毕业设计（论文）-KGP-250-10晶闸管中频加热电源.doc

毕业论文课题： KGP-250-10晶闸管中频加热电源 专题 主电路与控制电路 摘 要本设计主要是分析由半导体二极管、晶闸管、大功率晶体管等元件组成的三相桥式可控整流电路、单相桥式并联逆变电路、保护电路以及继电器接触器控制电路等的工作原理和参数计算，并对整流触发电路和晶闸管中频电源等原理作专门的分析；其次，根据本次设计要求，利用系统软件绘制出了各个电路的原理图和曲线图，并附带了元器件列表。AbstractThe analysis is designed mainly by the semiconductor diode, thyristor. High-power transistors and other circuit elements, the three-phase controlled rectifier bridge, parallel single-phase inverter bridge circuit. relay contactor control and protection circuit for the working principle and circuit parameters. IF triggered thyristor power rectifier circuit and also other principles for specialized analysis; Second, under the current design requirements, use the software to map out the various circuit diagram and curves, and the components attached table.前 言 感应加热是一种常见的加热方式，广泛用于金属冶炼、工件透热、淬火、焊接等工艺，也是电力电子技术的一个重要应用领域。感应加热电源分为中频电源、高频电源和超音频电源。一般对频率为10KHz以下的电源为中频电源。本设计共分为八章，第一章是对感应加热原理的分析；第二章是对无铁心感应电炉对晶闸管中频电源输出的要求的分析；第三章是对主电路的分析；第四章是对整流触发电路的分析；第五、第六、第七章则是对并联逆变器的启动、保护系统和控制电路的原理分析，也包括它们的参数计算；而第八章则是做完本篇设计后所作的总结。为了更方便地了解所学知识，在附录中还附带了所涉及到的元气件的型号和参数。由于本人所学有限，所涉及的范围较窄，如果考虑的不够全面，望见谅！目 录绪论.第一章 感应加热的基本原理1.1 感应加热的基本原理1.2 感应加热电源的发展动态1. 3 感应加热电源技术的发展趋势第二章 无铁心感应电炉对晶闸管中频电源输出的要求2.1 对中频输出频率的要求2.2 对中频输出频率的要求2.3 大容量感应炉对中频电源的要求2.4 其他要求第三章 主电路的工作原理及参数计算3.1 晶闸管电源的工作原理3.2 三相全控整流电路的工作原理3.3 单相桥式并联逆变器的工作原理3.4 逆变电路的参数计算第四章 整流触发电路的工作原理4.1 对整流触发电路的基本要求4.2 触发电路的工作框图4.3 触发电路的电气原理图第五章 并联逆变器的启动第五章 保护系统及保护器件的选择6. 1 限电流限电压电路6. 2 过电压过电流保护6.3 快速熔断器，硒堆及阻容吸收保护6. 4 保护器件的选择第六章 继电器接触器控制电路第八章 毕业设计及心得体会第九章 致谢附录参考文献绪论晶闸管是晶体晶闸管的简称，又称作可控硅整流管，它最大的特点是容量大、电压高、损耗小、控制灵便、易实现自动控制，是大功率电能变换与控制的较理想器件。由于通过它的单相电流可以很大，且能够采用弱电信号控制其开通，因而它自问世以来，使用极为广泛。随着半导体制造技术和变流技术的发展，相继成功研制出了可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（BJT或称GTR）、功率场效应管MOSFET、绝缘栅双极晶闸管（IGBT）以及新型的MCT、SIT、功率集成模块PIC、智能功率模块IPM等。目前，晶闸管在各工业部门应用都极为广泛，在中频加热方面的应用也很成功。 本设计利用我们在课堂上所学的基本知识，从分析工作原理入手，逐步分析主电路、保护电路、参数的计算、保护系统等，使我们掌握了课堂设计的步骤，对中频加热电源有了较深入的了解。第一章 感应加热的基本原理1.1感应加热的基本原理晶闸管中频加热电源装置是一种利用晶闸管元件把三相工频电流变换成某一频率的中频电流装置，主要是在感应熔炼和感应加热的领域中代替以前的中频发电机组。