神马文学网第四章续
来源：百度文库 编辑：神马文学网 时间：2024/04/30 03:53:28
(2)整流触发的形成
通过以上整形后的三相同步信号,由C4.C5.C6.分别送入大规模集成块TCA787C的同步输入端1.2.18角。按三相全控整流桥触发电路的要求由7.8.9.10.11.12角分别输出 6 路调制后的双窄脉冲,经电容C13.C14.C15.C16.C17.C18耦合给6路大功率MOS管进行脉冲功率放大。再由6只脉冲变压器输出,经整形后接于整流桥的6只可控硅的控制极和阴极,达到三相全控整流桥正常工作的触发目的。
3 整流可控硅的选取。
1)由于三相全控整流桥工作在较低的频率范围,所以普遍选用普通整流可控硅,即KP系列可控硅。
2)跟据三相全控整流电路的理论计算,流过每一个可控硅的电流是整流输出总电流的0.334倍。所以在使用中为了留有足够的富裕量,一般选用与电源的额定电流值相同大小的可控硅。
3)进相电源电压为三相380V的机型中,选定耐压值为1200V—1400V的KP硅。进相电压为三相660V的机型中,选定耐压值为2000V—2500V的KP硅。
二 可控硅中频电源装置的逆变电路
1 两种逆变器电路
无论是感应加热或是感应熔炼,负载的功率因数都是很低的,也就是感应的Q值很高,在感应熔炼炉来说Q值一般在10-14之间,对感应加热来说,则根椐偶合程度Q值为5-9之间。
什么是Q值,Q值是指线圈的感抗和线圈的电阻之比。也就是炉子的无功功率和有功功率之比。举例来说,250Kg的感应熔炼炉,其需要的有功功率为160kw.假定Q值为10,则其无功功率为1600 kfar,这样大的无功功率,很显然不能有电网供给,那样电网的容量将非常庞大而不经济,因此,必须用能提供无功功率的电容器进行补偿,这个原理就象一般工厂里补偿功率因数一样。
无功功率的补偿方法有二种,一种是补偿电容器和炉子串联,叫作串联补偿,补偿电容器和炉子并联的叫做并联补偿。针对二种不同的补偿方法,可以有两中不同的逆变线路,一种叫作串联逆变器,一种叫作并联逆变器,如图 5
两种逆变器的比较如下；
串联逆变器
并联逆变器
（1）输出电压为距形波
输出电压为正弦波
（2）输出电流为正弦波
输出电流为距型波
（3）炉子感应圈电压为逆
变器输出电压的Q倍
炉子感应圈电压等
于逆变器输出电压
（4）感应圈电流等于
逆变器电流
感应圈电流为逆变器
输出电流的Q倍
（5）使直流电压稳定直流
端并接有大的电容器
使直流电流恒定直流
端串接大的滤波电感
（6）用高电压的补偿电容
使用标准的补偿电容
（7）用反馈二极管
不要反馈二极管
2 单相桥式并联逆变器的工作原理
1)并联逆变器的基本线路如图6。
图中可控硅SCR1-SCR4组成了一个桥式线路,Ld为直流电抗器,L为感应炉,C为补偿电容, LC组成一个并联谐振线路。这个线路是如何工作,又是怎样把直流变为中频电流呢;我们首先来研究分析一下线路正常情况下是如何工作的。图7表示一个工作循环的情况。假设在图7(a)中,先是(1) (2)导通(3)(4)截止,则直流电流Id经电抗器Ld,可控硅(1)(2)流向LC谐振回,由于Ld的电感值比较大,Id受Ld的限止基本上不变化而保持恒定,LC谐振回路受到一个恒定电流的激励,而产生谐振,震荡电压为正弦波,也就是说电容器两端的电压为正弦波,(这相当于图7(a)及图8中时刻t1前的电流电压波形)假定在这一时刻电容器两端的电压极性左端为正,右端为负。电容器两端电压将按正弦波规律变化,如果我们在电容器两端电压尚未过零之前的某一时刻(图8中的时刻t1)触通可控硅(3)与(4),此时可形成可控硅(1)(2)(3)(4)同时导通的状态,(如图7(b)),由于可控硅(3)(4)的导通,电容器两端的电压通过可控硅(3)(4)加在可控硅(1)(2)上,阳极电压为负,阴极电压为正,可控硅(1)(2)两端由于承受一个反向电压而迅速关断,也就是说可控硅(1)(2)将电流换给可控硅(3)(4).