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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一直流一交流变换器,其基本路线如图2o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,才干够成通路,六个桥臂的工作顺序如图3o现假定在时刻的时间间隔为60电角度,既相当于一个周波的1/6)此时SCR1和SCR6同时工作(图3⑻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,据此至“时亥ij 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,而且每一个桥臂导通时间间隔为60,故对触发脉冲有一定要求,即脉冲的时间间隔必须为60,而且如果采用单脉冲方式,脉冲宽度必须大于60,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60的地方再浮现一次脉冲2三相同步及触发路线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耍求,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整流触发路线)整流触发路线里,三相同步o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12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.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角分别输出6路调制后的双窄脉冲,经电容耦合给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,普通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660V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者是感应熔炼,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值普通在10-14之间,对感应加热来说,则根据偶合程度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1600kfar,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,这个原理就象普通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路线,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;串联逆变器并联逆变器1输出电压为距形波输出电压为正弦波2输出电流为正弦波输出电流为距型波3炉子感应圈电压为逆炉子感应圈电压等变器输出电压的Q倍于逆变器输出电压4感应圈电流等于感应圈电流为逆变器逆变器电流输出电流的Q倍5使直流电压稳定直流使直流电流恒定直流端并接有大的电容器端串接大的滤波电感6用高电压的补偿电容使用标准的补偿电容7用反馈二极管不要反馈二极管2单相桥式并联逆变器的工作原理1并联逆变器的基本路线如图6o图中可控硅SCR16CR4组成为了一个桥式路线,Ld为直流电抗器,L为感应炉,C为补偿电容,LC组成一个并联谐振路线这个路线是如何工作,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路线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7⑻中,先是⑴2导通⑶⑷截止,则直流电流Id经电抗器Ld,可控硅⑴2流向LC谐振回,由于Ld的电感值比较大,ld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7a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亥I图8中的时刻t1触通可控硅⑶与4,此时可形成可控硅1234同时导通的状态,如图7b,由于可控硅34的导通,电容器两端的电压通过可控硅34加在可控硅12上,阳极电压为负,阴极电压为正,可控硅12两端由于承受一个反向电压而迅速关断,也就是说可控硅12将电流换给可控硅