中频发电机组设备体积大，生产周期长，运行噪声大，而且它是一种固定频率的设备，运行时必须随时调节电容大小才能保持最大输出功率，这不但增加了不少中频接触器，而且操作起来也很频繁。晶闸管中频电源与这种中频机组比，除具有体积小、重量轻、噪声小、投产快等明显优点外，最主要还具有下列特点：1） 低电力消耗。中频发电机组效率低，一般为80%85%，而且晶闸管变频为90%95%，而且中频装置启动停止方便，在生产过程中短暂的间隙都可以随时停机，从而使空载损耗减小到最低限度（这种短暂的间隙，机组是停不下来的）。2） 中频电源装置的输出频率是随时负载参数的变化而变化的，所以保持装置始终运行最佳状态，不必象机组那样频繁调节补偿电容。3） 晶闸管中频电源装置的大部分是电子器件，可以做成接插形式，出现 故障易更换。4） 晶闸管中频加热电源装置采用脉冲封锁保护，保护动作快。5） 晶闸管中频加热电源装置启动时无冲击电流，但是具备额定电流的37倍的安全余量，这样就需要加大电源变压器的功率。6） 晶闸管中频加热电源也有不足的一方面，如过载能力差，对电子要求高， 使用维修需要一定的技术水平。晶闸管中频加热电源的应用按负载类型主要分为以下几个方面：（1） 金属冶炼 这是应用最广泛的一方面。我国晶闸管中频加热电源的发展，开始熔炼，可以于熔炼，可以熔炼各种碳素钢、合金钢、以及用于提炼高纯度锌等各种有色金属。熔炼负载是中频电源最恶劣的负载，阻抗变化大，负载不稳定，但中频电源能够非常理想的完成这个任务，最突出的优点是节省电能，另外起动方便，钢水平稳，涡流搅拌小，熔炼质量高。（2） 在透热方面的应用 工件在加热过程中，对金属整体进行加热，工件可以达到内外一个温度范围。还应用于金属的铸造、冲压、挤压、扎制等加工前的加热。（3） 在热处理方面 利用中频电流的集肤效应，来提高钢件的力学性能，使其具有较高的硬度和抗疲劳强度。（4） 在焊接方面的应用 中频电源可以用语焊接速度快，对周围的热影响小，不用酸洗来清除氧化皮等优点。我国晶闸管中频电源的系统型号根据不同的用途以不同的代号表示。中频无铁心感应炉的构造主要由三部分组成：感应圈。通常由水冷却铜管绕制而成。坩埚。通常由石英等耐火材料捣制而成。炉料。可为各种金属的碎块。中频无铁心感应炉的基本工作原理是属于空心变压器的一种类型。感应圈相当于变压器的一次绕组，而坩埚内部的金属材料相当于变压器的二次绕组（即负载）。在一次绕组中通过中频电流时就在磁场作用下产生磁力线切割二次绕组，致使炉料中产生感应电动势，并在垂直于感应圈轴线的表面内产生感应涡流从而使炉料加热熔化。根据变压器感应原理，在二次绕组（即炉料）内的感应电动势有效值可按下式算出： E2=4.44 N2m式中 E2炉料内感应电动势的有效值（V）；次绕组交流电频率N2二次绕组的匝数，这里N=1；交变磁通的最大值。在E的作用下，在炉料所形成的闭合回路中便有涡流通过，此电流可按下式计算：I2= （3-2）式中： I2炉料中感应的涡流（A）；R2炉料所形成的圆环电阻（）；X2炉料所形成的圆环由漏磁产生的电抗（）。从式（3-2）可以得出I2 和E2成正比与炉料中的阻抗成反比，从式（3-1）中可知，E2仅与和有关，无铁心感应电炉由于没有导磁物体存在，磁力线经空气闭合，由于空气磁阻较大，会减小有效磁能量，为了要获得所必须的感应电动势，这就要求增加磁力线的切割速度。这就是要求通过感应线圈的频率。究竟应该选择怎样的频率才教合适呢？下面分析频率与电效率之间的关系。感应电炉的频率概念是：感应电炉所获得的功率P实际上为二部分组成，即感应圈内损耗P1（散发成热量被冷却水或周围介质带走）和转换为炉料的热功率P2，P2/P为电功率，但是P2中有一部分也消耗于周围介质成为热损，而只有P3才能用于金属的加热和熔化，比值P3/ P2称为热效率。总效率为： （3 - 3）上面谈到为使炉子发热效果显著，就要求增加通过感应线圈电流的频率。但如果无限制地增高频率，一则受到装置复杂性的限制，更重要的是由于集肤效应的原因，涡流发热随着电流频率的升高只局限于炉料周围的表面层，而炉料中心的热量是由表面转导而来，所以加热时间拉长，电效率不再上升。电源频率与电频率之间的关系可以这样描述：在感应电炉炉料直径一定，炉料物理性质不变的情况下，电效率将随着频率 增加而显著上升。但频率继续增加时电效率将不再上升而趋于饱和阶段，见图3-3曲线。从图中可以看出，频率在AB区域内的变化剧烈直接影响着电效率，而CD区域则其变化实际上不起作用。因此可以说，对于一定尺寸的感应炉，在炉料和感应器材料的物理性质为同一条件，则必定有一临界频率点存在，在此值以上的电效率与频率不再发生关系，所以应在CD区域选取，这一情况非常有利于感应电炉的设计，根据经济的观点在很多许可频率中选取一合适的频率。这一临界频率（即对感应供电的最佳频率）可按以下步鲰选：当炉料直径d与透入深度的比值d/|10时，即可认为电效率已接近极限值。