中頻電源運(yùn)行原理和無(wú)源逆變技術(shù)分析

鄧楊

摘 要 本文將依據(jù)中頻感應(yīng)加熱技術(shù)原理與其技術(shù)裝備的運(yùn)行狀況，對(duì)中頻電源運(yùn)行原理和無(wú)源逆變技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】中頻電源 無(wú)源逆變技術(shù)

1 中頻電源及其運(yùn)行原理的概念與應(yīng)用

中頻電源實(shí)質(zhì)上是靜止變頻裝置，具有將三相工頻電源變成單項(xiàng)中頻交流電的功能，且具有應(yīng)用范圍廣、附在適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。中頻電源又可用于中頻感應(yīng)加熱爐，它能夠通過(guò)整流和濾波以及逆變過(guò)程將50Hz的工頻交流電變成1kHz～8kHz的中頻電流，可以說(shuō)是電力電子技術(shù)的無(wú)源逆變典例。中頻電流可產(chǎn)生磁場(chǎng)，置于磁場(chǎng)的工件在楞次定律下產(chǎn)生熱效應(yīng)，從而被加熱到所需要的溫度。在集膚效應(yīng)下，工件表層的高密度電流可以將電能轉(zhuǎn)化為熱能，當(dāng)工件表層的溫度升到一定高度，就能實(shí)現(xiàn)工件表層的加熱。工件表層跟工件內(nèi)部的電流密度差隨著電流頻率的增高而變大，加熱層也會(huì)隨之變薄。當(dāng)工件加熱層的溫度超過(guò)了其臨界的溫度后就會(huì)快速冷卻下來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)金水材料的表面淬火的目的，且工件內(nèi)部的物理性質(zhì)不會(huì)因?yàn)槠浔砻娲阌捕l(fā)生變化。使工件獲得其特有性能的方法除了表面淬火之外，還可以進(jìn)行化學(xué)熱處理。中頻感應(yīng)電路，即中頻電源還被應(yīng)用于金屬垂熔工藝，讓粉末狀的金屬成型，比如鉬等稀有金屬采用中頻電源進(jìn)行粉末冶金等等。

2 中頻電源的系統(tǒng)性構(gòu)成及其運(yùn)行原理

2.1 電感濾波電路和三項(xiàng)橋式全控整流概念及應(yīng)用

中頻電源的主電路所采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是“交流—直流—交流”的交換系統(tǒng)，共有電感濾波、三相全控橋整流和并聯(lián)逆變電路三部分組成。其交換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程是整流器使用三相橋式全控整流電路在輸出脈動(dòng)直流電時(shí)，通過(guò)大電感濾波變換成恒流輸出，從而達(dá)到并聯(lián)逆變器電流源輸入的要求。濾波電感能偶是整流橋連續(xù)輸出直流電流，因?yàn)殡娏骷y波變小，對(duì)此分析時(shí)可將整流橋所輸出的電流看成平直電流。而濾波電感除此外還有另一種作用，即對(duì)中頻電流進(jìn)入工頻電網(wǎng)起限制性作用，能夠隔離高次諧波。而當(dāng)無(wú)源逆變電路在逆變時(shí)失敗，濾波電感可以對(duì)浪涌電流起到限制作用，以逆變器短路方式進(jìn)行保護(hù)。

三項(xiàng)橋式全控整流所輸出的直流電壓，在通過(guò)電感濾波時(shí)負(fù)載直流電壓。因?yàn)殡姼袨V波的時(shí)候，電流不能突變，該電源對(duì)于后續(xù)負(fù)載而言具備了電流源的性質(zhì)特點(diǎn)。所以，后續(xù)逆變器所供電源可視其為電流源。濾波電感能夠使整流橋所輸出的直流電流呈現(xiàn)連續(xù)性，同時(shí)還會(huì)減小電流紋波，因此可將整流橋所輸出的電流當(dāng)做平直電流。而濾波電感還有另外一個(gè)作用，即對(duì)中頻電流形成限制作用，使中頻電流無(wú)法進(jìn)入工頻電網(wǎng)，對(duì)高次諧波有隔離作用。同時(shí)，如果無(wú)源逆變電路在逆變時(shí)失敗，濾波電感則可對(duì)浪涌電流形成限制作用，從而有效保護(hù)逆變器。