换流以后,直流电流经电抗器Ld,可控硅(3)(4),从相反方向激励了谐振回路。电容器两端电压继续按正弦规律变化,而电容器两端电压的极性变成左端为负,右端为正,(如图7(c)),对应的波形图位图8中的t2—t3时刻。在负载回路中的电流也改变了方向。当电容器右端的正电压再要过零之前的某一时刻(这相当于图8中的t3时刻),再将可控硅(1)(2)触通则再次形成4个桥臂可控硅(1)(2)(3)(4)同时导通状态,但在此时使可控硅(3)(4)承受一个反向电压,而将电流换给了可控硅(1)(2),这就完成了一个工作循环。从上述换流过程中我们可以看出,当可控硅(1)(2)导同时电流自一个方向流入负载,当可控硅(3)(4)导通时电流从相反方向流入负载,可控硅(1)(2)与(3)(4)相互轮流导通和关断,就把一个直流变成了交流,可控硅(1)(2)与(3)(4)交替工作的次数也就决定了输出交流电的频率。这种变频线路因其换流过程是受负荷控制的,所以不需要外加另外的强迫换流装置,这是它和其它变频线路的不同之点,由于不需外加换流装置,因之这种变频线路的效率较高。适合在大功率的感应熔炼及加热中应用,所以这种线路对负载的依赖性也是较大的。
2)从上述分析的逆变器的换流过程还可以看出,换流过程必须在电容器电压过零之前的某一时刻进行,也就是电流必须超前电压某一时间。这一点在所介绍的线路中非常重要,不满足这一点,这种逆变线路是不能正常工作的。我们习惯上,把电流过零之点到电压过零之点这一段时间叫做引前触发时间tf ,为了保证可控硅(1)(2)与(3)(4)之间能可靠地进行换流,必须有一定的数值,不能太小。这主要是从下述三点考虑:1在换流过程中,为了确保即将换流的SCR可靠关断,必须加上足够的反向电压,反向电压过低则可能关不断。2必须确保一定的换流时间tr,在上面的分析中,假定换流是瞬时进行的,但实际上可控硅受一定的允许di/dt耐量的限制,换流是不能瞬时进行的,必须有一定的换流时间tr,这一点在后面还要叙述。3要有足够的关断时间toff使即将关断的可控硅进行关断。
3)什么是可控硅的关断时间,可控硅在导通状态下,它的三个结上积蓄有载流子,可控硅在关断时,需要一定的时间,使这些残留载流子,作为反向电流释放出来,才能使可控硅承受正向电压。(这种残留载流子的消失时间与可控硅的构造,结温,及关断前流过可控硅的电流等有关)如果残留载流子尚未完全消失,既加上正向电压,可控硅将重新再度导通。因此,引前触发时间tf必须大于换流时间tr与关断时间toff之和,既tf>tr+toff,不然的话,则可控硅尚未完全关断又将承受正向电压而再度导通,这就会造成非常危险的直通短路。但是，安全换流时间tr所对应的超前角α也不能太大,主要是考虑下面两个原因；(1)α角度增大,电容器两端电压Uc就要增高,这将受到电容器和可控硅所能承受电压的限制,在单相桥式逆变线路中,当直流输入电压为Ud,中频输出电压为Uc,则在Ud和Uc的有效值之间存在下述关系；Uc=1.1Ud/cosα。从式中可以看出,在输入直流电压Ud相同的条件下,当α角度增大,则cosα值减小,Uc将增大,也既加于电容器和可控硅两端的电压将增高。这一点受到所选用的电容器即可控硅的耐压限制。(2)中频输入的有功功率与α的关系：中频输出的有功功率P=Uc.ILcosα。式中可以看出在相同的中频电压电流条件下ɑ角愈大,有功功率输出愈小,如果要保持一定的输出功率，则ɑ角度愈大,则必须使输出中频电压,电流愈大,这样恶化了可控硅的工作条件。
