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中频电源控制原理
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一 基本原理
中频电源主要由整流电路、逆变电路、直流电抗器及控制线路组成,我公司中频电源采用一块集成电路控制板控制。具体介绍如下几点:
★该电源负载采用并联(串并联)逆变器。用于各种金属的熔炼、保温及感应加热设备的电源控制。
★电源控制板为单板全集成化控制板,采用数字触发,具有可靠性高、精度高、调试容易、继电元件少。
★主回路进线可不分相序(相序自动调整)。
★先进的扫频启动技术是操作者无需选择启动电压和启动频率就能实现100%的成功启动。
★该电源采用先进控制技术、具有极强的抗干扰能力。
★自动跟随负载变化,在运行时具有非故障性的自动再启动能力以及功率自动调节功能。
★具有理想的截流、截压、精确的关断时间或逆变角控制,保证设备可靠运行。
★具有完善的多级保护系统(水压、缺相、欠压、过流、过压、直通、操作连锁等)具有较高的变频效率、1000HZ及以下大于94%。
★适合控制100KW-3000KW/200-8000HZ中频电源。
主回路方框原理图:

控制电路板原理
整个控制电路除逆变末级触发电路板外,做成一块印刷电路板结构,从功能上分为整流触发部分、调节器部分、逆变部分、启动演算部分。详细电路见《控制电路原理图》。
1. 1 整流触发工作原理
这部分电路包括三相同步、数字触发、末级驱动等电路。触发部分采用的是数字触发,具有可靠性高、精度高、调试容易等特点。数字触发器的特征是用计(时钟脉冲)数的办法来实现移相,该数字触发器的时钟脉冲振荡器是一种电压控制振荡器,输出脉冲频率受移相控制电压Uk的控制,Uk降低,则振荡频率升高,而计数器的计数值是固定的(256),计数器脉冲频率高,意味着计一定脉冲数所需时间短,也即延时时间短,α角小,反之α角大。计数器开始计数时刻同样受同步信号控制,在α=0 时开始计数。现假设在某Uk值时,根据压控振荡器的控制电压与频率间的关系确定输出振荡频率为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,该触发器的计数清零脉冲在同步电压〔线电压〕的30°处, 这相当于三相全控桥式整流电路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。显然有三套相同的触发电路,而压控振荡器和Uk控制电压为公用,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CMOS数字集成电路,可以有很强的抗干扰能力。
IC16A 及其周围电路构成电压----频率转换器,其输出信号的周期随调节器的输出电压Uk而线性变化。W4 微调电位器是最低输出频率调节。
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、移相,经6 只光电耦合器进行电位隔离,获得6个相位互差60°、占空比略小于50%的矩形同步信号。
IC3、IC8、IC12(4536 计数器)构成三路数字延时器。三相同步信号对计数器进行复位后,对电压---频率转换器的输出脉冲每计数256 个脉冲便输出一个延时脉冲,因计数脉冲的频率是受Uk控制的, 换句话说Uk控制了延时脉冲。
计数器输出的脉冲经隔离、微分后变成窄脉冲,送到后级的556,它既有同步分频器功能,亦有定输出脉冲宽度的功能。输出的窄脉冲经电阻合成为双窄脉冲,再经晶体管放大,驱动脉冲变压器输出。具体时序图见附图。



