SCR中频感应加热电源

晶闸管（SCR）中频电源是中频机组的替代产品。按同等功率输出，它比中频机组要节电30％～40％，它的频率范围是0.5～10kHz。晶闸管中频感应加热电源中常用大功率晶闸管的电压和电流参数见表2-2。图2-10所示为晶闸管中频电路结构框图，它由主电路和控制电路两大部分组成。主电路由三相桥式全控整流电路、逆变电路、谐振回路、负载等组成；控制电路由整流触发、逆变触发、保护信号反馈及自动调节等环节组成。下面主要介绍三相桥式全控整流电路和逆变电路的工作原理。

图2-10 晶闸管中频电路结构框图

1.三相桥式全控整流电路原理

（1）晶闸管三相桥式全控整流电路 图2-11所示为晶闸管三相桥式全控整流电路。图中，晶闸管VT₁和VT₄接A相，VT₃和VT₆接B相，VT₅和VT₂接C相。VT₁、VT₃、VT₅组成共阴极组，VT₄、VT₆、VT₂组成共阳极组。它们的触发顺序依次是VT₁—VT₂—VT₃—VT₄—VT₅—VT₆。

图2-11 晶闸管三相桥式全控整流电路

三相可控整流就是将三相交流电压u_A、u_B、u_C（见图2-12）经三相可控整流桥变换为直流电压U_O，通过改变晶闸管的导通角就可以改变直流电压的大小晶闸管导通角的改变是通过调节角α的改变来实现的。

（2）三相电压及触发脉冲 图2-12所示为三相桥式可控整流电路在调节角α＝0°时的波形及触发脉冲。对应于相电压uA、uB、uC的α角（图中分别为αAαB、αC）的0°点，分别是在π／6、5π／6、3π／2。对于相电压uC、uA、uB的负半周，即－u_C、－u_A、－u_B的α角0°点，分别在π／2、7π／6、11π／6。所有α角的调节范围均为120°（2π／3）。

为了分析方便起见，把一个周期等分6段。在第Ⅰ段期间，A相电位最高因而共阴极组的VT₁触发导通，B相电位最低，共阳极组的VT₆触发导通。这时电流由A相经VT₁流向负载RL，再经VT₆流向B相。加在负载RL上的整流电压为（u_A－u_B）。

经过60°后进入第Ⅱ段。这时A相电位仍最高，VT₁继续导通，但C相电位最低，经自然换相点触发C相的VT₂，电流从B相换到C相，VT₆承受反压而关断。负载RL上的整流电压为（u_A－u_C）。

再经过60°，进入第Ⅲ段，这时B相电位最高，共阴极组经触发换相VT3导通，导通管由VT₁转到VT₃，VT₂继续导通。B、C两相工作，RL上的电压为（u_B－u_C）。

图2-12 三相桥式可控整流电路的触发脉冲

余次类推。在第Ⅳ段，VT₃、VT₄导通，B、A两相工作。在第Ⅴ段，VT₄ VT₅导通，C、A两相工作。在第Ⅵ段，VT₅、VT₆导通，C、B两相工作。再下去又重复上述过程。

三相可控整流电路中，6只晶闸管导通的顺序是VT₁—VT₂—VT₃—VT₄—VT₅—VT₆，每隔60°有一管换相。从上述三相桥式全控整流电路的工作过程可以看出：

1）全控整流电路在任何时刻都必须有两只晶闸管导通，才能形成导电回路其中一只晶闸管是共阴极组的，另一只晶闸管是共阳极组的。

2）触发脉冲的相位，共阴极的VT₁、VT₃、VT₅之间应互差120°；共阳极的VT₄、VT₆、VT₂之间也互差120°。接在同一相的两管，如T₁与T₄，T₃与T₆T5与T2之间则互差180°。

3）为了保证合闸后整流桥共阴极组和共阳极组各有一只晶闸管导电，或者由于电流断续后能再次导通，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时给触发脉冲。为此，可以采取两种办法：一种是使每个触发脉冲的宽度大于60°（一般取80°～100°），称为宽脉冲触发；另一种是在触发某一号晶闸管的同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，这相当于用两个窄脉冲等效替代大于60°的宽脉冲，称为双脉冲触发。图2-12中给出了双脉冲的波形及相位关系。为清晰起见，图中各晶闸管的触发脉冲均以数字标记，数字与管号是一致的，脉冲序号1～6分别代表晶闸管VT₁～VT₆的触发脉冲。1′～6′为补发脉冲序号，例如，当要求VT₁导通时，除了给VT₁发触发脉冲外，还要同时给VT₆发一个触发脉冲；欲触发VT₂时，必须给VT₁同时发一个触发脉冲，这后者称为补发脉冲，等等。因此，双脉冲触发就是在一个周期内对每一个晶闸管需要触发两次，两次脉冲前沿的间隔为60°。双脉冲电路比较复杂，但可减小触发装置的输出功率，减小脉冲变压器的铁心体积，通常多采用双脉冲触发。