4)综上所述,在目前考虑到可控硅的关断时间及所选用的可控硅元件,电容器的耐压水平,在输出中频频率1000Hz的情况下引前触发时间tf取100 µs左右,对应的角度ɑ大约是在30o-45o范围内。这一超前的无功功率仍是由电容器来补偿的,前面在介绍谐振回路时曾讲到应补偿到谐振状态,实际上补偿到谐振状态还不行,为了要保证我们这一线路能正常工作,必须要过补偿,即补偿到电流超前电压一个ɑ角的程度。在前面的分析当中,假定换流是瞬时完成的,就是说关闭的可控硅的电流是瞬时转换给导通的可控硅的,但是这样是不允许的,受到可控硅允许的电流上升率di/dt的限制,如果转换太快,可控硅将烧毁。这是因为,当可控硅触发以后,电流首先在控制极附近流通,然后才以每微秒大约0.1mm的速度从控制极中心向外扩展,最后电流扩展到整个硅片,这样将使硅片的某些区域发生过热而烧坏,可控硅允许的电流上升率di/dt数值,随频率,换流时阳极电压,电流峰值及结温的增高而下降。为了限制换流过程中的电流上升率di/dt必须在每个桥臂中串接一定数量的电感,但是这个换流电感值也不能太大,因为换流的重叠时间tr直接有这个换流电感决定,如果这个电感数值太大,则换流时间将拖长,当电流增大时,时间会更长,以致是总的时间大于安全换流时间tf,而是换流无法完成造成逆变失败。一般考虑tr=Id/di/dt,式中；I为流过可控硅的电流,di/dt为可控硅元件允许的电流上升率。因此；在中频频率1000Hz的电源装置中,电流超前电压ɑ角度一般设定在30o-45o之间。(这一点在所介绍的线路中非常重要,不满足这一点,这种逆变线路是不能工作的)
5)在具体的线路中,为了实现以上触发提前的要求,采用的是谐振回路的电压Uc和流过电容器的电流Ic的合成信号,因为两个信号的交差点位置刚好在tf所要求位置附近(如图9)。UC信号是从与电容器并联的中频电压互感器中取出,Ic信号从补偿电容器的一组Cs串联的电流互感器中取出,tf/c是一个比例常数。系统中Uc,Ic分别用两个电位器来调整(见图10(a)Uc. Ic信号的合成。通常称作频率跟踪电路)。
3 .单相桥式逆变线路触发脉冲形成的过程
1)合成信号的限幅。(见图10b）自中频电压互感器及中频电流互感器取得的信号,经WI,WU。D43,D44,D45,D46,合成后为一正弦波。通过 R101,R102降压限流后与D47,,D48组成双向限幅电路,把输入的正弦波信号变成双向梯形波,这一电路的作用除了形成梯形波以提高过零转换的准确度以外,还有限幅作用,因为在工作过程中输入合成信号变化较大,由于二极管的作用,使合成信号的电位始终被钳位在0.7v保证下一级安全工作。C53,C54是抗干扰电容，旁路干扰信号。
2)脉冲方波的形成（见图10b）所示。双比较器集成块LM393的两个比较器,共同组成双向比较器电路。（实际上也叫窗口式比较器）当合成信号正半周到来时,3角为高电位2角低电位,比较器1角输出一个方波信号。当合成信号负半周到来时5角为高电位, 6角低电位, 7角输出一个方波信号。此两路方波送入下一级进行双稳态触发及分频处理。
3）双稳态触发及分频的实现。(见图10c)在线路里由4与非门TC4011集成块来组成双稳态触发电路,其主要作用是分频和整形,目的是对双向比较器电路送来的方波脉冲作进一步整形,并把输入脉冲分成互差180o的两组前沿陡峭方波。使其相位更加准确,工作稳定可靠。
4)脉冲功率放大及变压器偶和环节。（见图10d）自双稳态触发器两个输出端送来的2个相位互差180o的方波,分别经电容C64,C59进行微分,使触发脉冲的宽度设定在45o左右并偶合给有两只大功率 MOS管组成的脉冲功率放大电路,对脉冲信号进行功率放大,保证其足够的功率输出,实现强触发的目的。每个脉冲功率放大级带动一只脉冲输出变压器,每只变压器输出分4组,经整形电路整形后,分别去触发对角的两组桥臂8只可控硅,达到对逆变器进行良好触发的目的,使逆变器两组对角桥臂象工作原理中讲到的那样,工作在良好状态。
4 逆变可控硅的选定。
1)根据中频电源的工作频率段选定；
频率在100HZ--- 500HZ的选定关断时间在20µs-45µs的KK型可控硅。
频率在500HZ--- 1000HZ的选定关断时间在18µs-25µs的KK型可控硅。
频率在1000HZ---2500HZ的选定关断时间在12µs-18µs的KK型可控硅。
频率在2500HZ---4000HZ的选定关断时间在10µs-14µs的KKG型可控硅。
频率在4000HZ---8000HZ的选定关断时间在6µs—-9µs的KA型可控硅。
