中频电源控制线路原理分析

KGPS-1中频电源控制线路原理分析

田志明王斌

摘要：本文较全面的对西安科技人员设计，行业流行最广的中频电源KGPS-1恒功率控制线路原理进行了分析。

关键词：中频电源感应加热中频炉控制板KGPS-1

1 前言

KGPS-1恒功率晶闸管中频电源控制线路板是华明公司的系列产品之一，行业内也称为恒功率中频电源控制板，该控制线路最早由西安科技人员设计于上世纪90年代后期，至现在有十几年的历史，是一个划时代的产品，它在我国和出口中频产品中装机率最高，至今仍在大量装机。它对我国中频电源技术应用和感应加热领域的产品普及和推广功不可没！此后的许多中频电源控制线路基本都是以它的设计思想为基础改进和重新设计。

KGPS-1恒功率中频电源控制线路（见所附线路图）主要由电源、调节器、移相控制电路、保护电路、启动演算电路、逆变频率跟踪、逆变脉冲形成、脉冲放大及脉冲变压器组成。电路除调节器外，其余均实现数字化，整流触发器部分不需要任何调整，具有可靠性高、脉冲对称度高、抗干扰能力强、反应速度快等特点，又由于有相序自适应电路，无需同步变压器，所以，现场调试中免去了调相序、对同步的工作，而且整机调试非常方便，对调试人员技术要求较低。

2 整流触发工作原理

这部分电路由三相同步信号、压-频（V/F）转换、脉冲产生计数、脉冲选择和整形和末级驱动等电路组成。触发部分采用的是数字触发电路。

2.1 整流触发原理框图

图1 整流触发原理框图

图2 整流触发电路

整流触发电路的控制来自整流输出调节电压Vk，Vk的大小经压-频（V/F）

电路转换形成不同频率的数字信号，数字信号经过计数器根据设定值（256）计满溢出后向脉冲通道选择电路发出脉冲，脉冲通道选择电路再将脉冲分为两路输出，两路脉冲的相位差为180°。分相后的两路脉冲经整形放大后，可以通过脉冲变压器去触发三相全控整流桥路中对应的晶闸管。与其它形式的移相触发电路一样，数字触发电路也有一个移相参考点，这个点取自三相电压过零处。电路中由同步信号电路检测三相过零点，对应不同的过零点向三个脉冲形成环节发出计数器复位信号，作为脉冲计数的起点，从而可以输出六个相位差为60°的脉冲触发信号。

电路中IC3、IC8、IC12（4、5、3、6）为计数器，构成了三路数字延时器，延时时间确定了α角的大小。三相同步信号对计数器进行复位后，对电压一频率变换器的输出脉冲每计数256个脉冲便输出一个延时脉冲。

2.2 三相同步信号电路

三相同步信号电路采用了三相同步自适应数字控制移相技术。三相同步信号直接由晶闸管的门极引线K4、K6、K2，从主回路的三相进线上取得，由R23、C1、R63、C40、R102、C63进行滤波及移相，再经6只光电耦合器进行电位隔离，获得6个相位互差60度、占空比小于50%的矩形波同步信号（如IC2C、IC2D）的输出。

图3 三相同步电路

同步信号产生电路如图3所示，该电路由同步过零检测和逻辑输出电路两

部分组成。其中同步过零检测电路，以隔离光耦GD1～GD6为核心配合相同限流电阻和平衡电容组成；逻辑输出电路主要包括或非门IC2B～IC2D、

IC7B～IC7D、IC11B～IC11D。

同步信号产生电路的工作原理为：当两相输入电压相等时，有两个光耦的发光二极管同时截止，检测出过零信号。在过零信号的作用期间，对应两只光耦的输出三极管截止，并从集电极输出高电平。高电平信号被送入逻辑输出电路，分别经过输入端并联的“或非门”IC2C、IC2D、IC7C、IC7D、IC11C、IC11D输出低电平信号，每两路低电平信号同时加在下一级“或非门”的输入端，迫使其输出为高电平。由于过零点只能够持续短暂的时间，因此本级输出实际为正向脉冲，利用这一正向脉冲可以作为脉冲发生计数器的复位信号，即脉冲计数的起点。另外，当两相输入电压之间存在电压差时，两相间反向并接的光耦发光二极管中有一只导通，对应光耦的输出三极管输出低电平。此低电平经过下一级输入端并联的“或非门”IC2B、IC7B、IC11B，以高电平的形式输出，作为通道允许开放信号，用于脉冲通道选择控制。