2.2 中頻電源運(yùn)行原理

中頻電源的裝置，是使把三相工頻交流電的整流變?yōu)橹绷鳎ㄟ^(guò)電抗器進(jìn)行平波之后，形成一恒定直流電源，然后再通過(guò)單相逆變橋?qū)⒅绷髂孀兂蔀橐粋€(gè)單相中頻交流的裝置。同時(shí)，這一單項(xiàng)中頻交路具有一定頻率，可為感應(yīng)線圈與諧振電容器形成的負(fù)載提供電流，并聯(lián)接成為諧振電路。中頻電源可分為負(fù)載電路、逆變電路、整流電路和整流控制電路等部分。其中，整流電路是采用晶閘管把三相工頻交流電通過(guò)整流濾波變?yōu)橹绷麟姡槟孀冸娐饭┙o能源。而整流電路通常使用三相全控橋式整流。逆變電路，是由改換晶閘管通斷順序來(lái)把整流后的直流電能輸出中頻交流電能，且中頻交流電能需滿足工作需要的頻率。整流控制電路工作過(guò)程為：從電源處獲得同步電壓信號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路而產(chǎn)生同步的鋸齒波，然后對(duì)其進(jìn)行整型移相，然后，通過(guò)分頻電路、鎖相形成相位互差為60°的雙脈沖，按照一定順序觸發(fā)晶閘管。對(duì)觸發(fā)脈沖時(shí)間進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)整流橋的晶閘管導(dǎo)通角，從而改變直流電壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)功率。集成的觸發(fā)電路可分為數(shù)字與模擬兩大類(lèi)。其中模擬是集成鋸齒波觸發(fā)脈沖的電路元件集成，比較常見(jiàn)的有KJ和KC系列，而TCA785、TC788和TC787等應(yīng)用較為廣泛，而在實(shí)際中的使用問(wèn)題也比較多。近幾年來(lái)數(shù)字式的集成觸發(fā)電路的使用也比較常見(jiàn)，其主要原理是把計(jì)數(shù)器電路計(jì)數(shù)脈沖的溢出當(dāng)做觸發(fā)信號(hào)。而觸發(fā)信號(hào)移相是通過(guò)變換計(jì)數(shù)脈沖頻率來(lái)達(dá)到目的。因此，整流觸發(fā)控制電路可謂是中頻電源裝置關(guān)鍵部分，同時(shí)，也是十分復(fù)雜而容易發(fā)生問(wèn)題需要重視的那一部分。

3 中頻電源逆變器的理論基礎(chǔ)

電路并聯(lián)諧振概念是無(wú)源逆變電路理論基礎(chǔ)。在電容與電感并聯(lián)電路中，如果電容大小變化使得輸入電流和電路負(fù)載兩端電壓同相位之時(shí)，即負(fù)載電阻將由電源輸出的電能全部消耗，負(fù)載成為了電阻性，此時(shí)，這一電路便產(chǎn)生了并聯(lián)諧振。當(dāng)電路產(chǎn)生并聯(lián)諧振的時(shí)候，正是并聯(lián)電容對(duì)于感性負(fù)載所作出的安全補(bǔ)償，因而電源不需要為負(fù)載供給無(wú)功功率，而只需要為負(fù)載回路供給電阻需要的全部有功功率。在此時(shí)，電路輸入的總電流量最小，兩個(gè)分支電流通常比電路輸入的總電流大，因而，并聯(lián)諧振又可稱(chēng)之為電流諧振、在電路產(chǎn)生并聯(lián)諧振的時(shí)候，電容支路與電感支路中有會(huì)極大的電流流過(guò)，很容易導(dǎo)致電氣設(shè)備燒毀或者使得各個(gè)支路的熔斷器發(fā)生熔斷現(xiàn)象。因而，在設(shè)計(jì)電路時(shí)要對(duì)各分支的電流影響做綜合考慮。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，中頻電源應(yīng)用范圍廣，對(duì)各式負(fù)載的適應(yīng)能力很強(qiáng)。中頻電源主要被應(yīng)用于金屬淬火、熔煉、回火、透熱、焊接和熱處理等。中頻電源運(yùn)行原理等概念較為抽象，可通過(guò)典型實(shí)例理解掌握，加深對(duì)其工作原理的掌握。而使用中頻電源前，要對(duì)中頻電源工作原理和中頻電源裝置主要的性能參數(shù)做一個(gè)充分了解，在中頻電源器件如IGBT等使用過(guò)程中需注重定期維護(hù)與日常保養(yǎng)，定期清理其中的雜物灰塵類(lèi)等。

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作者單位

湖南勞動(dòng)人事職業(yè)學(xué)院 湖南省長(zhǎng)沙市 410126