈显著,这也就是所谓集肤效应作用的结果。为了提高炉料的发热量,如果无限制的增高频率,一则受到电源装置复杂性的限制,更重要的是由于上述集肤效应的原因,涡流发热随着电流频率的升高,只局现在炉料周围的表面层,而炉料中心的热量是由表面传导进来的,所以加热时间将拉长了,电效率不再上升。电源的频率与电效率之间的关系可以这样来描述,在感应电炉炉料直径固定,炉料的物理性能不变的情况下,电效率将随着电流频率的增加而显著上升,但当频率继续增加时,电效率将不再随频率变化而近于饱和阶段。因此,我们可以作一断言,对于一定尺寸的感应炉,并在炉料和感应器材料的物理性质为同一条件下,则必定有一临界频率的存在。正是以上原因的存在,电炉生产厂家将根据炉子的大小来选定频率的高低。考虑到炉子的电效率和热效率,选定合适的频率。炉子容量较小时频率选高些,容量较大时选低些,一般在200Hz--8000Hz范围内。3第三章无铁芯感应炉对可控硅中频电源的要求感应炉对可控硅中频电源提出了下述一些要求；1感应炉对可控硅中频电源的输出功率要求。可控硅中频电源的输出功率必须满足感应炉的最大功率,还要考虑到输出功率能很方便的调节,这是因为通常感应炉的坩埚的寿命约熔炼数十炉后就损坏了,必须重新修筑坩埚炉衬,而新的坩埚炉衬筑好后必须对其进行低功率烘炉,通常烘炉是从10-20%的额定功率开始,然后每隔一定时间升高10%功率,直至额定功率。再则,熔炉过程中,当炉料熔化后,必须对炉料的成分进行化验,而化验期间为不使炉料熔化后沸腾剧烈,这时中频电源必须减小输出功率,使炉料保温。鉴于以上情况,所以要求可控硅中频电源能从10%-100%额定输出功率的范围内方便的调节。用于锻造的透热炉不存在烘炉的过程。2感应炉对可控硅中频电源的输出频率要求。感应炉的电效率与频率之间的关系是相关连的。从电效率出发可以决定可控硅中频电源的输出频率。例如我们称这一频率为fo。感应器实际上是一个电感线圈，而为要补偿线圈的无功功率,在线圈的两端并联电容,这就组成了LC震荡回路。当可控硅逆变器的输出频率f等于感应炉回路的固有震荡频率fo时,则此时回路的功率因数等于1。感应炉内将得到最大的功率。从以上可以看出,回路的固有震荡频率与L和C的数值有关,一般补偿电容C的值是固定不变的,而电感L则因炉料的导磁系数变化而变化,例如炼刚时,冷炉钢的导磁系数μ很大,所以电感L较大,而当钢的温度高到过居里点时钢的导磁系数μ=1,所以电感L减小,因而感应炉回路的固有震荡频率fo将有低变高。为了使感应炉在熔炼过程中始终都能得到最大的功率,这就要求可控硅中频电源的输出频率f能随着fo的变化而变化，始终保持频率自动跟踪。3对可控硅中频电源的其他要求。这是因为当炉料在熔炼过程中,一旦中频电源发生故障,严重时会损坏坩埚所以要求可控硅中频电源工作要可靠,还须具备必要的限压限流保护,过压过流保护,断水保护,等其它自动保护装置。此外,要求可控硅中频电源启动成功率要高,启动停止操作要方便。第四章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50Hz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。4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SCR1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,SCR2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SCR35和SCR4,SCR4和SCR5,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W1200KW2200KW3200KC10.1uC20.1uC30.1u321411U1ALM324121314U1DLM324C23103C24103C25103C27103A15VA15VA-15VA15VA15VA15V123J19123J20K3A-15V12J21D5123456789101112131415161718TCA787U7C7103C80.1C90.1C100.1C11103A15VA15VC13103C14103C15103C18103C16103C17103D6D7D8D9D10D11T1T2T3T4T5T6A24V567U1BLM3241J151J161J17W4D12C19C1210335AG2X31X21X11301电流负反馈073074075076077078080079X10X20X30温控电路1KR256.2KR2630R271KR286.2KR2930R301KR316.2KR3230R331KR346.2KR3530R361KR376.2KR3830R391KR406.2KR4130R425KR43N2N3N4N5Q6Q71MR11MR21MR31MR41MR51MR63.3KR73.3KR83.3KR910KR1010KR1110KR1256KR1356KR1456KR15200KR16200KR17200KR18100KR19200KR20100KR21200KR22100KR23200KR241uC41uC51uC64.7uC224.7uC20103C2156KR448.2KR47R4556KR4610K12KR4810KR4910KR5030KR51500R5230KR53300KR542KR554.7uC26N12N3904Z150KR5910KR58L912J212J312J412J512J612J1Z2D57D58D59D60D61D62D63D64D65D66D67D68L10L11L12L13L1410R12510R12610R12710R12810R12910R130103C72103C73103C74103C75103C76103C77AG3AG4AG5AG6AG1G1G2G3G4G5G6101201101X11X21301201X31A15VBH6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