12MC-中频电源的工作原理

112MC－中频电源的工作原理12MC－中频电源的基本原理，就是通过二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二个滤波器（直流电抗器）进行滤波，最后由逆变器将直流变为单相中频交流电供给负载，其电源系统方框图见图1。图112脉中频电源系统方框图符号说明：GI—给定积分器VOC—压控振荡器CON2—桥2整流电路VR—电压调节器1TR—桥1触发电路INV—逆变电路CR—电流调节器2TR—桥2触发电路BC—偏压电路CON1—桥1整流电路SP1—工频电流信号处理机SP2—中频电压信号处理机LA—限幅电路ACCT—工频交流电流互感器LP—平衡电抗器一、12MC——三相桥式线路作为整流器的工作情况三相桥式全控整流电路共有六个桥臂，在同一时刻必须有两个桥臂同时工作才能构成回路。六个桥臂的工作顺序如图2所示。现假定在时间t1-t2（t1-t2的时间间隔为60°电角度，即为一个周波的1/6T），2此时SCR1和SCR6同时工作（图2（a）中涂黑的SCR），输出电压为UAB。到时刻t2-t3晶闸管SCR2因受脉冲触发而导通，而SCR6则受BC反压而关断，将电流换给了SCR2，这时SCR1与SCR2同时工作，输出电压即为UAC；到时刻t3-t4，SCR3因受脉冲触发而导通，SCR1受到UAB的反压而关闭，将电流换给了SCR3，SCR2和SCR3同时工作，输出电压为UBC；据此，到时刻t4-t5，t5-t6，t6-t1分别为SCR3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RAB、UCA，UCB，这样即把一个三相交流电进行了全波整流，从上述分析可以看出，在一个周期中，输出电压有六次脉动。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60°，故对触发脉冲有一定要求，即脉冲的时间间隔须必为60°，我们这里采用的是经过调制的双窄脉冲，脉冲间隔依次为60°。图23以上解释的是单路三相整流桥的工作原理，在12MC的整流桥中有二套三相的整流桥，工作原理与上述的三相桥式整流电路完全一样，它们分别换流，各不相同，只是由于两桥的供电电压在相位上互差30°，故其输出直流电压Ud也相差了30°，当把两桥的输出叠加后，就得到两桥并联供电的实际电路每周期脉动为12次的输出电压。整流变压器一个原边（可以采用△形或Y形），两个副边，一个作Y接法，另一个作△接法。分别供电给三相桥式整流，两组整流器的输出并联后共同馈电给L.R负载。二、单相桥式并联逆变器的工作原理并联逆变器的基本线路示于图3，图中晶闸管SCR1－SCR4组成了一个桥式电路。Ld为直流电抗器，L为感应炉，C为补偿电容，LC组成一上并联谐振电路。4图3并联逆变器的基本线路图3表示一个工作循环的情况，假设在图4中，先是①②导通③④截止，则直流电流Id经电抗器Ld，晶闸管①②的电流流向L.C谐振回路，由于Ld的电感值比较大，Id受Ld的限制基本上保持恒定不变，L.C谐振电路受到一个恒定电流的激励，而产生谐振，振荡电压为正弦波，也就是说电容器两端的电压为正弦波（这相当于图4（a）及图八中时刻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5中的t1时刻）触发晶闸管③④，此时形成晶闸管①②③④同时导通的状态（如图4（b），由于晶闸管③④导通，电容器两端的电压通过晶闸管③④加到晶闸管①②上，使晶闸管①②阳极电压为负，阴极电压为正，晶闸管①②由于承受一个反向电压而迅速关断，也就是说晶闸管①②将电流换给了晶闸管③④。换流以后，直流电流经电抗器Ld，晶闸管③④从相反方向激励了谐波回路。电容器两端电压继续按正弦规律5变化，而电容器两端电压的极性变成了左端为负右端为正（如图4（C））。对应的波形图为图5中的t2-t3时刻。在负载中的电流也改变了方向。