概述
可控硅中頻電源裝置簡稱可控硅中頻裝置,是利用可控硅的開關(guān)特性把50Hz的工頻電流變換成中頻電流的一種電源裝置(2.0KHz--8.0KHz)主要是在感應(yīng)熔煉,感應(yīng)加熱,感應(yīng)淬火等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。它的優(yōu)點(diǎn)是:
效率高
可控硅電源裝置具有相當(dāng)高的變換效率(90-95%),輸出功率低時(shí),電源轉(zhuǎn)換效率并不降低,特別是在熱處理行業(yè)中,有些被加熱工件需要分段加熱,頻繁開機(jī)和停機(jī),在停機(jī)狀態(tài)下無損耗。因此,在感應(yīng)加熱行業(yè)中采用可控硅中頻裝置可節(jié)約能源。
體積小重量輕
可控硅變頻裝置由半導(dǎo)體元件組成,沒有復(fù)雜的機(jī)械旋轉(zhuǎn)部分無震動,噪音小,安裝時(shí)對地面基礎(chǔ)無特殊要求。
操作方便
可控硅裝置的功率調(diào)節(jié)范圍大。頻率可隨負(fù)載參數(shù)改變而自動變化(既所謂頻率跟蹤)。負(fù)載回路保持在近乎諧振狀態(tài),既在最佳狀態(tài)下工作。再加上它有一系列的自動保護(hù)裝置,使它的工作穩(wěn)定可靠。
啟動靈活
可控硅變頻裝置一般采用零壓軟啟動,啟動成功率高無沖擊,快而平穩(wěn)。
基于以上幾個(gè)方面,并伴隨著新的專有集成電路的開發(fā)成功,其高度的穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)緊湊性,深受大家的歡迎。
感應(yīng)加熱的原理
中頻無鐵芯感應(yīng)電爐的基本原理是屬于空氣芯變壓器的一種類型,感應(yīng)圈相當(dāng)于變壓器的初級繞組,而坩堝內(nèi)部的金屬爐料則相當(dāng)于變壓器的次級繞組(既負(fù)載)當(dāng)在初級繞組中通過中頻電流(2000Hz —8000Hz)就在電磁場的作用和應(yīng)響下,產(chǎn)生磁力線切割次級繞組,致使?fàn)t料產(chǎn)生感應(yīng)電勢,并在垂直于感應(yīng)圈軸線的表面內(nèi)引起感應(yīng)電流(稱渦流),從而使?fàn)t料本身發(fā)熱將金屬熔化。用于鍛造的加熱到鍛造溫度。
根據(jù)變壓器互感應(yīng)的理論,在次級繞組(既爐料)內(nèi)的感應(yīng)電勢的有效值(用E2表示)與頻率及交變磁通的最大值兩個(gè)參數(shù)有關(guān),在這個(gè)感應(yīng)電勢E2的作用下,爐料所形成的閉和回路中,便有渦流通過,渦流的數(shù)值大小,與感應(yīng)電勢E2成正比,與爐料回路的阻抗成反比,當(dāng)爐料的阻抗已確定的情況下,則發(fā)熱與感應(yīng)電勢成比例。無鐵心感應(yīng)電爐由于沒有導(dǎo)磁的物體存在,所以磁力線必須經(jīng)過空氣而閉合,但是空氣的磁阻很大,會減少有效的磁通量,為了要獲得所必須的感應(yīng)電勢,就要求增加磁力線的切割速度,這就要求增加通過感應(yīng)線圈電流的頻率,來達(dá)到發(fā)熱效果顯著的目的。但在實(shí)際情況下爐料中感應(yīng)電流的流動,也會形成磁場,但其方向是與感應(yīng)器的磁場相反,二個(gè)磁場迭加一起的結(jié)果將削弱整個(gè)的作用。隨著不斷被削弱的磁場繼續(xù)向爐料內(nèi)部深入分布并不斷產(chǎn)生電流,而電流的去磁作用又促使?fàn)t料中感應(yīng)的電場強(qiáng)度和電流密度自表面向中心劇烈的減小,電流的頻率愈高,這種現(xiàn)象也愈顯著,這也就是所謂集膚效應(yīng)作用的結(jié)果。
