基于晶閘管關斷時間控制的高效中頻電源

摘要：針對常規晶閘管并聯諧振中頻電源存在的在熔煉期內輸出功率達不到額定功率的問題，設計了一種對DC/AC逆變器采用調節功率角嫉拇シ⒖刂頻緶罰配合原有的AC/DC相控雙閉環控制電路，可以使中頻熔煉電源實現高效控制。

關鍵詞：中頻電源；功率因數角嫉鶻冢還囟鮮奔淇刂

1 概述

常規中頻電源是由AC/DC可控整流器與單相DC/AC電流型并聯諧振逆變器組成的，它在感應加熱熔煉過程中的正常工作如圖1所示，是以負載電路中的電流i_H超前其電壓u_H為前提條件的。逆變電路中晶閘管的超前觸發時間應大于晶閘管關斷時間，即

t>（γ＋δ）/ω（1）

式中：γ為晶閘管換流重疊角；

δ為恢復角；

ω為中頻電源角頻率。

（a）主電路組成框圖

（b）負載電壓及電流波形

圖1 常規中頻熔煉電源主電路與負載電壓及電流波形

設β為超前觸發角，為保證安全換流，應考慮安全裕量角θ，則

β=γ＋δ＋θ（2）

負載電流i_H的基波超前其電壓uH的角度汲莆負載超前功率因數角，從圖1（b）可見

φ=γ/2＋δ＋θ（3）

當中頻電源用于熔煉金屬時，其被熔煉材料大多為鐵磁材料，負載電路的諧振角頻率ω隨爐溫升高而增大。從式（2）可知，這會導致超前觸發時間

t=β/ω=(γ＋δ＋θ)/ω

減少，也會使超前功率因數角急湫。若換流重疊角γ及θ不變，這意味著晶閘管的關斷恢復角δ減小，因而有可能導致逆變失敗。可見，當實際恢復關斷時間減小時，為確保電源的安全運行，要及時調節觸發角β或超前功率因數角φ。

2 中頻電源實現高效控制原理

中頻電源用于熔煉時，其理想運行狀況應是保持熔煉期盡可能有較大的功率輸出或恒功率輸出，以迅速提高爐溫，減少熱損，縮短熔煉時間，提高單產和效率。但在實際熔煉金屬過程中，由于被熔煉材料的磁導率和電導率都隨溫度的變化而變化，將引起負載等效電阻R_H改變，使熔煉過程大部分時間達不到設計的最大輸出功率（即P_dmax=U_dmaxI_dmax）。

事實上，從圖1（a）主電路組成框圖可看出，要實現恒功率輸出，只要讓等效直流電阻R_d(R_d=U_d/I_d)與中頻負載電路阻抗匹配就行，即當R_H變化時，采用某種方法使R_d不變，這樣中頻輸出功率便不會隨R_H變化而變化。

根據并聯諧振中頻電源R_d，R_H及φ的相互關系式

R_d≈0.81cos²φR_H（4）

可知當負載電路等效電阻R_H變化時，只要調節功率角φ，就可以使R_d保持不變，從而實現高效節能。