当电容器右端的正电压再要过零的某一时刻（这相当于图5中的t3时刻），再将晶闸管①②触通，则再次形成晶闸管①②③④同时导通，但在此时是使晶闸管③④承受一个反电压，而将电流换给了晶闸管①②，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，当晶闸管①②导通时电流自一个方向流入负载，晶闸管①②与③④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载电路控制的，所以不需要设置另外的强迫换流装置。这是它与其它变频线路的不同之点，由于不需外加强迫换流装置，因此这种变频线路的频率和效率都比较高，适合在大功率的感应加热及熔炼中应用。部分波形见图6所示，对应的线路见图6所示。图4逆变器的工作过程6图5流过逆变器负载上的电流电压波形图6逆变器各点波形三、调节保护电路1．给定积分器GI：其作用是把突然变化的给定电压信号转变为缓慢变化的斜坡信号，所以，给定积分器亦称斜坡函数发生器。由于它的存在中频电源装置的输出电流、电压不会因为给定电压突变而急剧变化，使之运行可靠、稳定。由运算放大器N133，型号为348的脚9、10、8——记作N133（9）、（10）、（8）及N133（5）、（6）、（7）构成给定积分器。N133（9）接入给定电压，同相端N133（10）接+极性输出信号电压。两者相减经放大后，由N133（7）输出，由于闭环电压放大系数很大，所以，只要N133（9）与（10）之间有一小的电压差，其输出即为饱和电压，经第二级放大器——积分器，使输出电压缓慢变化，直至在N133（7）电压与N133（9）电压相等，N133（8）输出电压为零，积分器输出不变。当给定电压降低时，即N133（9）电压低于N133（10）电压时，反向积分，即N133（7）输出电7压缓慢降低，直至与给定值相等。2．电压调节器VRVR的简化原理图见图7。由给定积分器GI的积分器N133（7）的输出电压送入N133（2），与取自负载中频电压的反馈电压信号（-Uf）相比较，其差值经VR比例——积分运算，由N133（1）输出至电流调节器CR，作为CR的给定信号。在中频电压低于某值之前，与电容器126并联的场效应晶体管被夹断，电容器126（5μF）被接入电路，此间，电阻128，电容器126支路起主导作用，使VR具有大的时间常数，使逆变器起动后的低电压运行阶段工作稳定。随着中频电压Ua升高，VR在太大的时间常数下工作，容易引起系统振荡，所以，当Ua升高到某值时，场效应管127导通，电容126被短接，此后，VR由电阻128、130。电容器129所决定的时间常数下工作，使之工具有积分凋节作用外，还能系统运行电压限定，由于Uf信号取自Ua，最终是限定Ua，由于VR的输出最终是调节整流移相角α1、α2的，所以限定Ua是通过降低直流电压Ud来进行的。电压限定过程称电压载止过程，简称截压过程。调节电位器111即可达到截压目的，其原理很简单：N133（2）的误差电压：ΔU1=Ugd-Uf，当给定电压Ugd不变时，当Uf增大时，其误差电压ΔU1便下降，经VR的比例——积分调试（PI）调节，使N133（1）输出减小，结果使α增大，Ud减小即Ua降低，截电值由电位器111的滑动端决定。N133（1）即VR的输出电压也送入限幅电路N133（12），由电位器140获得的负极性电压送到N133（13）作为VR的限幅设定值，假定为—5V，当N133（12）的电压值︱U12︱︱U13︱———N133（13）的电压时，N133（14）电压为正极性，由于二极管145的隔8离作用，不起限幅作用；当︱U12︱︱U13︱时，N133（14）为负极性，使ΔU1=Ugd-Uf–U14减小，︱U12︱－︱U13︱差值愈大，则ΔU1愈小，使N133（1）输出电压绝对值下降，最终被限定在—5V上。限副过程中，发光二极管141发光，指示限幅过程。