晶体生长炉控制柜和中频加热电源的开发

1、晶体生长炉控制柜和中频加热电源的开发             晶体生长炉控制柜和中频加热电源的开发四川东风电机厂有限公司彭加荣 冯安 李晓波    摘  要介绍JTL400A型晶体生长炉电气控制柜、KGPF250.32.5型中频加热电源的开发设计及应用，特别是PLC控制的PWM直流伺服系统及专用移相触发芯片TC787在设计开发中的应用。    关键词 控制；中频电源；逆变1前言  JTL400A型

2、晶体生长炉电气控制柜和KGPF250.32.5型中频加热电源是为JTL400A型晶体生长炉配套使用的电气控制柜和电源柜。通过其对JTL400A型晶体生长炉内的晶体原料的加热温度进行精确控制，并选择合适的提拉速度和旋转速度，再辅以特殊的生产工艺方法，使晶体的结晶在液面连续进行，这样，晶体就能够连续生长，直至达到要求的长度。该产品主要适用于生产激光晶体和光学晶体。2JTL400A型晶体生长炉电气控制柜    主要由晶体提拉控制系统、晶体旋转控制系统、晶体生长温度控制系统和真空泵操作控制系统等几部分组成。2.1主要性能指标  晶体提拉速度/mm·h0

3、.310  晶体旋转速度/r·min  晶体提拉行程/mm300  控制精度优于1  控制温度范围/252500  (PID调节范围11000)  控制温度分辨率/±0.52.2控制原理  晶体提拉和旋转控制系统由PLC、PWM直流伺服放大器、直流伺服电动机和旋转编码器组成，其中旋转编码器为反馈系统。其控制原理是：由PLC的液晶显示设定单元设定提拉速度或旋转速度、旋转编码器检测的转速反馈，形成闭环控制系统，经PLC进行PID运算处理后控制PWM直流伺服放大器，再去驱动直流伺服电动机，使直流伺服电动机能够稳

4、定地工作在所给定的提拉速度和旋转速度上。由于采用了PLC数字控制技术和PWM伺服控制技术，该控制系统具有高自动化、高可靠性、高精度、宽范围速度控制调节等功能。见图1。  温度控制系统由2604型智能温度控制仪和KGPF250.32.5型中频加热电源组成。2604型智能温度控制仪是英国欧陆集团(EUROTHERM)生产的一种高精度、高稳定性的温度/过程控制仪。它具有多种信号(如热电偶)自由输入，量程自由设定；软件调零调满度，冷端单独测温，放大器自稳零，显示精度高；时间过程加PID控制方式，控制速度平稳，先进的无超调自整定方式；多种信号输出(如模拟量、开关量)等功能。2.3PLC在控制系

5、统中的作用  PLC以结构紧凑、可靠性高、组态灵活、自诊断性能先进、编程功能强、调试维护方便等优点，在现代工业自动化领域中发挥着越来越重要的作用。    PLC在系统中承担PID运算和控制，由显示设定单元给出的给定信号和旋转编码器发出的反馈信号送入PLC，经PLC进行精确的PID运算，发出控制信号去控制PWM伺服放大器，该信号经PWM伺服放大器放大后，再去驱动直流伺服电动机。  由此可见，PLC在该控制系统中起着控制核心的作用。3KGPF250.32.5型中频加热电源    它属于KGPF(S)系列中频加热电源中的

6、一种，是一种静止变频装置，利用可控硅将三相工频交流电变成单相中频交流电来满足中频加热的需要(图2为其系统框图)，对各种负载适应性强，被广泛应用于晶体生长、煅造、冶炼、精密铸造、热处理、焊接、弯管等领域。3.1主电路工作原理  中频加热电源主电路(图3)的工作原理是将三相50Hz交流电经过三相全控整流桥V1V6整流成电压可调的脉动直流，再通过平波电抗器G将脉动的直流电滤波变成光滑平稳的直流电送到单相逆变桥V7V10，最后通过逆变桥将直流电变成单相中频交流电供给负载。负载部分是由感应加热线圈L及补偿中频电容器C组成的并联振荡电路。该电路对负载适应性强、运行稳定可靠。  电源的输