（3）U0的计算公式（电阻性负载）

1）当0≤α≤π／3时

式中 U₂——相电压有效值；

U_2L——线电压有效值。

举例：设α＝0°，U_2L＝380V，则U₀＝513V

2）当π／3≤α≤2π／3时

举例：设α＝120°（2π／3），U_2L＝380V，则U0＝0V。

2.晶闸管负载换相式逆变电路

（1）并联谐振逆变电路

1）电路工作原理。中频感应加热电源广泛应用的逆变电路是电流源并联谐振式逆变电路，如图2-13所示。图中U₀是工频交流电源经三相（可控）整流后得到的直流电压，直流侧串联大电感，又称为电抗器L_d，从而组成电流型逆变电路。电感LT₁～LT₄用来限制晶闸管导通时的di／dt，并在晶闸管移相期间起换相作用，故又称为换相电抗器。桥臂晶闸管（一般采用快速晶闸管）VT₁VT₃与VT₂、VT₄以中频频率轮流导通，可在负载上得到中频交流电；L串联R是中频电炉负载（感应器）的等效电路，因其功率因数很低，为改善功率因数而并联补偿电容器C。L、R和C组成并联谐振电路，故称此逆变电路为并联谐振式逆变电路。由于并联谐振式逆变电路属电流型，其交流电流i的波形接近矩形波，其中包含基波i1和各奇次谐波。因基波频率接近负载电路谐振频率f₀，故负载（并联谐振）电路对基波呈现高阻抗，而对谐波呈现低阻抗，谐波在负载电路上几乎不产生压降，因此负载电压u_AB的波形接近正弦波。

图2-13 并联谐振逆变电路

2）输出功率估算 逆变电路输出功率P₀可近似的用基波计算求得。

P₀＝U₁I₁≈U₀I₀（2-4）

式中 U₁——并联谐振回路两端电压u_AB的基波电压u₁的有效值；

I₁——基波电流i₁的有效值；

U₀——直流电压；(www.xing528.com)

I₀——直流电流。

这表明在理想情况下，即没有考虑晶闸管、电抗器、感应器以及线路等的损耗情况下，负载吸收的有功功率近似为直流电源提供的有功功率。

3）逆变电路的自动调频和起动。在前述分析中，为简化分析而认为负载参数不变，逆变电路的工作频率也是固定的。实际上，在中频加热和熔炼过程中，负载线圈的参数是随时间而变化的，从而引起谐振频率的变化，其变化范围大约是标称频率的25％～30％。因而固定的工作频率无法保证晶闸管的可靠换相，这可能导致逆变失败。为此，需要使触发脉冲频率能自动调整，即电路要能实现频率的自动跟踪。

逆变器常采用自激励方式，但原始信号来自谐振回路，起动时回路又没有输出，因此电路在投入运行前存在一个起动问题。为解决这个问题，可采用多种方法：①附加一个给起动电容器预充电的电路（例如辅助起动桥电路），起动时将已充电电容器的能量释放到负载回路上，形成衰减振荡，检测出振荡信号实现自激励（已淘汰）；②带锁相环频率自动跟踪的杂波起动电路；③采用扫频式零压阮起动。起动过程大致是这样的，逆变电路起动前，先以一个高于槽路谐振频率的他励信号去触发逆变晶闸管，当电路检测到主回路直流电流时，便控制他励信号的频率从高到低扫描，当他励信号频率下降到接近槽路谐振频率时，中频电压便建立起来，并反馈到自动调频电路。自动调频电路一旦投入工作，便停止他励信号的频率扫描，转由自动调频电路控制逆变引前角，使设备进入稳定运行状态。

（2）串联谐振式逆变电路

1）工作原理 电压型串联谐振式逆变电路如图2-14所示。直流电压源U0是由三相可控（或不可控）整流电路得到，直流侧并联大容量电容器C_d；由于负载线圈功率因数很低，所以串联电容器C进行补偿R、L和C构成串联谐振回路。