2)根据中频电源的输出功率选定；
根据并联桥式逆变线路的理论计算,流过每个可控硅的电流是总电流的0.455倍,考虑留有足够的裕量,通常都选定和额定电流同样大小的可控硅。
功率在50KW----100KW 的选定电流300A/1400V的可控硅。(380V进相电压)
功率在100KW—-250KW 的选定电流500A/1400V的可控硅。(380V进相电压)
功率在350KW—-400KW 的选定电流800A/1600V的可控硅。(380V进相电压)
功率在500KW—-750KW的选定电流1500A/1600V的可控硅。(380V进相电压)
功率在800KW—1000KW的选定电流1500A/2500V的可控硅。(660V进相电压)
功率在1200KW-1600KW的选定电流2000A/2500V的可控硅。(660V进相电压)
功率在1800KW-2500KW的选定电流2500A/3000V的可控硅。(660V进相电压)
三 系统的保护
本系统设置有多重保护系统,第一道有限压限流保护,第二道有过压过流保护,第三道有自动断路器(DW-16空气开关)作装置的短路电流保护。装置还分别设置有；冷却水欠压断水保护,快速熔断器保护,进相空芯电抗器保护,可控硅阻容吸收保护。
1三相桥式整流电路的短路保护
为了使在整流硅发生击穿时不使进相电压发生短路,一般在电路里每个整流桥臂都串联快速熔断器,以保护每个桥臂的可控硅。为限制相间短路时的电流上升率,不致超过可控硅元件本身的允许值,在交流进线处串有空芯电抗器。空芯电抗器的另一个作用是,使整流可控硅在换相过程中限制电流的上升率,对可控硅起到了一定的保护作用。
2 逆变端过流及过压保护
1)逆变端产生过电流的原因如下；
(1)运行中负载的波动引起过流。感应炉在熔炼过程中负载波动很大,尤其是在熔炼的初期参数变化的更为激烈,往往造成过电流。
(2)运行中桥式逆变器,两对桥臂可控硅换流失误,逆变失败,所引起的短路电流。
(3)运行中桥式逆变器可控硅触发脉冲突然中断,造成桥臂对角线可控硅斜通短路,所引起的短路电流。
还有其它各种原因引起的过电流,这种逆变侧的过电流采用快速熔断器保护将不是经济可靠的办法。
2)逆变端产生过电压的原因如下；
(1)(中频电压Uc=1.1Ud/cosɑ 。由于超前角ɑ过大在整流电压Ud恒定时,造成中频电压Uc过高。
(2)逆变触发脉冲的时刻是有Uc和-Ic信号的交点决定的,如果自电压互感器来的Uc信号突然中断。则此交点将由Ic信号决定,ɑ将迅速增大,从而造成中频电压Uc过高。
(3)炉子感应圈突然开路造成过电压。
(4)可控硅在导通与关断时产生的尖峰过电压。
3 对逆变端的过流及过电压均采用脉冲封锁方法来保护的。
1)下面简单说明一下脉冲封锁的动作原理。
(1) 当三相桥式全控整流电路中,直流输出端发生短路时,迅速将整流触发脉冲移到最小ß角(例如ß=30o,相当于ɑ=150o处)以产生一反电压来快速关断整流可控硅,切断短路电流。这种将整流触发脉冲有整流装置快速移到封锁位置的方法,就叫做脉冲封锁。脉冲封锁不能简单理解为将脉冲去掉.实际上三相桥式全控整流电路是工作在逆变状态。（这里所说的逆变和我们讲的中频逆变器完全是两个概念,不可混同）
(2) 当逆变电路发生短路时,电流迅速增大,此时有直流电抗器的存在,接近于整流输出的电压全部加在电抗器Ld的两端,Ld将产生强大的磁能。如不将整流电路立即封锁脉冲,磁能将无法释放,危害是不可估量的,必须是整流桥处在逆变状态才能把这一能量反馈给交流供电电网。随时间的推移Ua将逐步减小为零,电流也相应减小为零,整流可控硅而关断,使其达到保护的目的。