34.换流以后,直流电流经电抗器Ld,可控硅3⑷,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7⑹,对应的波形图位图8中的t2—13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亥U这相当于图8中的t3时刻,再将可控硅12触通则再次形成4个桥臂可控硅1234同时导通状态,但在此时使可控硅34承受一个反向电压,而将电流换给了可控硅12,这就完成为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⑴⑵导同时电流自一个方向流入负载,当可控硅34导通时电流从相反方向流入负载,可控硅⑴2与⑶4相互轮流导通和关断,就把一个直流变成为了交流,可控硅⑴⑵与⑶⑷交替工作的次数也就决定了输出交流电的频率这种变频路线因其换流过程是受负荷控制的,所以不需要外加此外的强迫换流装置,这是它和其它变频路线的不同之点,由于不需外加换流装置,因之这种变频路线的效率较高适合在大功率的感应熔炼及加热中应用,所以这种路线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故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路线中非常重要,不满足这一点,这种逆变路线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⑶⑷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,必须加之足够的反向电压,反向电压过低则可能关不断2必须确保一定的换流时间忆在上面的分析中,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%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,才干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彻底消失,既加之正向电压,可控硅将重新再度导通因此,引前触发时间tf必须大于换流时间在与关断时间toff之和,既tftr toff,不然的话厕可控硅尚未彻底+关断又将承受正向电压而再度导通,这就会造成非常危(wci)险的直通短路但是,安全换流时间tr所对应的超前角也不能太大,主要是考虑下面两个原因;
(1)a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,在单相桥式逆变路线中,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/cosaf,从式中可以看出,在输入直流电压Ud相同的条件下,当角度增大,则cos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的关系中频输出的有功功率P=Uc.lLcosao式中可以看出在相同的中频电压电流条件下a角愈大,有功功率输出愈小,如果要保持一定的输出功率,贝心角度愈大,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100ps摆布,对应的角度大约是在30-45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经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路线能正常工作,必须要过补偿,即补偿到电流超前电压一个角的程度在前面的分析之中,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燃后才以每微秒大约
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为了限制换流过程中的电流上升率di/dt必须在每一个桥臂中串接一定数量的电感,但是这个换流电感值也不能太大,因为换流的重叠时间tr直接有这个换流电感决定,如果这个电感数值太大,则换流时间将拖长,当电流增大时.,时间会更长,以致是总的时间大于安全换流时间tf,而是换流无法完成造成逆变失败普通考虑tr=ld/di/dt,式中;I为流过可控硅的电流,di/dt为可控硅元件允许的电流上升率因此;在中频频率1000Hz的电源装置中,电流超前电压a角度普通设定在30-45之间(这一点在所介绍的路线中非常重要,不满足这一点,这种逆变路线是不能工作的)5)在具体的路线中,为了实现以上触发提前的要求,采用的是谐振回路的电压Uc和流过电容器的电流lc的合成信号,因为两个信号的交差点位置刚好在tf所要求位置附近(如图9)o