双电源并联谐振中频电炉的节能降耗细分析

并联谐振中频电炉．其整流电路采用三相全控桥式整流，交流侧电流中含有次谐波，特别是5、7次谐波对电网干扰较大．小型中频电炉交流进线电压一般为380V，通过整流、逆变输出的中频电压较低，感应圈电流较大，而感应圈的发热损耗与电流的平方成正比，损耗较大，谐波含量高．随着减少电网无功损耗及谐波污染要求的提高，高功率因数、低谐波电源必将成为今后发展趋势．并联谐振电炉系统节能的关键在于降低感应圈电流损耗，主要方法是提高中频感应电压，以降低中频电流．为了使大功率中频电炉产生的谐波对公共电网的影响符合设备使用地供电的要求，可以适当增加整流脉冲数量，抑制谐波含量．文中通过采用双电源供电方式中频电炉，提高逆变器的直流输入电压和中频输出电压，有效地降低感应圈电流损耗；同时

利用整流变压器移相以有效地降低进线电流的5、7 次谐波，对超标特定谐波，给出了谐波抑制的措施．

双电源并联谐振中频电炉的总体结构

1、并联谐振中频电炉系统总体结构

晶闸管中频电炉主要由整流器、直流滤波、逆变器、负载和控制及保护电路组成嘲，系统结构如图1所示．根据电炉感应圈和补偿电容连接方式的不同，中频电炉可分为并联谐振式中频电炉和串联谐振式串联中频炉引目前在感应加热、熔炼中普遍采用并联谐振中频电源．

并联谐振中频感应电源系统各部分组成及作用：

(1)整流电路：把三相工频交流电变换成为直流电．

(2)滤波电路：将有脉动的直流进行滤波成为平滑的直流．

(3)逆变电路：把直流电变换为单相中频交流电流，供给负载电路．

(4)中频负载为并联谐振负载，在谐振频率下实现感应加热．

(5)控制及保护电路：控制主电路的功率输出以及系统安全保护．

2、双电源供电电路中频电炉

双电源供电中频电炉主电路如图2所示，整流电路由双整流桥串联组成，提高逆变器的直流输入电压．整流变压器二次侧绕组一个接成星形，另一个接成三角形，构成相位相差30。、大小相等的两组电

压，接到互相串联的2组整流桥，使两桥进线电压相位实现3O。移相，使输出整流电压在每一个交流电源周期中脉动12次，构成12脉整流电路．因变压器绕组接法不同，一次侧绕组和两组二次侧绕组的匝数比为1：1：√3，因实际应用中要想凑到1：1 ：√3的匝数十分困难，一般采用19：19：33近似匝比．

由晶闸管三相桥式整流电路的特征谐波次数计算公式： —kP±1(式中P为整流器脉动数，k为正整数，k==1，2，3…)．可知，双电源供电中频电炉主要含有12k土1次特征谐波，消除了交流进线电流的 5、7次特征谐波，从而减少中频电炉对电网的谐波污染．

中频电炉逆变电路由晶闸管组成单相桥式逆变，工作频率较高，一般采用KK型快速晶闸管，各个桥臂上分别串连一个限流电感L ，以限制晶闸管开通时的电流变化率di／at，各限流电感之间不存在

互感．通过控制逆变桥各桥臂的晶闸管开关频率，就可以在负载上得到一定频率的单相交流电。

双电源并联谐振中频电炉的触发电路工作原理

3、触发电路工作原理及设计

触发电路是整流电路的控制部分，通过移相触发调节整流输出的直流电压．这部分主要包括三相同步，数字触发，脉冲分配等电路．数字触发器的特征是利用时钟脉冲计数的办法来实现移相，具有可靠性高、精度高、调试容易等特点．逆变控制电路主要负责产生逆变晶闸管的触发信号，从负载回路取出中频电压、电流信号反馈给控制线路，进行相位比较、调节，跟踪负载的谐振频率，保证逆变电路工作在高效稳定状态．逆变控制电路