為了提高爐料的發(fā)熱量,如果無**的增高頻率,一則受到電源裝置復(fù)雜性的**,更重要的是由于上述集膚效應(yīng)的原因,渦流發(fā)熱隨著電流頻率的升高,只局現(xiàn)在爐料周圍的表面層,而爐料中心的熱量是由表面?zhèn)鲗?dǎo)進(jìn)來的,所以加熱時(shí)間將拉長了,電效率不再上升。電源的頻率與電效率之間的關(guān)系可以這樣來描述,在感應(yīng)電爐爐料直徑固定,爐料的物理性能不變的情況下,電效率將隨著電流頻率的增加而顯著上升,但當(dāng)頻率繼續(xù)增加時(shí),電效率將不再隨頻率變化而近于飽和階段。因此,我們可以作一斷言,對于一定尺寸的感應(yīng)爐,并在爐料和感應(yīng)器材料的物理性質(zhì)為同一條件下,則必定有一臨界頻率的存在。正是以上原因的存在,電爐生產(chǎn)廠家將根據(jù)爐子的大小來選定頻率的高低?？紤]到爐子的電效率和熱效率,選定合適的頻率。爐子容量較小時(shí)頻率選高些,容量較大時(shí)選低些,一般在2000Hz--8000Hz范圍內(nèi)
無鐵芯感應(yīng)爐對可控硅中頻電源的要求
感應(yīng)爐對可控硅中頻電源的輸出功率要求。
可控硅中頻電源的輸出功率必須滿足感應(yīng)爐的最大功率,還要考慮到輸出功率能很方便的調(diào)節(jié),這是因?yàn)橥ǔ８袘?yīng)爐的坩堝的壽命約熔煉數(shù)十爐后就損壞了,必須重新修筑坩堝爐襯,而新的坩堝爐襯筑好后必須對其進(jìn)行低功率烘爐,通常烘爐是從10-20%的額定功率開始,然后每隔一定時(shí)間升高10%功率,直至額定功率。再則,熔爐過程中,當(dāng)爐料熔化后,必須對爐料的成分進(jìn)行化驗(yàn),而化驗(yàn)期間為不使?fàn)t料熔化后沸騰劇烈,這時(shí)中頻電源必須減小輸出功率,使?fàn)t料保溫。鑒于以上情況,所以要求可控硅中頻電源能從10%-100%額定輸出功率的范圍內(nèi)方便的調(diào)節(jié)。用于鍛造與熱處理的透熱爐不存在烘爐的過程。
感應(yīng)爐對可控硅中頻電源的輸出頻率要求。
感應(yīng)爐的電效率與頻率之間的關(guān)系是相關(guān)連的。從電效率出發(fā)可以決定可控硅中頻電源的輸出頻率。例如我們稱這一頻率為fo 。感應(yīng)器實(shí)際上是一個(gè)電感線圈，而為要補(bǔ)償線圈的無功功率,在線圈的兩端并聯(lián)電容,這就組成了LC 震蕩回路。當(dāng)可控硅逆變器的輸出頻率f等于感應(yīng)爐回路的固有震蕩頻率fo時(shí),則此時(shí)回路的功率因數(shù)等于1 。感應(yīng)爐內(nèi)將得到最大的功率。從以上可以看出,回路的固有震蕩頻率與L和C的數(shù)值有關(guān),一般補(bǔ)償電容C的值是固定不變的,而電感L則因爐料的導(dǎo)磁系數(shù)變化而變化,例如煉剛時(shí),冷爐鋼的導(dǎo)磁系數(shù)μ很大,所以電感L較大,而當(dāng)鋼的溫度高到過居里點(diǎn)時(shí)鋼的導(dǎo)磁系數(shù) μ=1,所以電感L 減小,因而感應(yīng)爐回路的固有震蕩頻率 fo 將有低變高。為了使感應(yīng)爐在熔煉過程中始終都能得到最大的功率,這就要求可控硅中頻電源的輸出頻率f能隨著 fo 的變化而變化，始終保持頻率自動跟蹤。
可控硅中頻電源的工作原理
可控硅中頻電源的基本工作原理,就是通過一個(gè)三相橋式整流電路,把50 Hz的工頻交流電流整流成直流,再經(jīng)過一個(gè)濾波器(直流電抗器)進(jìn)行濾波,最后經(jīng)逆變器將直流變?yōu)閱蜗嘀蓄l交流以供給負(fù)載,所以這種逆變器實(shí)際上是一只交流—直流—交流變換器,其基本線路如圖2 。
三相橋式全控整流電路的原理與工作過程