UC信号是从与电容器并联的中频电压互感器中取出,lc信号从补偿电容器的一组Cs串联的电流互感器中取出,tf/c是一个比例常数系统中Uc,lc分别用两个电位器来调整(见图10(a)Uc.Ic信号的合成通常称作频率跟踪电路)3・单相桥式逆变路线触发脉冲形成的过程1)合成信号的限幅(见图10b)自中频电压互感器及中频电流互感器取得的信号,经WI,WU oD43,D44,D45,D46,合成后为一正弦波通过R101,R102降压限流后与D47,,D48组成双向限幅电路,把输入的正弦波信号变成双向梯形波,这一电路的作用除了形成梯形波以提高过零转换的准确度以外,还有限幅作用,因为在工作过程中输入合成信号变化较大,由于二极管的作用,使合成信号的电位始终被钳位在
0.7v保证下一级安全工作C53C54是抗干扰电容,旁路干扰信号2)脉冲方波的形成(见图10b)所示双比较器集成块LM393的两个比较器,共同组成双向比较器电路(实际上也叫窗口式比较器)当合成信号正半周到来时,3角为高电位2角低电位,比较器1角输出一个方波信号当合成信号负半周到来时5角为高电位,6角低电位,7角输出一个方波信号此两路方波送入下一级进行双稳态触发及分频处理3)双稳态触发及分频的实现(见图10c)在路线里由4与非门TC4011集成块来组成双稳态触发电路,其主要作用是分频和整形,目的是对双向比较器电路送来的方波脉冲作进一步整形,并把输入脉冲分成互差180的两组前沿陡峭方波使其相位更加准确,工作稳定可靠4)脉冲功率放大及变压器偶和环节(见图10d)自双稳态触发器两个输出端送来的2个相位互差180的方波,分别经电容C64,C59进行微分,使触发脉冲的宽度设定在45摆布并偶合给有两只大功率MOS管组成的脉冲功率放大电路,对脉冲信号进行功率放大,保证其足够的功率输出,实现强触发的目的每一个脉冲功率放大级带动一只脉冲输出变压器,每只变压器输出分4组,经整形电路整形后,分别去触发对角的两组桥臂8只可控硅,达到对逆变器进行良好触发的目的,使逆变器两组对角桥臂象工作原理中讲到的那样,工作在良好状态4逆变可控硅的选定1)根据中频电源的工作频率段选定;频率在100HZ-500Hz的选定关断时间在20ps-45Ps的KK型可控硅频率在500Hz—1000HZ的选定关断时间在18ps-25Ps的KK型可控硅频率在1000HZ-2500HZ的选定关断时间在12ps-18Ps的KK型可控硅频率在2500HZ-—4000HZ的选定关断时间在10ps-14Ps的KKG型可控硅频率在4000HZ-8000HZ的选定关断时间在6ps—9Ps的KA型可控硅2)根据中频电源的输出功率选定;根据并联桥式逆变路线的理论计算,流过每一个可控硅的电流是总电流的
0.455倍,考虑留有足够的裕量,通常都选定和额定电流同样大小的可控硅功率在50KW--100KW的选定电流300A/1400V的可控硅(380V进相电压)功率在100KW—250KW的选定电流500A/1400V的可控硅(380V进相电压)功率在350KW—400KW的选定电流800A/1600V的可控硅(380V进相电压)功率在500KW—750KW的选定电流1500A/1600V的可控硅(380V进相电压)功率在800KW—1000KW的选定电流1500A/2500V的可控硅(660V进相电压)功率在1200KW-1600KW的选定电流2000A/2500V的可控硅(660V进相电压)功率在1800KW-2500KW的选定电流2500A/3000V的可控硅(660V进相电压)三系统的保护本系统设置有多重保护系统,第一道有限压限流保护,第二道有过压过流保护,第三道有自动断路器(DW・16空气开关)作装置的短路电流保护装置还分别设置有;冷却水欠压断水保护,快速熔断器保护,进相空芯电抗器保护,可控硅阻容吸收保护1三相桥式整流电路的短路保护为了使在整流硅发生击穿时不使进相电压发生短路,普通在电路里每一个整流桥臂都串联快速熔断器,以保护每一个桥臂的可控硅为限制相间短路时的电流上升率,不致超过可控硅元件本身的允许值,在交流进线处串有空芯电抗器空芯电抗器的另一个作用是,使整流可控硅在换和过程中限制电流的上升率,对可控硅起到了一定的保护作用2逆变端过流及过压保护1)逆变端产生过电流的原因如下;
(1)运行中负载的波动引起过流感应炉在熔炼过程中负载波动很大,特别是在熔炼的初期参数变化的更为激烈往往造成过电流
(2)运行中桥式逆变器,两对桥臂可控硅换流失误,逆变失败,所引起的短路电流
(3)运行中桥式逆变器可控硅触发脉冲蓦地中断,造成桥臂对角线可控硅斜通短路,所引起的短路电流还有其它各种原因引起的过电流,这种逆变侧的过电流采用快速熔断器保护将不是经济可靠的办法2)逆变端产生过电压的原因如下;
