全固态中频感应加热电源(一)

 全固态中频感应加热电源采用现代电力电子器件IGBT模块作为逆变器的关键器件，由单片机系统为核心构成整流、逆变的智能化控制系统，具有效率高、电路简单可靠、调试操作方便等优点，不仅可以为生产企业改进生产工艺，提高了产品质量，而且具有显著的节能效果。
 一、控制技术特点
 1.1整流侧控制电路采用以MCS-51系列的89C51单片机为控制核心，构成全数字触发器，充分利用单片机的智能化功能，构成功能齐全的保护措施，并且由于89C51单片机控制程序内置，抗干扰能力大大提高。
 1.2全数字触发器确保脉冲等间距触发，最大限度地降低了非特征谐波，减少了电网污染。
 1.3采用直流电压调节为外环，电流调节为内环的双闭环PI调节器，克服传统比例控制方式输出功率受电网波动及负载变化影响，保证恒功率输出，这对提高加热效果，保证加热一致性具有重要意义。另外从自动控制理论角度来说，采用什么物理量作为反馈就能自动稳定该物理量，因此双闭环PI调节器对实现稳压、稳流功能是唯一真正准确有效的方法，其他诸如比例调节器加限压、限流措施都是不能比拟的。
 1.4由于晶闸管属于相控技术，电网电压相序与触发脉冲之间的同步问题是至关重要的。采用单片机技术成功地解决了自动认相功能，即对三相电源输入线不需要任何调整，控制电路会自动任相，完成整流触发功能。
 1.5传统的槽路电压、电流取交角电路都是采用两个电位器分别调节槽路电压和槽路电流变换幅角大小，从而控制逆变出发脉冲引角大小。这种电路在更换负载时需要两个电位器配合调节，以控制逆变出发脉冲引前角，此调节方式需要经验调节十分繁琐。通过对该电路的深入分析和技术改进，在负载更换后，不需要调节引前角，极大地适应了现场工作。
 1.6采用大板结构，将控制电源和控制电路集中在一块板上，大大简化外部联线，减少故障点，更加便于维护。并且整流侧与逆变侧不共地，大大提高了抗干扰能力。
 1.7所有故障保护措施均有微机检测强制拉逆变控制和调节器封环拉逆变控制两种方式。确保所有故障现象均能得到有效快速处理，不会由于其中一种保护措施失效而导致设备损坏。
 1.8单片机系统完成的自检功能可以检测电路的异常现象并通过数码管显示，防止控制电路带病工作，导致保护电路动作不准确。单片机系统同时能完成低水压保护、他激/自激切换、自动/手动切换、加热启/停检测、主回路上电检测、快熔熔断检测、故障复位状态检测、过流保护、过压保护等功能。
 1.9控制电路具有软启动、软停止功能。防止在启动/停止过程中电流电压上升率太大，引起过压和过流。
 1.10电压、电流调节器输出的控制信号经A/D转换器后，由中断信号完成读取启动转换过程，因此最大调节延时时间为A/D转换器的转换时间（约80uS），这种快速响应的能力与模拟调节的快速性非常接近。
 1.11他激/自激切换由电子开关完成，即减小传统由外部开关控制导致 弱电信号外引导致的干扰，可以保证输出频率稳定和过压保护可靠动作。
 1.12逆变控制电路采用以MCS-51系列的89C51单片机为控制核心，完成他激/自激转换，他激频率调节，自激频率跟踪，频率显示等逆变控制功能，频率显示精度为正负50Hz，大大方便了调试和维修。
 二、电气原理
 设备主电路结构(如图1)所示,整流器采用三相桥试晶闸管全控制整流电路,呢变器采用单相IGBT桥式逆变电路,负载器为并联谐振结构,直流侧采用平波电抗作为滤波器以满足并联逆变妻(电流型逆变器)的工作要求。由于电流型逆变器过压保护问题具有非常重要的地位。
 
                图1：GZP系统全固态感应加热电源主电路结构框图
     三、单相并联桥式逆变电路
 逆变器采用并联谐振负载结构，其基本电路（示意）如图2所示，图中IG1~IG4组成单相全桥逆变电路，由于IGBT无反向阻断能力，所以每桥臂串联快恢复二极管（VD1~VD4）承受反向电压，L、r为感应器及负载的等效电感和电阻，C为补偿电容，由L、C、r组成并联谐振电路。
 IGBT为全控器件，可以通过控制开通/关断IGBT门极实现桥臂换流，因此逆变器既可在谐振容性状态下工作，又可在谐振感性状态下工作。
 当逆变器工作在容性状态下，换向关断桥臂的串联二极管反向恢复电流加到换向导通桥臂的IGBT，即IGBT导通时存在换向尖峰电流，为减小此尖峰电流，VD1~4需选用快恢复二极管。当逆变器工作于感性状态时，换向关断桥臂的IGBT要承受尖峰电压，此尖峰电压的大小与逆变回路分布电感值及工作电流大小有关，分布电感和工作电流值越大，尖峰电压值也越大，反之就小，而此状态下对二极管的反向恢复特性无要求。
 由于逆变回路分布电感必然存在，尤其是大功率电源，工作电流也比较大，因此希望逆变器工作于容性近谐振状态，此时不仅功率器件具有良好的工作状态，同时负载也具          图2：单相并联桥式逆变器原理图
有最佳的功率因数。
 感应加热电源的负载参数（L、r）随着工件的大小，生产率的多少和工件的温度变化而变化，因此负载谐振频率也是随之变化的，为了使逆变器始终保持在最佳工作状态，逆变器的触发方式必须能实现负载频率的自动跟踪。设备采用槽路频率跟踪的自激方式，实现对负载频率变化自激跟踪。
 逆变控制主要功能为实现负载频率自动跟踪，逆变器启动，为逆变器功率器件提供可靠的驱动脉冲以及整流侧控制配合在设备内部和外部出现异常时，通过控制整流桥输出电压以确保设备安全。其逆变控制电路原理框图如下
       逆变控制电路原理框图
 取之以负载的频率信号，经过零比较电路获得自激方波信号，逆变器工作前，由于负载电压，电流均为零，因此无法获得启动时所需的自激信号 。采用他激启动，逆变器启动后，当电源输出电压达到某一值时，电平检测电路输出翻转，使电子开关输出由他激信号转换自激信号，从而完成逆变器的启动过程。分相和驱动电路形成逆变桥IGBT正确的驱动脉冲。
 四、电源保护
 电源的保护功能是针对电源的各种异常情况和故障而设计的，除控制电源故障和欠水压等常规保护以外，主要有过流保护和过压保护。
 当电源逆变器输出负载短路或逆变控制驱动电路工作不正常时，均会出现逆变桥输出端短路的现象，从而引起电源的短路过流。
 过压保护电路用于保护逆变功率器件IGBT免受过电压的损坏，电流型逆变器由于直流输出存在大电感，当逆变器输出端出现开路时，电感上储存能量无通路释放，逆变器入端瞬时出现

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