基于晶閘管關(guān)斷時(shí)間控制的高效中頻電源

摘要：針對常規(guī)晶閘管并聯(lián)諧振中頻電源存在的在熔煉期內(nèi)輸出功率達(dá)不到額定功率的問題，設(shè)計(jì)了一種對DC/AC逆變器采用調(diào)節(jié)功率角嫉拇シ⒖刂頻緶罰配合原有的AC/DC相控雙閉環(huán)控制電路，可以使中頻熔煉電源實(shí)現(xiàn)高效控制。

關(guān)鍵詞：中頻電源；功率因數(shù)角嫉鶻冢還囟鮮奔淇刂

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(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的角度汲莆負(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(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)角急湫。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?，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(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。