(1)(中频电压Uc=
1.1Ud/cosa o由于超前角Q过大在整流电压Ud恒定时,造成中频电压Uc过高2逆变触发脉冲的时刻是有Uc和・lc信号的交点决定的,如果自电压互感器来的Uc信号蓦地中断则此交点将由1c信号决定,Q将迅速增大,从而造成中频电压Uc过高3炉子感应圈蓦地开路造成过电压4可控硅在导通与关断时产生的尖峰过电压3对逆变端的过流及过电压均采用脉冲封锁方法来保护的1下面简单说明一下脉冲封锁的动作原理1当三相桥式全控整流电路中,直流输出端发生短路时,迅速将整流触发脉冲移到最小?角例如?=30,相当于Q=150处以产生一反电压来快速关断整流可控硅,切断短路电流这种将整流触发脉冲有整流装置快速移到封锁位置的方法,就叫做脉冲封锁脉冲封锁不能简单理解为将脉冲去掉.实际上三相桥式全控整流电路是工作在逆变状态这里所说的逆变和我们讲的中频逆变器彻底是两个概念,不可混同2当逆变电路发生短路时,电流迅速增大,此时有直流电抗器的存在,接近于整流输出的电压全部加在电抗器Ld的两端,Ld将产生强大的磁能如不将整流电路即将封锁脉冲,磁能将无法释放,危害是不可估计的,必须是整流桥处在逆变状态才干把这一能量反馈给交流供电电网随时间的推移Ua将逐步减小为零,电流也相应减小为零,整流可控硅而关断,使其达到保护的目的3在本系统实际的保护环节中过电流信号取自交流进线端的三只穿心式电流互感器,三只电流互感器接成星形联接,再有三只5/
0.1互感器进行变换,以星形接入主控板的K1,K2,K3,经三相桥式整流后以电压的形式取出过电压信号取自中频电压互感器,经单相桥式整流后取出见图11,电位器W7的动端位置决定过电流的保护整定值4比较器LM339分两组分别担任过流过压的任务,5角接有一基准电压,电位器动端输出的电流信号接于6角,此时与5角进行比较,当电流信号电压大于取的是负电压基准电压时比较器2角将输出高电位,分四路输出,一•路使U3B负输入端6角电位高于正输入端7角电位,1角输出低电位,锁定U3A,保证2角输出高电位一路经三极管驱动继电器带动门板指示灯作为外指示,一路送入控制回路使整流触发脉冲迅速移到最小?位置相当于=
150.使整流触发脉冲处在封锁状态,整流触发集成块TC787C的4角是触发移相控制端,低电位移相,高电位封锁同理电位器W8动端的位置决定了过电压的保护整定值一旦发生过电流或者过电压,通过保护电路使其达到脉冲封锁的目的普通情况下过电流过电压值整定在额定工作电流电压的
1.2倍较合适4本系统的保护复位采用的是功率电位器回零自动复位装置,原理是这样的;当系统发生保护动作时,比较器的正输入端电位高于负输入端电位,处在自锁状态,惟独使正输入端电位低于负输入端电位方可解除自锁状态过程是这样的,设备在正常工作时功率电位器的动端074接近于073,电位较低U1C负输入端9角电位低于正输入端10角电位,输出端8角高电位,处于正常状态当功率电位器回零时,074挨近075,电位相应较高使UIC反转输出低电位,解除过流过压的自锁状态达到保护复位的目的2)本系统还分别设有限流限压保护系统,W
5.W9动端的位置决定了限流限压的整定值它们的工作原理是这样的:四运放集成块LM324的两组分别负担限流限压的工作首先6角13角分别接有5V基准电压,W
5.W9动端送来的电流电压信号(以负的形式输出)接于6角13角,分别与基准电压进行比较,之中频电源的工作电流或者电压达到额定值时相应的在W5,W9检出信号,如负于比较器的基准电位,比较器将进行运算并从7角14角分别输出高电位与整流给定电压合并,拉高给定电压使整流触发移相发生变化,整流输出电压降低,系统的工作电流或者中频电压将降低,与此同时W5W9检出的信号跟着降低,运算器的7角14角输出电压降低,给定电压降低,整流触发脉冲角变小,(触发电路的移相是给定电压低电位时触发脉冲移相,高电位时触发脉冲封锁)直流输出电压提升这样又回到动作的初始状态,电路将进行又一次系列转换,其结果是保持在限流或者限压设定值范围内不变达到其限流限压的目的3)本系统还在整流可控硅和逆变可控硅的阳极阴极两端设有阻容吸收回路,(如原理图)对可控硅在关断时产生的尖峰脉冲进行吸收,以免造成尖峰电压击穿可控硅其原理很简单,大家都知道电容的特性使两端电压不能突变,电容量一定,电阻值一定其充放电时间一定在可控硅换相过程中产生的尖峰脉冲宽度较窄,通过电阻对电容充电,其结果是电压来不及建立周期已过去因为阻容保护的充放电时间常数远大于尖峰脉冲的时间常数,故对可控硅起到了保护作用此外在逆变回路里每一个桥臂里的两个可控硅的阳极阴极两端还接有均压电阻,其作用是在桥臂关端期间使两端的电压被电阻分压,每一个可控硅承受1/2的电压当桥臂再次导通时,不会使单硅承受全部电压而造成不良的后果,相应的起到了保护作用。