这里的透入深度是指导体通过交流电流的深度。因集肤效应的影响，电流密度的分布从表面到中心不断减小。当其电流密度减到为表面密度的|/e=|/2.7 | 828的深度时，在这一层中产生的热量差不多为所有热量的90%。为了简化计算，假定近似地认为只有在深度的一层内电流均匀密度通过，而在导体截面其余部分上电流密度为零。透入深度（cm）的计算公式为： 式中导体的电阻率（cm）；导体的磁导率（非磁性材料的=1）；电源的频率。在d/大于等于10的条件下，炉料与感应器间的空气气隙愈小，则效率愈高。根据式（3-4）及d/=10的关系，可以列出下列关系： 此公式表明随着感应炉炉膛和炉料尺寸的增大，电流的临界频率可以相应地降低。这就是大型电炉采用较低频率仍能满意的工作的主要因素。1.2 感应加热电源的发展动态 感应加热电源是感应加热的关键设备之一，感应加热电源的发展与电力电子学及电力半导体器件的发展密切相关。 本世纪初玻璃管汞弧整流器的发明标志着电力电子学的起源，而50年代末半导体硅晶闸管的出现则标志着以固态半导体器件为核心的现代电力电子学的开始。在50年代前，感应加热电源主要有：工频感应熔炼炉、电磁倍频器、中频发电机组和电子管振荡器式高频电源。50年代末硅晶闸管的出现引起了感应加热电源技术以致整个电力电子学的一场革命，感应加热电源及应用得到了飞速发展。至今，在中频（150Hz10kHz）范围内，晶闸管中频感应加热装置已完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器。国外装置的最大容量已达数十兆瓦，国内也已形成200Hz8000Hz、功率为100kW3000kW系列的产品，可以配备5t以下的熔炼炉及更大容量的保温炉，也适用于各种金属透热、表面淬火等热处理工艺，但国产中频电源目前都采用并联谐振型逆变器结构。因此，在研究和开发更大容量的并联逆变中频电源的同时，研制结构简单，易于频繁起动的串联逆变中频电源是国内中频感应加热装置领域有待解决的问题，尤其是在熔炼、铸造应用中，串联逆变电源易实现全工况下恒功率输出（有利于降低电能吨耗）及一机多负载功率分配控制，更值得推广应用。 在超音频（10kHz100kHz）频段内，由于晶闸管本身开关特性等参数的限制，给研制该频段的电源带来了很大的技术难度，它必须通过改变电路拓扑结构才有可能实现，国内在70年代开始研制晶闸管倍频逆变电源，目前产品水平为250320kW/1015kHz，后于80年代末又采用改进型倍频逆变电路研制了50kW/50kHz晶闸管超音频电源，但由于倍频电路的双谐振回路耦合使负载呈非线性，时变加热负载参数与谐振回路参数匹配调试较复杂及后出现的晶体管固态加热电源的频率及功率可完全覆盖而没有得到很好的推广应用。 70年代末和80年代初，现代半导体微集成加工技术与功率半导体技术的结合，为开发新型功率半导体器件提供了条件，相继出现了一大批全控型电力电子半导体器件，极大地推动了电力电子学发展，为固态超音频、高频电源的研制提供了坚实的基础。 第一台晶体管超音频感应加热电源在1985年面世，其容量为25kW/50kHz，由于单管容量小而采用了多管并联技术，功率晶体管开关速度受到存储时间限制（S级）及它存在致命的二次击穿问题，限制了它的推广使用，随后出现的达林顿晶体管功率模块大多为电机调速应用设计，其开关速度更低，一般无法适用于感应加热电源。 功率MOS晶体管与功率双极管相比存在许多优点，由于它为多子工作器件，不存在存储时间，因此它的开关时间远远小于双极晶体管。另外，MOS晶体管不存在二次击穿问题，具有矩形安全区、驱动功率小、易并联等优点，非常适合 于高频大功率感应加热电源应用。采用MOS管可能引起的问题是由于高速开关要求电源工艺布置严格，另外，高压MOS晶体管通态损耗较大。 1983年美国GE公司发明了新的很有前途的功率器件IGBT，它综合了MOS管与双极晶体管的优点，IGBT结构除增加一个n层外，非常象MOS管结构，因此在其通态压降低的同时开关速度加快。自1988年解决了挚住问题后（由寄生NPN晶体管引起），大功率高速IGBT已成为众多加热电源的首选器件，频率高达100kHz，功率高达MW级电源也可实现。如1994年，日本采用IGBT研制出了1200kW、50kHz电流型并联逆变感应加热电源，逆变器工作于零电压 开关状态，并实现了微机控制；西班牙在1993年也已报道了30kW600kW，50100kHz电流型并联逆变感应加热电源，欧、美地区的其他一些国家如英国、法国、瑞士等国的系列化超音频感应加热电源目前最大容量也达数百千瓦。国内在90年代初开始对IGBT超音频电源的研制，目前制造水平为1000kW、50kHz，与国外的水平仍有相当大的距离。 