(3) 在本系统实际的保护环节中过电流信号取自交流进线端的三只穿心式电流互感器,三只电流互感器接成星形联接,再有三只5/0.1互感器进行变换,以星形接入主控板的K1,K2,K3,经三相桥式整流后以电压的形式取出。过电压信号取自中频电压互感器,经单相桥式整流后取出(见图11),电位器W7的动端位置决定过电流的保护整定值。4比较器LM339分两组分别担任过流过压的任务,5角接有一基准电压,电位器动端输出的电流信号接于6角,此时与5角进行比较,当电流信号电压大于(取的是负电压)基准电压时比较器2角将输出高电位,分四路输出,一路使U3B负输入端6角电位高于正输入端7角电位，1角输出低电位，锁定U3A，保证2角输出高电位。一路经三极管驱动继电器带动门板指示灯作为外指示,一路送入控制回路使整流触发脉冲迅速移到最小ß位置相当于ɑ=150o.使整流触发脉冲处在封锁状态,(整流触发集成块TC787C的4角是触发移相控制端,低电位移相,高电位封锁)同理电位器W8动端的位置决定了过电压的保护整定值。一旦发生过电流或过电压,通过保护电路使其达到脉冲封锁的目的。一般情况下过电流过电压值整定在额定工作电流电压的1.2倍较合适。
(4) 本系统的保护复位采用的是功率电位器回零自动复位装置,原理是这样的;当系统发生保护动作时,比较器的正输入端电位高于负输入端电位,处在自锁状态,只有使正输入端电位低于负输入端电位方可解除自锁状态。过程是这样的,设备在正常工作时功率电位器的动端074接近于 073,电位较低U1C负输入端9角电位低于正输入端10角电位，输出端8角高电位，处于正常状态。当功率电位器回零时,074靠近075,电位相应较高使UIC反转输出低电位，解除过流过压的自锁状态。达到保护复位的目的。
2) 本系统还分别设有限流限压保护系统，W5.W9动端的位置决定了限流限压的整定值。它们的工作原理是这样的:四运放集成块LM324的两组分别负担限流限压的工作。首先6角13角分别接有5 V基准电压,W5.W9动端送来的电流电压信号(以负的形式输出)接于6角13角,分别与基准电压进行比较,当中频电源的工作电流或电压达到额定值时相应的在W5,W9检出信号,如负于比较器的基准电位,比较器将进行运算并从7角14角分别输出高电位与整流给定电压合并,拉高给定电压使整流触发移相α发生变化,整流输出电压降低,系统的工作电流或中频电压将降低,与此同时W5W9检出的信号跟着降低,运算器的7角14角输出电压降低,给定电压降低,整流触发脉冲α角变小,(触发电路的移相是给定电压低电位时触发脉冲移相,高电位时触发脉冲封锁)直流输出电压提升。这样又回到动作的初始状态,电路将进行又一次系列转换,其结果是保持在限流或限压设定值范围内不变。达到其限流限压的目的。
3) 本系统还在整流可控硅和逆变可控硅的阳极阴极两端设有阻容吸收回路,（如原理图)对可控硅在关断时产生的尖峰脉冲进行吸收,以免造成尖峰电压击穿可控硅。其原理很简单,大家都知道电容的特性使两端电压不能突变,电容量一定,电阻值一定其充放电时间一定。在可控硅换相过程中产生的尖峰脉冲宽度较窄,通过电阻对电容充电,其结果是电压来不及建立周期已过去。因为阻容保护的充放电时间常数远大于尖峰脉冲的时间常数,故对可控硅起到了保护作用。另外在逆变回路里每个桥臂里的两个可控硅的阳极阴极两端还接有均压电阻,其作用是在桥臂关端期间使两端的电压被电阻分压,每个可控硅承受1/2的电压。当桥臂再次导通时,不会使单硅承受全部电压而造成不良的后果,相应的起到了保护作用。
通过以上整形后的三相同步信号,由C4.C5.C6.分别送入大规模集成块TCA787C的同步输入端1.2.18角。按三相全控整流桥触发电路的要求由7.8.9.10.11.12角分别输出 6 路调制后的双窄脉冲,经电容C13.C14.C15.C16.C17.C18耦合给6路大功率MOS管进行脉冲功率放大。再由6只脉冲变压器输出,经整形后接于整流桥的6只可控硅的控制极和阴极,达到三相全控整流桥正常工作的触发目的。
3 整流可控硅的选取。
1)由于三相全控整流桥工作在较低的频率范围,所以普遍选用普通整流可控硅,即KP系列可控硅。
2)跟据三相全控整流电路的理论计算,流过每一个可控硅的电流是整流输出总电流的0.334倍。所以在使用中为了留有足够的富裕量,一般选用与电源的额定电流值相同大小的可控硅。