1.2 调节器工作原理
调节器部分共有四个调节器:中频电压调节器、电流调节器、阻抗调节器、逆变角调节器。
其中电压调节器、电流调节器组成常规的电压、电流双闭环系统。在启动和运行的整个阶段,电流调节器始终参与工作,而电压环仅工作于运行阶段。另一阻抗调节器从输入上看,它与电流调节器LT2 的输入完全是并联关系,区别仅在于阻抗调节器的负反馈系数较电流调节器略大,再者就是电流调节器的输出控制的是整流桥的输出直流电压,而阻抗调节器的输出控制的是中频电压与直流电压的比例关系,即逆变功率因数角。
调节器电路的工作过程可以分为两种情况:一种是在直流电压没有达到最大值的时候,由于阻抗调节器的反馈系数略大,阻抗调节器的给定小于反馈,阻抗调节器便工作于限幅状态,对应的为最小逆变θ角,此时可以认为阻抗调节器不起作用,系统完全是一个标准的电压、电流双闭环系统。另一种情况是直流电压已经达到最大值,电流调节器开始限幅不再起作用,电压调节器的输出增加,而反馈电流却不变化,对阻抗调节器来说,当反馈电流信号比给定电流略小时,阻抗调节器便退出限幅开始工作,调节逆变角调节器的θ角给定值,使输出的中频电压增加,直流电流也随之增加,达到新的平衡。此时,就只有电压调节器与阻抗调节器工作,若负载等效电阻RH 继续增大,逆变θ角亦相应增大,直到最大逆变θ角。
逆变角调节器用于使逆变桥能在某一θ角下稳定地工作。
中频变压器过来的中频电压信号由CON2-1 和CON2-2 输入后,分为两路:一路送到逆变部分;另一路经D7-D10 整流后,又分为三路:一路送到电压调节器;一路送到过电压保护;另一路用于电压闭环自动投入。
电压PI 调节器由IC13A 组成,其输出信号由IC13D 进行钳位限幅。IC13C 和IC21C组成电压闭环自动投入电路,DIP-3 开关用于电压开环调试。内环采用了电流PI 调节器进行电流自动调节,控制精度在1%以上,由主回路交流互感器取得的电流信号,从CON2-3、CON2-4、CON2-5 输入,经二极管三相整流桥整流后分为三路:一路作为电流保护信号;另一路作为电流调节器的反馈信号;还有一路作为阻抗调节器的反馈信号。由IC17B 构成电流PI 调节器,然后由IC17A 隔离后控制触发电路的电压---频率转换器。
IC17C 构成阻抗调节器,它与电流调节器是并列关系,用于控制逆变桥的引前角。其作用可间接达到恒功率输出,或者可提高整流桥的输入功率因数。DIP-1 可关掉此调节器。
1.3 逆变部分工作原理
本电路逆变触发部分,采用的是扫频式零压软起动。由于自动调频的需要,虽然逆变电路采用的是自励工作方式,控制信号也是取自负载端,但是主回路上无需附加的起动电路,不需要预充磁或预充电的起动过程,因此主电路得以简化,但随之带来的问题是控制电路较为复杂。
起动过程大致是这样的:在逆变电路起动前,先由一个高于槽路谐振频率的它激信号去触发逆变晶闸管,当电路检测到主回路直流电流时,便控制它激信号的频率从高向低扫描,当它激信号频率下降到接近槽路谐振频率时,中频电压便建立起来,并反馈到自动调频电路。自动调频电路一旦投入工作,便停止它激信号的频率扫描,转由自动调频电路控制逆变引前角,使设备进入稳态运行。
若一次起动不成功,即自动调频电路没有抓住中频电压反馈信号,此时它激信号便会一直扫描到最低频率。重复启动电路一旦检测到它激信号进入到最低频段,便进行一次再起动,把它激信号再推到最高频率,重新扫描一次,直至起动成功。重复起动的周期约为0.5秒,完成一次启动到正常功率运行的时间不超过1秒钟。
由CON2-1 和CON2-2 输入的中频电压信号,经变压器隔离送到ZPMK(中频起动模块),ZPMK3 脚、4 脚输出的信号经微分后由IC18B和IC20B 变成窄脉冲输出,驱动逆变末级MOS管。IC20A构成频率--电压转换器用于驱动频率表。W7用于校准频率表的读数。IC18A构成过电压保护振荡器,当逆变桥发生过电压时,振荡器开始起振,使逆变桥的四只晶闸管均导通,以利于释放电抗器能量。
IC19D为起动失败检测器,其输出控制重复起动电路。IC19A为起动成功检测器,其输出控制中频电压调节器的输出限幅电平,即主回路的直流电流。W6为逆变它激信号的最高频率设定电位器。
1.4 启动演并工作原理
过电流保护信号经IC13B倒相后,送到IC5A组成的过电流截止触发器,封锁触发脉冲(或拉逆变),同时驱动“过流”指示灯亮和报警继电器。过电流触发器动作后,只有通过复位信号或通过关机后再开机进行上电复位,方可再次起动。通过W2 微调电位器可整定过流电平。
当三相交流输入缺相时,本控制板均能对电源实现保护及指示。其原理是由K4、K6、K2 晶闸管的阴极分别取A、B、C 三相电压信号,经光电耦合器隔离后送到IC14 及IC16B 进行检测和判别,一旦出现缺相现象,除了封锁触发脉冲外,还驱动“缺相”指示灯以及报警继电器。
为了使控制电路能够更可靠地运行,控制电路上还设置了启起定时器和控制电源欠压检测保护。在开机的瞬间,控制电路的工作是不稳定的,设置一个3 秒钟左右的定时器,待定时后,才容许输出触发脉冲。这部分电路由C11、R20 等元件构成。若由于某种原因造成控制板上直流供电电正过低,也会使控制出错。设置一个欠压检测电路(由DW4、IC9B 等组成),当VCC 电压低于12.5V 时便封锁触发脉冲,防止不正确的触发。
自动重复起动电路IC9A组成。DIP-2开关用于关闭自动重复起动电路。
IC5B组成电压截止触发器,封锁整流桥触发脉冲(或拉逆变),驱动“过压”指示灯亮和驱动报警继电器。另通过Q9使过压保护振荡器IC18A 起振。过电压触发器动作后,也像过流触发器一样,只有通过复位信号或通过关机后再开机进行上电复位,方可再次起动。调节W1 微调电位器可整定过压电平。
Q7及周围电路组成水压过低延时保护电路,延时时间约8秒。
复位开关信号由CON2-6、CON2-7输入,闭合时复位。
二 调试
由于中频电源系统比较复杂,其调试难度比较大,因此,中频电源调试人员必须要具备相当的电路理论基础知识和丰富的实践经验。一般情况下,须专业人员现场调试。
设备在出厂时已经做过出厂调试。电路板上除W1和W2电位器之外,其它部分已经调试好并蜡封完毕。
用户现场的调试分为三部分:
1、水路部分
水路部分的安装是否合理,各支路水压和水流量符合要求。
2、液压部分:检查安装是否合理,油液是否符合规定,若正常,连续倾炉5-10。
3、电气部分
只有在水路部分和液压部分调试完成后才能进行电气部分调试
①控制部分调试
检查进线电压,断路器(接触器)操作正常,门板按钮和指示灯正常.控制电压正常。
②直流部分调试
首先,系统必须通水.将主回路从滤波电抗器前级断开,在三相全波整流输出两端接一个≤500Ω,≥500W的电阻性负载(常用3个或4个300W灯泡串联)。开机后,直流电压表应能指示在大约1.35×Ul位置(Ul:交流输入线电压)。
③逆变和中频负载部分
控制系统和整流部分正常后,接入逆变和中频负载,若不能正常开机启动,先检查主电路板接线,对掉114,115后重新启动,若无法启动须更换主电路板,若还不能正常开机,应为逆变和中频负载有问题。其检测须逐个元件检测。
启动正常后,分别做截压和截流调试。先做截压调试:在空载状态下,启动系统,功率旋钮至最大调节电路板电位器W1,至中频电压到额定值。截流调试:在重载状态下,启动系统,功率旋钮至最大,调节电路板电位器W2,至直流电流到额定值。调试全部完成。

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