在高频（100kHz以上）频段，目前国外正处在从传统的电子管电源向晶体管化全固态电源的过渡阶段，以模块化、大容量化MOSFET功率器件为主，西班牙采用MOSFET的电流型感应加热电源制造水平达到600kW/400kHz，德国在1989年研制的电流型 MOSFET感应加热电源水平达480kW/50200kHz，比利时Inducto Elphiac公司生产的电流型MOSFET感应加热电源水平可达1000kW/15600kHz。应用于高频电源的另一功率器件为静电感应晶体管（SIT），主要以日本为主，电源水平在80年代末达到了1000kW/200kHz，100kW/400kHz，SIT开关速度比MOSFET慢，同时它存在很大的通态损耗，随着MOSFET、IGBT性能不断改进，SIT将失去它存在的价值。国内目前MOSFET固态高频电源制造水平为400kW、500kHz。但总的来说，与国外的水平有一定的差距。1.3感应加热电源技术的发展趋势感应加热电源技术的发展与功率半导体的发展密切相关，随着功率器件的大容量化、高频化带动感应加热电源的大容量化和高频化。 1) 高频化 目前，感应加热电源在中频频段主要采用晶闸管，超音频频段主要采用IGBT，而高频频段，由于SIT存在高导通损耗等缺陷，主要发展MOSFET电源。感应加热电源谐振逆变器中采用的功率器件利于实现软开关，但是，感应加热电源通常功率较大，对功率器件、无源器件、电缆、布线、接地、屏蔽等均有许多特殊要求，尤其是高频电源。因此，实现感应加热电源高频化仍有许多应用基础技术需进一步探讨，特别是新型高频大功率器件（如MCT、IGCT及SIC功率器件等）的问世将进一步促进高频感应加热电源的发展。 2) 大容量化 从电路的角度来考虑感应加热电源的大容量化，可将大容量化技术分为二大类：一类是器件的串、并联，另一类是多台电源的串、并联。在器件的串、并联方式中，必须认真处理串联器件的均压问题和并联器件的均流问题，由于器件制造工艺和参数的离散性，限制了器件的串、并联数目，且串、并联数越多，装置的可靠性越差。多台电源的串、并联技术是在器件串、并联技术基础上进一步大容量化的有效手段，借助于可靠的电源串、并联技术，在单机容量适当的情况下，可简单地通过串、并联运行方式得到大容量装置，每台单机只是装置的一个单元或一个模块。 感应加热电源逆变器主要有并联逆变器和串联逆变器，串联逆变器输出可等效为一低阻抗的电压源，当二电压源并联时，相互间的幅值、相位和频率不同或波动时将导致很大的环流，以致辞逆变器件的电流产生严重不均，因此串联逆变器存在并机扩容困难；而对并联逆变器，逆变器输入端的直流大电抗器可充当各并联器之间的电流缓冲环节，使得输入端的AC/DC或DC/DC环节有足够的时间来纠正直流电流的偏差，达到多机并联扩容。晶体管化超音频、高频电源多采用并联逆变器结构，并联逆变器易于模块化、大容量化是其中的一个主要原因。 3) 负载匹配 感应加热电源多应用于工业现场，其运行工况比较复杂，它与钢铁、冶金和金属热处理行业具有十分密切的联系，它的负载对象各式各样，而电源逆变器与负载是一有机的整体，负载直接影响到电源的运行效率和可靠性。对焊接、表面热处理等负载，一般采用匹配变压器连接电源和负载感应器，对高频、超音频电源用的匹配变压器要求漏抗很小，如何实现匹配变压器的高能输入效率，从磁性材料选择到绕组结构的设计已成为重要课题。另外，从电路拓扑上负载结构以三个无源元件代替原来的二个无源元件以取消匹配变压器，实现高效、低成本隔离匹配。 4) 智能化控制随着感应热处理生产线自动化控制程度及电源可靠性要求的提高，感应加热电源正向智能化控制方向发展。具有计算机智能接口、远程控制、故障自动诊断等控制性能的感应加热电源正成为下一代发展目标。 5) 高功率因数、低谐波电源 由于感应加热电源用电源一般功率都很大，目前对它的功率因数、谐波污染指标还没有严格要求，但随着对整个电网无功及谐波污染要求的提高，具有高功率因数（采用大功率三相功率因数校正技术）、低谐波污染电源必将成为今后发展趋势。第2章 无铁心感应电炉对晶闸管中频电源的要求2.1 对中频输出功率的要求晶闸管中频电源的输出功率除必须铭足感应炉的最大功率外，还要考虑到输出功率能方便得调节。这是因为感应炉的炉衬的寿命通常为几十炉，而且新的炉衬筑好后，必须对其进行低功率烘烤。一般以10%20%的额定功率开始。再则熔炼过程当炉料熔化后，必须对炉料成分进行化验。这时装置的输出功率能在10%100%范围内方便地调节。2.2 对中频输出频率的要求感应炉的电效率与效率有着密切的关系，从电效率出发可以决定晶闸管中频电源的输出效率，我们称这一频率为D。感应器实际上是一个电感线圈。为了要补偿线圈的无用功率，在线圈的两端并联有电容器。这就组成了图3-4所示的LC并联振荡电路。图中R为线圈的电阻，回路中固有振荡频率D可按下式计算： 0=若R2/（4L）4|/（LC）则上式可简化为： 0=当晶闸管中频电源的输出频率等于D时，OL=1/（OC）回路中的功率因数cos=1。