3)进相电源电压为三相380V的机型中,选定耐压值为1200V—1400V的KP硅。进相电压为三相660V的机型中,选定耐压值为2000V—2500V的KP硅。
二 可控硅中频电源装置的逆变电路
1 两种逆变器电路
无论是感应加热或是感应熔炼,负载的功率因数都是很低的,也就是感应的Q值很高,在感应熔炼炉来说Q值一般在10-14之间,对感应加热来说,则根椐偶合程度Q值为5-9之间。
什么是Q值,Q值是指线圈的感抗和线圈的电阻之比。也就是炉子的无功功率和有功功率之比。举例来说,250Kg的感应熔炼炉,其需要的有功功率为160kw.假定Q值为10,则其无功功率为1600 kfar,这样大的无功功率,很显然不能有电网供给,那样电网的容量将非常庞大而不经济,因此,必须用能提供无功功率的电容器进行补偿,这个原理就象一般工厂里补偿功率因数一样。
无功功率的补偿方法有二种,一种是补偿电容器和炉子串联,叫作串联补偿,补偿电容器和炉子并联的叫做并联补偿。针对二种不同的补偿方法,可以有两中不同的逆变线路,一种叫作串联逆变器,一种叫作并联逆变器,如图 5
两种逆变器的比较如下；
串联逆变器
并联逆变器
（1）输出电压为距形波
输出电压为正弦波
（2）输出电流为正弦波
输出电流为距型波
（3）炉子感应圈电压为逆
变器输出电压的Q倍
炉子感应圈电压等
于逆变器输出电压
（4）感应圈电流等于
逆变器电流
感应圈电流为逆变器
输出电流的Q倍
（5）使直流电压稳定直流
端并接有大的电容器
使直流电流恒定直流
端串接大的滤波电感
（6）用高电压的补偿电容
使用标准的补偿电容
（7）用反馈二极管
不要反馈二极管
2 单相桥式并联逆变器的工作原理
1)并联逆变器的基本线路如图6。
图中可控硅SCR1-SCR4组成了一个桥式线路,Ld为直流电抗器,L为感应炉,C为补偿电容, LC组成一个并联谐振线路。这个线路是如何工作,又是怎样把直流变为中频电流呢;我们首先来研究分析一下线路正常情况下是如何工作的。图7表示一个工作循环的情况。假设在图7(a)中,先是(1) (2)导通(3)(4)截止,则直流电流Id经电抗器Ld,可控硅(1)(2)流向LC谐振回,由于Ld的电感值比较大,Id受Ld的限止基本上不变化而保持恒定,LC谐振回路受到一个恒定电流的激励,而产生谐振,震荡电压为正弦波,也就是说电容器两端的电压为正弦波,(这相当于图7(a)及图8中时刻t1前的电流电压波形)假定在这一时刻电容器两端的电压极性左端为正,右端为负。电容器两端电压将按正弦波规律变化,如果我们在电容器两端电压尚未过零之前的某一时刻(图8中的时刻t1)触通可控硅(3)与(4),此时可形成可控硅(1)(2)(3)(4)同时导通的状态,(如图7(b)),由于可控硅(3)(4)的导通,电容器两端的电压通过可控硅(3)(4)加在可控硅(1)(2)上,阳极电压为负,阴极电压为正,可控硅(1)(2)两端由于承受一个反向电压而迅速关断,也就是说可控硅(1)(2)将电流换给可控硅(3)(4).换流以后,直流电流经电抗器Ld,可控硅(3)(4),从相反方向激励了谐振回路。电容器两端电压继续按正弦规律变化,而电容器两端电压的极性变成左端为负,右端为正,(如图7(c)),对应的波形图位图8中的t2—t3时刻。在负载回路中的电流也改变了方向。当电容器右端的正电压再要过零之前的某一时刻(这相当于图8中的t3时刻),再将可控硅(1)(2)触通则再次形成4个桥臂可控硅(1)(2)(3)(4)同时导通状态,但在此时使可控硅(3)(4)承受一个反向电压,而将电流换给了可控硅(1)(2),这就完成了一个工作循环。从上述换流过程中我们可以看出,当可控硅(1)(2)导同时电流自一个方向流入负载,当可控硅(3)(4)导通时电流从相反方向流入负载,可控硅(1)(2)与(3)(4)相互轮流导通和关断,就把一个直流变成了交流,可控硅(1)(2)与(3)(4)交替工作的次数也就决定了输出交流电的频率。这种变频线路因其换流过程是受负荷控制的,所以不需要外加另外的强迫换流装置,这是它和其它变频线路的不同之点,由于不需外加换流装置,因之这种变频线路的效率较高。适合在大功率的感应熔炼及加热中应用,所以这种线路对负载的依赖性也是较大的。