7、出频率是由LC并联振荡电路的谐振频率决定的。由于逆变桥的触发脉冲同步信号取自负载回路，所以在负载回路参数发生变化时，逆变桥输出频率也能相应变化，起到自动调频作用。  该装置通过调节整流桥的触发角来改变整流桥的输出电压，达到调节电源的输出功率的目的。3.2控制电路  由整流移相触发控制电路、逆变触发控制电路、电源和保护电路等几部分组成。这里只对整流移相触发控制电路和逆变触发控制电路进行介绍。3.2.1整流移相触发控制电路  它由给定、电压反馈、电流反馈、综合放大、同步、移相触发、电压及电流限制和保护等几个单元电路组成。给定可以是手动电位器给定，也可以是由2604型智

8、能温度控制仪自动给定。给定信号和反馈信号在综合放大单元经PI运算后，形成控制电压Uk。该控制电压在移相触发单元形成触发脉冲，再去控制可控硅的开通时刻，使整流桥输出可变直流电压。    整流移相触发控制电路中的移相触发电路采用了TC787高性能可控硅三相移相触发集成电路。TC787是采用独有的先进IC工艺技术设计的单片集成电路，可单电源工作，亦可双电源工作，主要适用于三相可控硅移相触发和三相功率可控硅脉宽调制电路，以构成多种调速或变流装置。它具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点，而且装调方便、使用可靠。因此，TC787可广泛应用

9、于三相半控、三相全控、三相过零等电力电子、机电一体化产品的移相触发系统，为提高整机寿命、缩小体积、降低成本提供了一种更加有效的新途径。在TC787的内部(图4)集成有3个过零和极性检测单元、3个锯齿波形成单元、3个比较器、1个脉冲发生器、1个抗扰锁定电路、1个脉冲形成电路、1个脉冲分配器及驱动电路。其工作原理可简述为：经滤波后的三相同步电压通过过零和极性检测单元检测出零点和极性后，作为内部3个恒流源的控制信号；3个恒流源输出的恒值电流给3个等值电容Ca、Cb、Cc恒流充电，形成良好的等斜率锯齿波，锯齿波形成单元输出的锯齿波与控制电压Uk比较后取得相交点，该相交点经集成电路内部的抗干扰锁定电路锁

10、定，保证相交唯一稳定，使相交点以后的锯齿波或移相电压的波动不影响输出；该相交信号与脉冲发生器输出的脉冲信号经脉冲形成电路处理后变为与三相同步信号相位相对应且与移相电压相适应的脉冲信号送到脉冲分配器及驱动电路；假设系统未发生过电流、过电压或其他非正常情况，则加在引脚5禁止端的信号为低电平时，脉冲封锁功能无效，此时脉冲分配电路根据用户在引脚6设定的状态完成双脉冲(引脚6为高电平)或单脉冲(引脚6为低电平)的分配功能，并经输出驱动电路功率放大后输出。3.2.2逆变触发控制电路  逆变脉冲形成电路的同步信号取自中频电源负载的电压信号和电流信号的合成，从而保证了逆变桥输出频率的稳定，同时也起到

11、自动调频的作用。设备在起动方式上采用电流调节跟踪式零压起动方式，简化了起动电路，运行操作简单方便。逆变触发整形电路采用集成电路555，具有高输入阻抗和比较强的输出电流能力，可驱动功放管进行触发脉冲放大，功放电路部分采用强触发电路。  由于在开发设计中大量地采用集成电路(如TC787、555等)，以及在起动方式上采用零压起动，使得控制电路更加简单，操作方便，设备体积减小，成本降低，并提高了设备整机寿命。4结束语  JTL400A型晶体生长炉电气控制柜运用了PLC、PWM直流伺服系统、2604型智能温度控制仪，KGPF250.32.5型中频加热电源运用了TC787等集成电路及零压启动方式，使得整个系统具有自动化程度高、可靠性高、控制精度高、宽范围的速度控制及温度控制调节等功能。  JTL4