感应炉内将得到最大的功率。从式（3-6）中可知，回路中的振荡频率与L和C的数值有关。电容C的数值一般是不变的，而L则因炉料的磁导率变化而变化。为使感应炉在熔炼过程中始终得到最大功率，要求中频电源输出的频率能随D的变化而变化，保证频率的自动跟踪。2.3 大容量感应炉对中频电源的要求中频电源的输出电压一般不很高而电流很大，这是因为电压太高时，晶闸管串联过多，均压比较困难，工作不可靠。而电流大些可用元件并联和机组并联的方法来解决，这样可用于熔炼时低电压，大电流的熔炼环境，但导线上损耗增大。当感应炉容量增大时，这个问题更为突出。感应炉的线圈也因铜管太粗而无法绕制。因此，大容量的中频装置都是把中频电压升高后供给炉子。2.4 其他要求熔炼过程中一旦中频电源发生故障就将导致整炉材料报废，严重时还可能损坏坩埚。所以要求中频电源工作可靠，并且有必要的自动保护设施。另外中频装置在工作中受电网及负载的影响较大，故要求装置具有负反馈及限流限压环节以保证装置运行的平稳。第三章 主电路的工作原理及参数计算3.1晶闸管中频电源的工作原理三相中频电源的基本原理，就是通过一个三相桥式全控整流电路把工频电流变成直流电，经过直流电抗器滤波最后经过逆变器变成单相中频交流电供给给负载。所以中频电源装置实际上就是交流电直流电交流电负载。其框图如下3.2三相全控整流电路的工作原理 本设计不用整流变压器而直接由380V三相交流接入再整流为直流电源.常用的三相可控整流电路有:1)三相半波2)三相半控桥3)三相全控桥4)双反星形等.根据他们的各自特点和使用场合等因素综合考虑.本设计采用三相全控桥整流电路.三相全控整流电压脉动小,脉动频率高,基波频率为300Hz.所以串入的平波电抗器电感量小动态响应快,系统调整及时.并且全控桥电路可以实现有源逆变，把能量回送到电网或者采用触发脉冲快速后移至逆变区，使电路瞬间进入有源逆变状态进行过电流保护，图所示三相全控整流电路共有六个桥臂，在每一个时刻必须有两个桥臂同时导通才能够工作，输出的电压为为线电压。把三相工频交流电进行了全波整流，可以得到一个脉动的直流电压。这种整流电路由于在每一个瞬间都有两个桥臂工作，而且每个桥臂导通时间间隔为60度电角度。故要求每只晶闸管的触发间隔也应为60度角度，脉冲采用大于60度而小于120度的单宽脉冲。六只晶闸管的导通顺序如图所示。三相桥式全控整流电感性负载输出的直流电压的平均值按下式计算：Ud=2.34u2cos式中U2为电源相电压有效值。从式上式可知：=0度时Ud值最大；=90度时，Ud=0; 当=90度时，输出电压为负值在三相整流电路中，晶闸管长寿的最大电压为三相交流电的峰值，如果考虑23倍的安全系数，则晶闸管的额定电压为： UTN=(1.52) 6 U2=(1.52)6220V=8081100V可选择额定电压为1000V的晶闸管。本设置中频输出功率为100KW，考虑逆变桥路损耗与一定的功率余量，取最大整流输出功率Pdm=UdmIdm=125kW.整流输出最大直流电压为Udm=2.34220V=514.8V所以 Idm=242.8A 在平波电感Ld足够大、电流为矩形波的情况下，晶闸管 IT (AV) KId.通过查表，三相全控桥K=0.367， IT (AV)=0.367242.8A=89.1A 考虑到安全系数和现有元气件电流规格，选 IT (AV)=200A 的元气件，所以整流桥路晶闸管选用KP200-10。3.3单相桥式并联逆变器的工作原理并联逆变器的基本线路如图，Ld是直流电抗器，L为中频感应炉。C为补偿电容（即换流电容），其主要作用是：（1）与感性负载构成并联谐振，为负载提供无功功率，提高了装置的功率因数。（2）C值一般都要求过补偿一些，使等效负载呈现容性，这样ia就会超前ua一定的角度，达到自然换流及可靠关断晶闸管的目的，L和C组成并联谐振电路，逆变器由四个桥臂组成，每个桥臂由晶闸管和限流电感L1L4串联组成，限流电感的作用是限制晶闸管的电流的变化率以保护晶闸管。当逆变桥对晶闸管（VT1、VT4或VT2、VT3） 以接近电路谐振频率交替触发导通时，流进负载线圈的中频电流便产生了中频交流磁场。熔炼炉内的金属（钢、铁、铜、铝等均可）在交流磁场的作用下产生涡流，使金属发热熔化。由图波形可见，流进并联谐振电路的电流ia 为梯形交流波形，可分解成基波分量正弦电流ia1以及其他高次谐波电流，而电路谐振频率恰好是基波分量正弦电流ia1的频率，呈现高阻抗，对其高次谐波均视为短路，所以负载两端电压ua波形是很 好的中频正弦波，并且滞后ia1一定角度 （因等效负载呈容性）。如给换流关断的晶闸管施加一定时间的反向电压，可达到可靠换流关断的目的。图中并联谐振逆变器一周工作过程大致可分为导通阶段与换流阶段：（1）图中VT1、VT4触发导通工作与图波形中 t1t2阶段相对应。