2)从上述分析的逆变器的换流过程还可以看出,换流过程必须在电容器电压过零之前的某一时刻进行,也就是电流必须超前电压某一时间。这一点在所介绍的线路中非常重要,不满足这一点,这种逆变线路是不能正常工作的。我们习惯上,把电流过零之点到电压过零之点这一段时间叫做引前触发时间tf ,为了保证可控硅(1)(2)与(3)(4)之间能可靠地进行换流,必须有一定的数值,不能太小。这主要是从下述三点考虑:1在换流过程中,为了确保即将换流的SCR可靠关断,必须加上足够的反向电压,反向电压过低则可能关不断。2必须确保一定的换流时间tr,在上面的分析中,假定换流是瞬时进行的,但实际上可控硅受一定的允许di/dt耐量的限制,换流是不能瞬时进行的,必须有一定的换流时间tr,这一点在后面还要叙述。3要有足够的关断时间toff使即将关断的可控硅进行关断。
3)什么是可控硅的关断时间,可控硅在导通状态下,它的三个结上积蓄有载流子,可控硅在关断时,需要一定的时间,使这些残留载流子,作为反向电流释放出来,才能使可控硅承受正向电压。(这种残留载流子的消失时间与可控硅的构造,结温,及关断前流过可控硅的电流等有关)如果残留载流子尚未完全消失,既加上正向电压,可控硅将重新再度导通。因此,引前触发时间tf必须大于换流时间tr与关断时间toff之和,既tf>tr+toff,不然的话,则可控硅尚未完全关断又将承受正向电压而再度导通,这就会造成非常危险的直通短路。但是，安全换流时间tr所对应的超前角α也不能太大,主要是考虑下面两个原因；(1)α角度增大,电容器两端电压Uc就要增高,这将受到电容器和可控硅所能承受电压的限制,在单相桥式逆变线路中,当直流输入电压为Ud,中频输出电压为Uc,则在Ud和Uc的有效值之间存在下述关系；Uc=1.1Ud/cosα。从式中可以看出,在输入直流电压Ud相同的条件下,当α角度增大,则cosα值减小,Uc将增大,也既加于电容器和可控硅两端的电压将增高。这一点受到所选用的电容器即可控硅的耐压限制。(2)中频输入的有功功率与α的关系：中频输出的有功功率P=Uc.ILcosα。式中可以看出在相同的中频电压电流条件下ɑ角愈大,有功功率输出愈小,如果要保持一定的输出功率，则ɑ角度愈大,则必须使输出中频电压,电流愈大,这样恶化了可控硅的工作条件。
4)综上所述,在目前考虑到可控硅的关断时间及所选用的可控硅元件,电容器的耐压水平,在输出中频频率1000Hz的情况下引前触发时间tf取100 µs左右,对应的角度ɑ大约是在30o-45o范围内。这一超前的无功功率仍是由电容器来补偿的,前面在介绍谐振回路时曾讲到应补偿到谐振状态,实际上补偿到谐振状态还不行,为了要保证我们这一线路能正常工作,必须要过补偿,即补偿到电流超前电压一个ɑ角的程度。在前面的分析当中,假定换流是瞬时完成的,就是说关闭的可控硅的电流是瞬时转换给导通的可控硅的,但是这样是不允许的,受到可控硅允许的电流上升率di/dt的限制,如果转换太快,可控硅将烧毁。这是因为,当可控硅触发以后,电流首先在控制极附近流通,然后才以每微秒大约0.1mm的速度从控制极中心向外扩展,最后电流扩展到整个硅片,这样将使硅片的某些区域发生过热而烧坏,可控硅允许的电流上升率di/dt数值,随频率,换流时阳极电压,电流峰值及结温的增高而下降。为了限制换流过程中的电流上升率di/dt必须在每个桥臂中串接一定数量的电感,但是这个换流电感值也不能太大,因为换流的重叠时间tr直接有这个换流电感决定,如果这个电感数值太大,则换流时间将拖长,当电流增大时,时间会更长,以致是总的时间大于安全换流时间tf,而是换流无法完成造成逆变失败。一般考虑tr=Id/di/dt,式中；I为流过可控硅的电流,di/dt为可控硅元件允许的电流上升率。因此；在中频频率1000Hz的电源装置中,电流超前电压ɑ角度一般设定在30o-45o之间。(这一点在所介绍的线路中非常重要,不满足这一点,这种逆变线路是不能工作的)