主要是利用锁相环原理，由振荡器产生的输出信号在频率和相位上与输入信号同步．

3．1 整流触发电路工作原理

双电源供电中频电炉的两整流桥的进线由整流变压器实现3O。移相，所以要求两整流触发电路在相位上互差30。，且两个桥式整流电路应各自触发，互不干扰．两整流电路的触发电路结构相同，每个三

相整流桥的触发电路均有六路触发信号，顺序触发各自晶闸管的导通．因此必须保证触发信号的对称度和齐整度，克服控制角受电网电压波形畸变的不良影响．触发电路主要由555时基电路，电压比较

电路、计数电路及脉冲输出电路组成．

(1)555时基电路

时基电路如图3所示，控制电压由5脚输入，控制3脚输出脉冲频率，对整流触发角进行移相控制．4脚为输入保护控制端子，当出现过流、过压时，4脚被置为低电平，封锁整流脉冲．

(2)电压比较电路

为防止电网电压波形畸变对触发电路的干扰设置RC移相电路．图4所示为移相电路，具体工作原理为：同步变压器输出的同步信号接到107．1输入，该电路对同步变压器的输出电压相位移回3O。．故同

步变压器采用△／Y接法对此进行补偿，输出电压相位相对一次侧超前3O。，实现触发脉冲与主电路的同步．图中R1、R2、R3及C1、C2为移相电路，二极管D1和D2为限幅电路，LM324为电压比较器．

(3)计数电路

如图5所示计数器电路，当107．1输人为正半波时，同步信号经电压比较器LM324输出低电平，一路接到U7A的1脚，等待计数器MC14020BCP的 14脚输出，当输出高电平时，U7A导通，将脉冲送至

脉冲分配电路(NE556)的触发输入端；另一路接到 U7C的9脚，与8脚的低电平经或非门后输出高电平．RlO、C9与4070组成清零电路，C9两端起始电压为零，当U7C的1O脚输出高电平时，经R10对C9

充电，C9的起始电压为零，充电后变为高电平，使 4070由低电平输出跳变到高电平输出，实现对计数器的清零，准备计数．当计数器计满一定的脉冲数后，由MC14020BCP的14脚输出高电平，送到U7A

的2脚，使其输出低电平，经电容C14触发LM556．

(4)脉冲分配电路

其作用是接受脉冲信号，进行脉冲分配，实现晶闸管的顺序触发，电路如图6所示．

3．2 逆变控制电路工作原理

逆变频率控制电路如图7所示．46、47端子为中频电压信号输入端，经过滤波整定送至U18B．改变锁相环4046的9脚输人电压的大小控制4脚发出逆变晶闸管触发脉冲的频率，并通过脉冲输出电路放

大后触发逆变晶闸管．从4脚输出的脉冲另一路送至4046的3脚，与整定的中频电压信号进行比较，由2脚输出其相位差，送至频率跟踪电路来控制 4046的9脚电压大小，调整逆变电路触发脉冲的频率．

4 无源滤波电路

由于中频电炉运行时谐波含量较为稳定，在谐波治理方面可选择技术成熟、经济实用的LC无源滤波，使滤波器具有吸收谐波及无功补偿的双重作

5．无源滤波器是由电容器、电抗器和电阻通过串并联合而成，通过电容电抗谐振时的低阻抗特性来吸收谐波，从而达到滤波治理的目的．同时该支路在

基波频率下呈容性，可以向系统提供容性无功，提高系统的功率因数

6、无滤波器电路如图8所示，对三相整流中频电炉一般在整流变压器低压侧安装5、 7、l1和13次滤波器支路．5、7和11次滤波器采用单调谐滤波结构，分别用于滤除5、7、11次谐波电流；13次滤波器采用二阶高通滤波器结构，用于滤除13次及以上的谐波电流．对于双电源供电中频电源，只需装设11、13次滤波装置，减少企业投入成本．