图中还绘出了负载电流ia的路径，此时负载两端得到正弦半波电压 ua（极性为左正右负）。（2）图电路对应于图波形t2t4换流阶段。在t=t2时刻，触发VT2与VT3，于是iT2,3从零增大，而iT1,4在反向电压作用下从Id减小，此阶段四个晶闸管同时处在导通换流过程，t=t4时刻，iT1,4已经降到零，此时iT2，3从零增到Id，VT1与VT4已经关断、VT2与VT3已经完全导通，完成换流过程。（3）图电路所对应于图波形中t4t5，为VT2与VT3导通工作阶段，负载得到正弦波电压ua的负半波。（4）图电路对应于图波形中 t5t7换流阶段，其分析方法于图相同，不在详细阐述。 从图 ua波形可知，滞后功率因数角 应满足晶闸管恢复到正向阻断能力所需要的时间。通常 角宜取40度为宜。中频输出功率由上式可见，调节功率主要是改变Ud大小。由于Ud 是三相全控整流电路获得，所以改变移相角 即可输出功率。 要想使并联谐的电路可靠，对触发电路有以下几个要求：（1）具有自动调节频能力。在前述的熔炼和加热过程中，由于负载回路的参数不断变化，为保证中频电源始终运行于最佳状态，要求触发电路的输出脉冲能自动随着负载的变化而变化，即具有频率自跟踪能力。（2）合适的触发脉冲。脉冲的产生必须在中频电压过零前的适当时刻，且这一时刻必须在中频运行过程中始终保持不变。脉冲宽度应为10500s之间。一般设计在100150s，脉冲必须具有一定的幅值以满足管子触发的要求，一般设计在310V，要求脉冲宽度前沿要陡，以保证逆变桥每个桥臂相串联的两只晶闸管能基本同时开通；要求触发电路具有抗干扰能力且线路简单，便于维修。要想实现上述对触发电路的要求，首先要找到一个合适的控制信号。我们首先想到中频电压ua，虽然它能反应负载频率与幅值的变化，但是光有一个ua信号还不行，因为可靠关断晶闸管希望在ua过零之前某时刻送出触发脉冲，因此还需要另外一个比较信号，这个比较信号与ua 信号波形的交点，距ua 过零点的时间正好是要求触发引前时间tf。并联电容中的电流与ua相位差90度，利用-ic在电阻上形成的电压作为比较信号是十分合适的。这是因为1)-ic产生的电压信号在相位上滞后ua中频电压90度，故只要适当调节这个信号的幅值，便可以方便的改变它和ua的交点的位置，即调节了tf的大小。2)-ic产生的电压信号与ua的交点任一位置，即调节电压信号与ua的交点在一半周上只在一个交点，它正好作为换流点信号。3)当ua幅值或频率变化时，ic产生的信号电压变化，维持引前触发时间tf不变，上述个点可由图得到证实。实现上述设想的具体电路如图所示。信号ua和ic分别由图中频电压互感器TR2与图中频电流互感器TA检测到，并分别在RP59、RP11、RP10、R18上按ua-(-ia)的 原则，形成逆变电路同步电压信号us，并由电位器RP9和PR10决定了两个信号的相对强度。改变PR9的大小即改变了合成信号的过零时刻，当电流信号幅值增大时，tf也就增大了。反之，tf减小，RP9和RP10位置调整完成后,tf便保持不变了。合成后的信号us通过R7、R8接入逆变触发电路，当 us信号由正变负时，V4截止，V3导通，经C2、R3微分后得到宽度约100s的正尖脉冲，复合管V1、V2得到触发而导通，这时直流电压从233、201端输入到逆变脉冲变压器一次侧，脉冲变压器的二次侧感应出触发脉冲去触发相应的晶闸管。同理，当us信号由变正的瞬间，233、202两端输出脉冲去触发另一对角线上的一对晶闸管。图中R7、R8为限流电阻，VD3、VD4、VD5组成双向限幅电路，C3为抗干扰电容，VD2的作用同VD3，C1为加速电容，R1为限流电阻，VD1并联于脉冲变压器一次侧以消除振荡，从而保护V1、V2不被关断时产生脉冲电压击穿3.4 逆变电路的参数计算本装置的具体条件Pa=100Kw =1000Hz =500V Id=250A =0.8、电网电压 波动为 5% （1）逆变晶闸管选择额定电压 UTN=1.11Udm/cos=728VUTN=(1.52)728V=15442059V选择1800V的快速晶闸管，或者两个1000V的管子串联，并采用均压措施。（2）额定电流IT (AV)=(1.52) IT/1.57已知在并联逆变桥路中流过晶闸管电流近似为每周期导通180度的矩形波，所以流过管子电流的有效值为IT=0.707IdIT (AV)= (1.52) =(1.52) A=169225A考虑到中频运行时的开关损耗,所以选择晶闸管额定电流IT (AV)=200A选用晶闸管型号规格为3CTK200-10.