由CF系列晶闸管触发器组成的新型中频感应加热电源

收稿日期:2003-03-26　作者　徐永德　男　49岁　高级工程师
由CF 系列晶闸管触发器组成的
新型中频感应加热电源
徐永德
(山西省电子科学研究所,山西太原030006)
摘　要:介绍了一种用CF 系列晶闸管触发器组成的中频感应加热电源的基本组成电路及工作原理,并分析了几种电路组成方式及其优缺点。

关键词:中频电源;感应加热;逆变电源中图分类号:TN 34 文献标识码:A
引言
传统的中频感应加热电源,由于其电路复杂,又采用分立元件,且晶闸管触发电路工作稳定性差。

所以造成其:①工作稳定性不好,效率低,②因漏,误触发问题,经常出现损坏晶闸管现象,③易出故障,损坏器件,且不易维修等缺点。

因此,我们采用固态器件CF 系列晶闸管触发器,研究设计了一种新型中频感应加热电源,一方面对老产品进行改造,一方面进行预约试制,经实际运行结果表明,该电源运行稳定可靠,没有漏误触发现象,且输出电流电压为正弦波,加热效率高,节省电能。

取得了事半功倍的效果。

1　电源的组成及工作原理
该电源的主回路构成有两种方式,一种为串联式逆变回路方式;另一种为并联式逆变回路方式,如图1所示。

两种组成方式的不同仅在于逆变回路,前者是将图1中的L 3、
L 4、KK 3、KK 4去掉,分别用两个电容器(500V/240Kvar )代替
即可。

串联方式的特点是输出电压低,加热感应线圈短,适用于一些加热处理中小工件的生产过程,并联方式的特点是输出电压高,功率大,适用于冶炼及加热处理大中型工件的生产过程。

图1　中频电源组成电原理图
串联式和并联式两种电路组成形式不同,但工作原理是相同的。

都是将三相交流电经SCR 1～SCR 6组成的全桥全控整流后输出一个DC 0～500V 的可调直流电,输出电压的高低由电位器旋钮W 1来调节决定。

因电网电压的高低波动,或因负载的变化而引起的逆变输出电压、电流的变化,由
互感器L H 4和变压器T 3输出的信号反馈送至CF 97033B 的
V fk 1和V fk 2,进行PI 运算调整,以达到输出电压和电流的稳
定目的。

图1中的逆变桥由晶闸管kk 1～kk 4和L 1～L 4组成,(串联式的逆变桥由kk 1～kk 2、L 1～L 2、C 1～C 2组成),感应加热
山西电子技术
2003年第3期
应用实践
线圈LL与补偿电容CC并联,其谐振频率决定晶闸管kk1～kk4的触发导通频率,使直流电交替通过两组桥臂对感应加热线圈(负载)供电,由此产生中频交变磁通穿过炉体产生热能。

首先当有触发脉冲使得晶闸管kk1和kk4导通后,电流通过L1、kk1、LL与CC、kk4、L4形成回路给负载供电,并给电容CC充电,电容CC两端电压为上正下负,当V cc上升至电源电压时,流过回路的电流为零,kk1和kk4自行关断,LL和CC构成自身回路进行放电,即对CC进行反向充电,此时,电容CC两端的电压为下正上负,使得B点电位高于A点,促使kk1进一步关断,当CC和LL回路反向放电电流为零时,晶闸管kk4自行关断,L4的反电势促使kk4进一步关断。

此时B点电压低于E点,E点电压低于F点,进而触发晶闸管kk2和kk3导通,电流通过L3、kk3、LL和CC、kk2、L2形成回路,给负载反向供电,并给电容CC充电,电容CC两端的电压仍为下正上负,当V cc上升至电源电压时,流过kk3的电流为零,kk3自行关断,LL和CC又构成自身回路进行放电,即对CC进行再反向放电,此时电容CC两端的电压再次变为上正下负,使得E点电位高于D点,促使kk3进一步关断。