图2-14 电压型串联谐振式逆变电路

为实现负载换相，要求补偿后的串联回路呈现容性，因此电路的工作频率f，即触发脉冲频率应低于串联电路谐振频率f₀。逆变桥由四个晶闸管VT1～VT4和与其反并联的快速二极管VD₁～VD₄组成四个桥臂。电路工作时，像并联逆变器一样，轮流触发VT₁、VT₃和VT₂、VT₄，使负载得到中频电流。设置快速二极管的目的，是在晶闸管关断期间给负载振荡电流提供通路。图2-15所示为串联谐振式逆变电路主要电量的波形，L、R、C串联谐振回路两端的电压u_AB近似幅值为U₀的方波u₁是它的基波电压，i₁是中频电流i的基波，i_d为直流侧电流，其平均值为直流电流I₀，φ是基波电流i₁超前基波电压u₁的相位角，也是功率因数角。

2）输出功率估算。串联谐振逆变式电路的输出功率P₀可按下式进行估算：

P₀＝0.9U₁I₁cosφ≈0.9U₀I₀cosφ

（2-5）

式中 U₁——基波电压u₁的有效值；

I₁——基波电流i₁的有效值；

cosφ——功率因数；

U₀——直流电压；

I₀——直流电流。

由式（2-5）可知，通过改变U₀或cosφ都可以调节输出功率P₀。

串联谐振式逆变电路适用于淬火加热等需要频繁起动、负载参数变化比较小和工作频率较高的场合。

图2-15 串联谐振式逆变电路主要电量的波形

3.晶闸管逆变器的效率与电源装置的效率

晶闸管逆变器的效率与（整台）电源装置的效率是有所不同的。由于逆变器工作时，存在器件的导通损耗、换相损耗，以及各种部件的损耗，因此由直流侧电压U₀和直流电流I₀所决定的直流功率，并非全部转换为中频功率输出给负载，因而逆变器转换效率是小于1的。图2-16所示为感应加热电源装置50Hz交流输入功率的流向图。图中的数据与器件类型、频率工艺过程（淬火还是锻造加热等）有关。在100Hz～3kHz的频率范围内，晶闸管逆变器的效率是很高的达到96％～97％；在3～10kHz频率范围内，其效率达到93％～95％（整台）电源装置在额定状态下除去逆变器外，三相整流电路、控制电路以及其他辅助电路等均存在损耗，还有工频交流侧功率因数的原因，这些因素将导致电源装置的整机效率要低于逆变器的逆变效率，此效率为70％～77％（淬火状态）。

作为例子，表2-3列出了日本电气兴业株式会社的部分DPG型晶闸管（SCR）电源装置的电气数据。在选用中频感应加热电源时，根据感应加热任务确定所需的功率和频率来选择中频电源设备。有的生产厂家在提供电气数据时只有输出功率而无整机的输入容量，因此在设计低压供电线路的容量时，需要考虑整机效率而加以换算的。

图2-16 感应加热电源装置50Hz交流输入功率的流向图

表2-3 日本电气兴业株式会社的部分DPG型晶闸管（SCR）电源装置的电气数据

举例：假设购买了一台输出功率为800kW的晶闸管（SCR）电源装置（不知道装置容量），取整机效率为74％，则可计算出装置容量＝（800／0.74）kvar≈1081kvar。根据此装置容量则可设计低压供电线路的电器和线路容量。

4.晶闸管中频电源型号的编制方法及电源系列

（1）晶闸管中频电源型号编制 在我国，多数生产厂家对名称及型号编制方法大同小异，主要型号编制方法如下

（2）晶闸管中频电源系列（见表2-4） 举例：表2-4中的KGPS-700／2.5表示水冷式晶闸管中频电源，其额定功率为700kW，额定频率为2.5kHz。

表2-4 晶闸管中频电源系列

5.晶闸管中频电源的谐振电容器

一般感应加热负载是电感性的，其功率因数cosφ很低，通常为0.2～0.4为了提高功率因数，使其接近于1，通常将电容器与负载并联，组成并联谐振回路，故称为谐振电容器。老式产品采用的电容器是RYS和RYST型中频电热电容器，体积大、容量较小。现在已有全膜结构的RFM型全膜电热电容器，其特点是体积小、频率高（可达500kHz）、容量大。它可以替代RYS和RYST型中频电热电容器。