(3)换流时间和触发引前时间=从晶闸管允许电流上升率 / =20A/us计算,则=us=12.5us对应的=4.5度因为1KHZ中频周期T =1000 us,故可按下式求得= 取k=1.5, =36代入上式= 106=63us触发引前时间=+k=12.5us+1.563us=107us因为本装置稳定=110 us是适当的,故其对应的功率因数角=37.3度负载补偿电容器补偿电容器提供无功功率Q应满足:补偿负载的无功功率Q1=sinL满足换流需要Q2= LQ= Q1+ Q2=P(tanL+)负载感应器的功率因数L都很低,用于熔炼时L=0.060.5,用于透热和淬火时L=0.20.5，本装置取L=0.1, P=100kw, L=0.8则Q=100(9.95+0.75) =1070kvar选用中频电容器型号RYSO0.75-90-1.0,即=0.75 , =90kwm, =1.0kHz，每台电容量约为25Uf.共需要电容器1070/90B12第四章 整流触发电路的工作原理4.1对触发电力的基本要求由前可知，三相桥式全控整流电路有六只晶闸管，因此要求触发电路能够提供六个周期性的触发脉冲信号，这六只触发脉冲的频率应与输入整流电路的三相工频交流电同步，而且六路脉冲的相位关系互差60度电角度。为保证整流电路的可靠启动，要求触发脉冲大于T/6即60度电角度（T为工频周期），这样保证了在任何时刻启动至少有两只晶闸管得到触发脉冲而导通，但触发脉冲的宽度又不宜太宽，一般要求小于T/3即120度电角度，这是因为三相全控整流电路中每只晶闸管在一个周期中导通时间为T/3。在晶闸管导通期间控制极上加有脉冲信号对其正常工作不会产生不良影响，但当晶闸管收反相电压关断后仍有触发脉冲加于控制极时，则管子的漏电流将显著增加，而且这样做非成危险。为使整流输出电压可以任意调节并满足限流、限压和保护的需要，要求触发脉冲的移相范围在150度左右。4.2触发电路的工作框图触发电路框图如图所示1) 同步电压与信号形成电路的作用，使触发电路输出脉冲的基本工作频率和晶闸管的控制极触发相序与主电路保持同步状态。2) 锯齿波形成环节利用“密勒”效应的积分电路，以及采用恒流充电电路给电容充电的工作原理，形成一个底宽为240度300度锯齿波。3) 移相控制与尖脉冲形成环节的作用 把直流控制信号幅度变化与锯齿波比较后转换成尖脉冲相位的变化，线路中采用一只工作状态的晶体管和一组RC电路来达到尖脉冲形成的目的。4) 脉冲整形和宽度调节电路的作用 采用一组单稳态触发电路将尖脉冲的宽度惊醒适当的调节，以适应输出脉冲所必须的宽度的要求。5）功率放大与输出电路的作用 将整形调整好的脉冲加以放大使其具有足够大幅值，以适应被触发元件的参数的要求，输出电路采用脉冲变压器带动负载，一方面使主电路与触发电路加以隔离，另一方面又使波形基本上不失真如实的进行波形传替。4.3触发电路的电气原理图第五章 并联逆变器的启动及参数计算 5. 1 并联逆变器的启动 由上节的内容可知，触发脉冲的信号取自负载，这样就 存在一个启动的问题，因为在系统未投入运行前，负载端是不可能有输出的，这样也就没有了输出的，这样也就没有信号可取，因此必须在逆变器中假如启动电路。启动电路的主要任务是：产生一个触发脉冲以启动逆变器从而保证逆变器由启动转到稳定运行。我们设想预先给一个电容充电，使其存储一定的能量，然后在启动的时候将这一能量突然加到并联负载电路上，负载电路将产生衰减振荡，这时检测电路获得其振荡频率信号。在启动前开关S置于“1”位置，电容C被充电至Uo，启动时开关S拨向开关“2”端，电容便向电感支路放电，这样原来存在于电容C内的能量便逐渐转移到电感L中，一直到电容中的能量放完时C两端的电压便下降到零，电容放电停止，但由于电感中的电路不能突变，它仍然按原来的方向继续流动，而维持这一电流是储藏于电感中的能量，电流的继续流动使电容C被反向充电，极性与原来的相反，随着C上电荷的不断增长，电感中的能量又不断转移到电容中，当电流下降到零时，线圈中的能量转移到电容中。以后电容C又再次向电感放电，这样不断反复便在电容两端形成振荡电压，其电压频率为：电容两端的电压幅值是不断衰减的，这是由于电路中有电阻R存在的缘故。能量在R中被消耗掉。R越大，消耗的能量越大，因此衰减的速度也就越快。要想把以上的工作原理应用到中频电路中去，就需要一套向电容充电的电路及使电容在启动瞬间并向负载的开关。中频装置中具体实现上述设计的电路见图。启动时按下启动按扭SB4，主接触器KM2吸合并自锁，主电路供电，当按下逆变工作按扭SB6时KM3吸合接入电路，改变触发角a的大小，即可适当调整直流电压输出。同时充电电容C被充电到350V，另一整流电路给晶闸管VT提供了正向电压，启动KT1经过延时后闭合，触发信号送入到晶闸管VT的门极，VT被触发导通，电流送入脉冲变压器一次线圈，二次侧耦合出正向触发信号使晶闸管VT11导通，电容存储的能量通过VT11向负载回路放电，RC并联谐振负载得到能量开始衰减振荡，这时候逆变触发电路检测出触发频率并输出脉冲，并联逆变器开始工作，整流电路向逆变器输出能量，启动成功后，图KA1吸合，从而KA2吸合，使触发引前角减小，同时KM3、KA3释放，中频装置进入正常工作状态。