三相橋式全控整流電路共有六個(gè)橋臂,在每一個(gè)時(shí)刻必須2個(gè)橋臂同時(shí)工作,才能夠成通路,六個(gè)橋臂的工作順序如圖3 ?，F(xiàn)假定在時(shí)刻t1-t2(t1-t2的時(shí)間間隔為60o電角度，既相當(dāng)于一個(gè)周波的1/6)此時(shí)SCR1和SCR6同時(shí)工作(圖3(a)中涂黑的SCR),輸出電壓即為VAB。到時(shí)刻t2-t3可控硅SCR2因受脈沖觸發(fā)而導(dǎo)通,而SCR6則受BC反電壓而關(guān)閉,將電流換給了SCR2,這時(shí)SCR1和SCR2同時(shí)工作,輸出電壓即為VAC,到時(shí)刻t3-t4,SCR3因受脈沖觸發(fā)而導(dǎo)通，SCR1受到VAB的反電壓而關(guān)閉,將電流換給了SCR3,SCR2和SCR3同時(shí)工作,輸出電壓為VBC,據(jù)此到時(shí)刻t4-t5, t5-t6, t6-t1分別為 SCR3和SCR4, SCR4和SCR5, SCR5和SCR6 同時(shí)工作,加到負(fù)載上的輸出電壓分別為 VBA,VCA,VCB,這樣既把一個(gè)三相交流進(jìn)行了全波整流,從上述分析可以看出,在一個(gè)周期中,輸出電壓有六次脈沖。這種整流電路由于在每一瞬間都有兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通,而且每個(gè)橋臂導(dǎo)通時(shí)間間隔為60o,故對觸發(fā)脈沖有一定要求,即脈沖的時(shí)間間隔必須為60o,而且如果采用單脈沖方式,脈沖寬度必須大于60o,如果采用窄脈沖,則必須采用雙脈沖的方法, 既在主脈沖的后面60o的地方再出現(xiàn)一次脈沖。
三相同步及觸發(fā)線路
1,三相同步的選取及整形
根據(jù)三相橋式全控整流過程的有關(guān)要求,首先要保證觸發(fā)電路與三相電源嚴(yán)格同步。既有A相產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖必須接于整流電路1號,4號可控硅(稱為正A負(fù)A ),B相產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖接于3號,6號可控硅(稱為正B負(fù)B),C相產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖接于5號,2號可控硅(稱為正C負(fù)C)。一般通過通過降壓電阻降壓,進(jìn)入由三個(gè)電位器W1,W2,W3和三個(gè)電容器C1,C2,C3組成的三相同步濾波,整形,平衡電路。它的特點(diǎn)是由W,C組成積分電路。電容量一定,改變阻值大小就可改變時(shí)間常數(shù)其作用有:
(1)濾除網(wǎng)電雜亂尖峰波干擾,使同步信號純正,定位準(zhǔn)確,避免整流可控硅誤動作。
(2) 調(diào)整三相不平衡度,調(diào)節(jié)移相范圍可達(dá)12o使整流橋輸出平衡。
2, 整流可控硅的選取。
1,由于三相全控整流橋工作在較低的頻率范圍,所以普遍選用普通整流可控硅,即KP系列可控硅。
2,跟據(jù)三相全控整流電路的理論計(jì)算,流過每一個(gè)可控硅的電流是整流輸出總電流的0.334倍。所以在使用中為了留有足夠的富裕量,一般選用與電源的額定電流值相同大小的可控硅。
3,進(jìn)相電源電壓為三相380V的機(jī)型中,選定耐壓值為1200V—1400V的KP硅。進(jìn)相電壓為三相660V的機(jī)型中,選定耐壓值為2000V—2500V的KP硅.
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