当CC和LL回路再次反向放电电流过零时,晶闸管kk2自行关断,L2的反电势促使kk2进一步关断。

此时E点电压低于B点,B点电压低于C点,进而触发晶闸管kk1和kk4导通,完成一个逆变周期,如此周而复始循环进行,对负载LL进行供电。

2　整流与逆变触发器的工作过程
2.1　整流触发器CF97033B
晶闸管触发器CF97033B是一种可用于交流调压,整流调压和有源逆变调压的通用器件。

它自身内部具有PI调节功能电路,所以将输出反馈信号送至V fk端后,系统则自动实现了闭环控制。

触发器内部的PI功能,使系统自动达到输出稳压和稳流的目的。

这里,我们是将其用作三相整流调压方式。

CF97033B的触发脉冲的产生是与三相交流电工频频率同步的,同步信号取自同步变压器T1的a、b、c、N。

每个工作的工频周期输出6个主触发脉冲和6个补触发脉冲,主补脉冲在相位上相差60°。

移相角的大小,即输出直流电压的高低由外输入电压的高低(手动调节旋钮W1的分压值)来决定。

CF97033B的移相范围为0～180°,对应输出直流电压的调节范围为0～510V。

当控制电压W1的值设定后,由反馈信号V fk的大小来调节晶闸管SCR1～SCR6导通角的大小,即调节输出直流电压的高低,以达到稳压和稳流的目的。

2.2　逆度触发器NCF03066B
NCF03066B和NCF03077B分别是单相全控(并联方式)和单相半控(串联方式)两种晶闸管逆变触发器。

其自身内部具有逆变失败和垂直桥臂两晶闸管(kk1、kk2或kk3、kk4)直通两种故障的双重保护功能。

两种逆变器触发脉冲的产生和加热线圈LL与补偿电容CC的谐振频率同步,并且只有当kk1和kk4(或kk2的kk3)关断足够长时间才产生触发kk2和kk3(或kk1和kk4)的脉冲,这样就臂免了因误触发而造成的逆变失败和桥臂垂直直通现象的出现。

逆变触发的同步信号取自B、E两点,只有当V B变正, V E变负,且V C>V B时才触发kk1、kk4导通。

反之,只有当V E变E,V B变负,且V F>V E才触发kk2、kk3导通。

当两桥臂有垂直直通发生时,NCF03066B(VCF03077B0)输出一+ 5V高电平去封锁CF97033B的触发脉冲的产生,以切断整流供电回路。

3　电源的启停运行及保护措施
3.1　电源的启动
由图1可以看出,当合上三相刀闸后,电源保护板D Y-BH和整流触发器CF97033B就开始工作了,当按下启动按钮QD1后(若故障报警灯亮时,先按复位按钮FW,否则电源自锁,启动不了),三相交流接触器KM闭合,整流部分开始工作,输出有直流电,再按启动按钮QD2后,逆变部分开始工作,电源投入正常运行。

3.2　电源的停止
当需停机时,按下停止按钮TZ后,KM释放断开,停止整流部分工作,逆变部分还继续工作,直至将存储在各个电感线圈中的磁能通过续流二极管D1释放尽后,则自动停止工作。

3.3　过流、过压、缺相等保护措施
电源/保护板D Y-BH除了为整流和逆变触发器提供电源外,还具有自动检测、判断、保存、显示过电流、过电压、缺相、低频等故障,并输出有声、光报警、切断主回路供电等功能。

D Y-BH的6～11引线端与电流互感器HL1～HL3连接,检测交流侧是否有过电流现象,13～15引线端直接与三相引入线连接,用以检测交流侧是否有过电压、缺相、工频频率是否低于某设定值,12端引脚可用于直流侧是否有过电流现象,本电路中没有使用,若需要时可以通过互感器等连接使用。

若有以上故障现象时,D Y-BH通过外接嗽叭B1,报警灯L输出报警信号,并切断主回路KM,起到保护作用。

3.4　其它保护措施
大多数中频电源中晶闸管的散热是通过循环冷却水实现的,所以往往还设置水路供水量检测及保护电路功能。

这里我们向读者推荐一种检测晶闸管温度高低的保护方法。

即通过用晶体温度传感器(也可用整流二极管代替)检测晶闸管的温度高低来判断其工作是否正常,若温度超过设定值时,则说明有故障存在或有故障隐患。

这种方法的缺点是环境温度在冬夏两季时,变化太大,超温设定值需要调整。

4　结束语
本文给出的该新型中频电源结构简单,使用操作、维护方便,经现场运行结果表明:电炉工作稳定可靠,功耗低,效率高,比改造前能提高10～20%,故障率减少很(下转24页)
根据开关电源产生共模干扰、差模干扰的特点,可以粗略按标准的三个频段划分:0.15～0.5MHz 差模干扰为主;
0.5～5MHz 差、共模干扰共存;5～30MHz 共模干扰为主。