第六章 保护系统及保护器件的选择 由于晶闸管中频加热电源装置的工作受供电电网及负载的影响较大，而且晶闸管元件超负载能力又较小，故要使装置可靠工作，必须要有完善的保护措施。6.1限电流限电压电路保护系统的作用是：当本装置的电压和电流小于整定值时，保护电路不工作，当电压或者电流超过整定电流值时保护电路发出信号，把电压和电流限制在整定值，使装置免遭过载运行的危害。电流，电压检测电路分别取出负载的电流和电压信号经过桥式整流电路，并分别从RP5和PP6上得出一个能反映其变化的电压量。经过稳压管VS1和VS2，在经过二极管VD1和VD2送入比较放大器中。当负载的电压和电流超过整定值时，稳压管VS1和VS2被击穿(稳压管是利用其自身的反态变成导通状态。R9两端的电位迅速上升，触发脉冲角增大，输出电压迅速降低。6.2过电压过电流保护 当装置中整流桥输出失控或者逆变桥输出发生短路以及外界的其他因数，会使得装置中的电压和电流在极短的时间内上升到极大值，这时限电压跟电流电路不能有效地控制电压和电流的上升，为此设计了过电压过电流保护电路，具体的电路如图。它通过三个共频电流互感器TA1（ ）取出能够反映三相进线电流大小的电流信号ia、ib、ic经三相桥式整流后在电位器RP7上形成一直流电压，这个电压正比于整流桥输出的直流电流。同时把负载端取出来的电压信号也经过桥式整流在电位器RP8形成一直流电压，这个电压正比于负载的电压。两个电压信号分别经过稳压管V1，V2接入晶闸管VT1和VT2的门极。一旦电压电流超过整定值，温压管V1，V2就会被击穿导通，晶闸管VT1和VT2得到触发信号导通，过电压过电流指示灯亮，同时电流流过脉冲变压器TP一侧，在二次侧有脉冲信号输出，晶闸管VT3被触发导通，六块触发板被封锁，整流装置输出电压为零，从而保护其他设备免遭破坏。6.3快速熔断器，硒堆及阻容吸收保护在三相整流桥臂都接有快速熔断器，它主要用于保护交流进线的相间短路。当然整流桥中某个晶闸管由于某些原因被击穿损坏后，便造成交流进线的相间短路。由于电流上升速度快，限流及过电压保护都无济于事，故必须串入快速熔断器以保护其他可控元件。对交流电源开关时间的浪涌电压，电源侧和负载侧侵入的浪涌电压，快速熔断器熔断时产生的过电压，闪电雷击等引起的过电压，由于其能量大维持时间长，故此装置用压敏电阻进行保护。当浪涌电压出现压敏电阻被击穿，吸收能量，控制过电压的冲击值6.4 保护器件的选择6.4.1 晶闸管两端阻容吸收元件的选择保护电容的选取与阳极电流的大小有关，可由下面的经验公式估算电容量：C=(2.55)10-3200uF=0.5uF耐压量：UC=(1.11.5)UTN=1.11000V=1100V保护电阻的作用主要用来抑制振荡降低晶闸管导通时的损耗，通过查表法可得R=10。 电阻的功率: PR=CU2m10-6=500.5538.9210-6W=7.3W6.4.2 熔断器的选择快速熔断器可根据线路电压选择，工作电流可按被保护晶闸管的额定平均正向电流的1.57倍选用：电压: 380V 电流: 1.57200A=314A 取300A的熔丝型号 RS3-300A/380V6.4.3 进线电感的选择进线电感作用是用来改善装置的换流条件，降低晶闸管换流时的电流上升率，减弱晶闸管工作时对电网的影响。 L0=式中 与晶闸管装置容量相等的整流变压器的短路比，取0.050.1。6.4.4 滤波电抗器的选择滤波电抗器作用有两个: 限制电流脉动；在最小工作电流时,使波形连续。所以电抗器的取值应考虑以上两个作用。1） 按最小负载电流连续的原则 Ld=2） 根据限制电流脉动的原则 Ld= 6.4.5 压敏电阻的选择直流侧采用接法 U1mA=式中 U 压敏电阻两端正常工作时承受的电压有效值（V）。通过查表的方法选择额定电压为1000V，通流容量为5kA型号为MY31-1000/5的压敏电阻。 6.4.6 逆变电路晶闸管的均压均流本设计中逆变桥采用两只1000V晶闸管，串联使用满足高电压大容量的要求，但其正反向漏电流及控制极触发特性不可能完全一样，因此必须采取均压措施。采用的具体方法是对串联的晶闸管各自并联阻值相等的电阻，称均压电阻。(0.10.25) =(0.10.25) =25006250式中 UTN 晶闸管的额定电压； IDRM 断态重复峰值电流。均压电阻的功率为： 式中 作用于管子上的正反向峰值电压； n 串联元件数； 计算系数，三相取0.45。第七章 继电器接触器控制电路继电器控制电路如图所示,具体操作如下:1)按下SB2，KM1通电并自锁，此时控制部分通电，这时可以检查整流和逆变电路是否正常。2)按下SB4，KM2通电并自锁，主回