3、电流调节器CRCR也是PI调节器，VR的输出N133（1）电压作为CR的给定电压，它与取自两组整流桥进线侧的工频电流信号电压相比较：ΔU2=－UVR+Uif当电流信号电压增大时ΔU2减小，使N87（14）CR的输出减小，使α增大，起到电流稳定作用。与VR一样，W82可整定截流值。稳压管84、85起正、负输出电压限副作用。反馈电阻97（1MΩ）为提高静态放大系数而设定。N87（1），N63均为电压跟随器。图7电压调节器VR及电流调节器CR简图94、偏压电路BCBC电路的作用是，当给定电压为零时，使两组整流电路移相控制角α1、α2在逆变区，最好是整定为α1=α2=αmax,αmax考虑安全有源逆变的最大控制角，一般取αmax≤150o，有利于图8BC电路自激逆变器起动及系统保护。偏压电路见图8。其中为跟随器348的末级截止电阻。即可算得A点电压=[15÷（68K+27.5K）]×27.5V=4.3V。由于Ro的离散性，UA=3.6～4.2V。在4046（9）上的电压通过2K可变电阻分压调整，可获得0.60V~4.2V调整范围，实际使用中，调整4046（9）的电压，使4046（4）的输出频率时应于最大控制角αmax=α1max=α2max。在整流移相控制电路中的4046（12）对地接电阻R12，取适当的值，则当UA=0时，即可获得对应于αmax的4046（4）的频率。5、整流触发电路1TR、2TR1TR、2TR是两组相同的数字相控移相触发电路。若同步变压器采用Dy11联结，其二次侧电压超前于主电路电压30o。为满足移相范围，同步电压应与主图9电路相同，故须接入移相电路，如图9。当电容C=0.1μF时，则R1：10tgφtg30oR1=———=———————=18.4KωC314×0.1×10—6按图9参数配置时的等值电阻：R1（R2+R3）22×122×106R=—————=———————=18.6KΩR+R2+R144×103移相角：φ=tg－1ωRC=31.4×18.6×103×10－6=30o滞迟电路输出电压（当UA=30V时）：UA30UA=————·R3=—————×22×103=4.6VR1+R2+R3144×103移相30o后的同步电压，经零电压比较器Z8，其8脚Z8（8）输出方波电压：同步电压为正半波时，输出为负；同步电压为负半波时，输出为正。经异或门Z9及或非门Z7组合后，Z9（3）、Z7（3）便得到相位互差180o的矩形脉冲。见图11波形。它们分别去控制Z7（13）、Z7（8），即只允许Z7（11）在同步电压正半波期间出脉冲；Z7（10）在同步电压负半波期间出脉冲。Z9（11）及Z9（12）分别获得Z9（3）输出的延迟信号及即时信号，Z9（13）便得到与同步电压波形过零点相对应的窄脉冲，作为计数器Z10的置零脉冲。Z10是二进制串行异步计数器4020，当其R端为0时，在Z10（10）的时钟脉冲的下降沿计数：11图10移相触发电路的脉冲形成电路当R端为1时，Z10（14）为0。时钟脉冲由Z7（4）提供。由压控振荡作为Z10的时钟脉（CP），Z5（4）的脉冲列能否送到Z10（14）的状态来决定，只有当Z10（14）为低电平时，才能把Z5（4）脉冲的0相或非，即Z7（4）送一CP脉冲给Z10（10）而当Z10（14）为高电平时Z7（4）无输出。当Z10（14）为低电平时Z10（10）获得29（=512）个脉冲的下降沿时，Z10（14）为高电平而停止计数，Z7（11）由1变为0，经R5、C13微分，Z4（6）获得负向脉冲，Z4（5）便输出一正脉冲驱动功放管作为+A相晶闸管的触发脉冲。在同步电压负半波期间，Z7（10）为低电平时，Z4（9）输出一正脉冲作为－A相晶闸管的触发脉冲。Z4的输出脉冲宽度由单时基电路Z2所决定，Z4（2、6）由六路脉冲经电容C5作用后驱动，Z2（3）输出脉冲列作为Z4的置零脉冲，故Z4（5、9）输出调制脉冲。12图11电路的各点波形由图11波形可知，当Z10（10）的CP脉冲个数到达第512个的下降沿时，Z10（14）为1，此刻便产生移相脉冲。改变CP脉冲的频率，则到达第512个CP脉冲下降