具体的时序图见下图。

a、b、c三路信号来自A、B、C三相，去缺相检测电路。

图4 同步自适应数字控制移相及驱动电路关键点波形图

2.3 压-频（V/F）转换电路

在中频感应加热电源装置中，整流输出电压的大小是通过调节装置面板上的调功（给定）电位器完成的，调功电位器中心活动端的电压分压值的变化对应整流桥路中晶闸管的不同导通相位角的改变。在数字式整流触发电路中，改变导通相角的方法是改变进入脉冲计数器的信号频率。因此，在输入调节电压和脉冲计数器之间必须进行信号形式转换，这一转换过程由V/F压-频转换电路完成。

压-频转换电路有多种形式，在电路附图中使用的是一种以1/2 NE556时基电路、PNP三极管及附属元件共同组成的压控振荡器电路。其电路原理如图6-12所示。IC16A及其周围电路构成电压-频率变换器VFC，其输出信号的频率随调节器的输出电压Vk而线性变化。这里W4微调电位器是最低输出频率调节（相当于模拟电路锯齿波幅值调节）。

图5 V/F压频转换电路

图5所示的电路可以分为两个组成部分，其中1/2 NE556时基电路相当于一个比较触发器，其它元件可以等效为一个RC充放电电路，其中决定时间常数的电容是C48，而决定时间常数的等效电阻R则是由R79的阻值、RW4的阻值与Q8的等效阻值串联形成的，调节RW4的阻值即可改变其自身电阻的变化，也将影响到V8的基极电流而改变Q8的导通情况，从而改变了等效电阻R的阻值。图5中比较触发器的参考电压来自电流调节器的输出，该参考电压与调功电位器的输出分压值呈正比例变化，从1/2 NE556控制电压CV端引

入。而比较电压则是C48上的充电电压，分别直接加在THR门限端和通过发光二极管与R77并联电路加至TR触发端。根据NE556的内部电路结构和工作原理可知，每当C48上的充电电压上升，导致THR端电压高于CV端电压及TR端电压大于1/2CV端电压时，QUT输出端电位变低，同时DIS放电端导通。由于DIS端的导通会使得C48通过电阻R77放电，而当C48上的电压降至1/2CV端电压以下时，QUT端电位变高，DIS端截止，电路又恢复到充电时的状态。上述过程重复进行，即可在QUT端获得连续脉冲信号。另外，通过对电路的分析还可以看出，一旦RW4调节固定，等效RC电路的时间常数就一定，连续脉冲的频率范围也被限定。此时，通过CV端的电压调节就可以得到在限定范围内不同频率的脉冲输出。实现了压-频转换。

2.4 触发脉冲产生计数电路

数字电路触发相对于模拟电路，具有可靠性好，精度高，调试容易等特点。数字触发器是用数字电路计数（时钟脉冲）的办法来实现移相，时钟脉冲振荡器由上面提到的压-频（V/F）转换电路得到，压-频转换器输出脉冲频率受α移相控制电压Vk的控制，Vk降低，则振荡频率升高，而计数器的计数量是固定的（256），计数器脉冲频率高，意味着计一定脉冲数（256）所需时间短，也即延时时间短，α角小；反之α角大。计数器开始计数时同样受同步信号控制，在α=0°时开始计数，现假设在某Vk电压值时，根据压控振荡器的控制电压与频率间的关系整定输出振荡频率为25kHz，则在计数到256个脉冲所需的时间为（1/25000）×256=10.2(ms)，相当于约180°电角度（50Hz 一个周期是20ms），该触发器的计数清零脉冲在同步电压（线电压）30°处，这相当三相全控桥式整流电路的β=30°位置，从清零脉冲起，延时10.2mS产生的输出触发脉冲，也即接近于三相桥式整流电路某一相晶闸管α=150°位置，如果需要得到准确的α=150°触发脉冲，可以略微调节一下电位器W4。有三套相同的触发电路，而压控振荡器和VK控制电压为公用，各计数器的复位开始时间受各相电压同步信号控制，这样在一个周期中产生6个相位差60°的触发脉冲。

数字触发器的优点是工作稳定，特别是用HTL或CMOS数字集成电路，具有很强的抗干扰能力。