如果0.15～0.5MHz 频段不达标,可以加强差模的抑制。

方法是增加Cx 的容量,见图1(b )。

必要时要增加差模扼流圈
L 。

如果5～30MHz 频段不达标,可以加强共模的抑制。

方
法是适当增加C y 的容量,见图1(a )。

必要时可增加级数。

同时要特别关注接地的方法是否合理,即安全地(电源线进线的地端)、机壳地和电路的参考地是否接在一个点上或相互的距离最近。

它对5～30MHz 频段的达标影响最大。

以上这些措施均告失效时,意味着存在深层次的问题。

如电路设计或关键器件选择是否恰当等。

如果30MHz ～1GHz 频段辐射不达标,就要用近场磁场和电场探头去探测辐射场的分布,对辐射最强的元器件要以
抑制。

抑制措施一般采用屏蔽(如屏蔽罩,法拉第屏蔽)或吸收材料。

若没条件在标准屏蔽室内进行探测,则近场探头只能做相对比较,即比较采用屏蔽措施前后的辐射量,评估抑制措施的有效性。

但最终是否达标,还得在标准屏蔽室内验证。

因为近场探头是经过标定的,所以,有经验的工程师也能通过探头测得辐射量(用频谱测量)就可以判断改进是否成功。

2.3　共模干扰的无源抑制技术
开关电源共模干扰的产生是开关管在开关关断状态时,开关管对地分布电容等构成的对地共模干扰。

可以采用一种噪声源平行新技术来抑制共模干扰源。

基本做法是从开关变压器中取出一个与上述共模干扰电压相位相反的补偿电压,用以抵消共模干扰电压。

例如,在主电路电感绕阻上附加一个反相绕组。

该附加绕组与主电路电感绕组为1:1,并且分布电容尽量相等,以抑制抵消共模干扰电压。

该方法在实际应用中,效果很明显。

3　结束语
由于电磁干扰而产了对设备电磁兼容的要求。

这对任何产品的设计都是不可忽视的问题,本文对电磁干扰生成的机理作了一些简单的分析,并提出了改进的措施仅供电子产品的设计者参考。

参　考　文　献
[1]　区健昌.EMI 滤波器和开关电源防护设计[J ].安全与
电磁兼容,2002.32(3).
[2]　杨继萍.共模干扰和差模干扰[J ].安全与电磁兼容,
2002.48(2).
Mchanism of Electromagnetic Interference and Elimination
Li Chunmei
(S hanxi Elect ronic Products Checking Institute ,Taiyuan S hanxi 030024,China )
　Abstract :This paper introduces the generaing mechanism of electromagnetic interference ,how to diagnose the common 2mode inter 2
ference and difference 2mode interference from interference source and frequency ,and take effective measures to control the interfer 2ence.
　K ey w ords :electromagnetic interference ;common 2mode interference ;difference 2mode interference
(上接22页)明显。

参　考　文　献[1]　徐永德.CF 系列晶闸管使用手册,1997.
[2]　夏思淝等,新型晶闸管中频感应加热电源电力电子技
术,2002.4.
A N e w Intermediate 2Frequency Induction H eating Supply
Consisted of CF 2Series Thyristor T rigger
Xu Y ongde
(S hanxi Province Elect ronic Indust rial Scientif ic Research Institute ,Taiyuan S hanxi 030006,China )
　Abstract :This paper introduces the basic circuit and working principle of a intermediate 2frequancy induction heating supply consist 2ed of CF 2series thyristor trigger.It also analyzes several kinds of formatingways of the circwit and its merits and demerits.　K ey w ords :intermediate 2frequency supply ;induction hesting ;contravariant supply。