5)在具体的线路中,为了实现以上触发提前的要求,采用的是谐振回路的电压Uc和流过电容器的电流Ic的合成信号,因为两个信号的交差点位置刚好在tf所要求位置附近(如图9)。UC信号是从与电容器并联的中频电压互感器中取出,Ic信号从补偿电容器的一组Cs串联的电流互感器中取出,tf/c是一个比例常数。系统中Uc,Ic分别用两个电位器来调整(见图10(a)Uc. Ic信号的合成。通常称作频率跟踪电路)。
3 .单相桥式逆变线路触发脉冲形成的过程
1)合成信号的限幅。(见图10b）自中频电压互感器及中频电流互感器取得的信号,经WI,WU。D43,D44,D45,D46,合成后为一正弦波。通过 R101,R102降压限流后与D47,,D48组成双向限幅电路,把输入的正弦波信号变成双向梯形波,这一电路的作用除了形成梯形波以提高过零转换的准确度以外,还有限幅作用,因为在工作过程中输入合成信号变化较大,由于二极管的作用,使合成信号的电位始终被钳位在0.7v保证下一级安全工作。C53,C54是抗干扰电容，旁路干扰信号。
2)脉冲方波的形成（见图10b）所示。双比较器集成块LM393的两个比较器,共同组成双向比较器电路。（实际上也叫窗口式比较器）当合成信号正半周到来时,3角为高电位2角低电位,比较器1角输出一个方波信号。当合成信号负半周到来时5角为高电位, 6角低电位, 7角输出一个方波信号。此两路方波送入下一级进行双稳态触发及分频处理。
3）双稳态触发及分频的实现。(见图10c)在线路里由4与非门TC4011集成块来组成双稳态触发电路,其主要作用是分频和整形,目的是对双向比较器电路送来的方波脉冲作进一步整形,并把输入脉冲分成互差180o的两组前沿陡峭方波。使其相位更加准确,工作稳定可靠。
4)脉冲功率放大及变压器偶和环节。（见图10d）自双稳态触发器两个输出端送来的2个相位互差180o的方波,分别经电容C64,C59进行微分,使触发脉冲的宽度设定在45o左右并偶合给有两只大功率 MOS管组成的脉冲功率放大电路,对脉冲信号进行功率放大,保证其足够的功率输出,实现强触发的目的。每个脉冲功率放大级带动一只脉冲输出变压器,每只变压器输出分4组,经整形电路整形后,分别去触发对角的两组桥臂8只可控硅,达到对逆变器进行良好触发的目的,使逆变器两组对角桥臂象工作原理中讲到的那样,工作在良好状态。
4 逆变可控硅的选定。
1)根据中频电源的工作频率段选定；
频率在100HZ--- 500HZ的选定关断时间在20µs-45µs的KK型可控硅。
频率在500HZ--- 1000HZ的选定关断时间在18µs-25µs的KK型可控硅。
频率在1000HZ---2500HZ的选定关断时间在12µs-18µs的KK型可控硅。
频率在2500HZ---4000HZ的选定关断时间在10µs-14µs的KKG型可控硅。
频率在4000HZ---8000HZ的选定关断时间在6µs—-9µs的KA型可控硅。
2)根据中频电源的输出功率选定；
根据并联桥式逆变线路的理论计算,流过每个可控硅的电流是总电流的0.455倍,考虑留有足够的裕量,通常都选定和额定电流同样大小的可控硅。
功率在50KW----100KW 的选定电流300A/1400V的可控硅。(380V进相电压)
功率在100KW—-250KW 的选定电流500A/1400V的可控硅。(380V进相电压)
功率在350KW—-400KW 的选定电流800A/1600V的可控硅。(380V进相电压)
功率在500KW—-750KW的选定电流1500A/1600V的可控硅。(380V进相电压)
功率在800KW—1000KW的选定电流1500A/2500V的可控硅。(660V进相电压)
功率在1200KW-1600KW的选定电流2000A/2500V的可控硅。(660V进相电压)
功率在1800KW-2500KW的选定电流2500A/3000V的可控硅。(660V进相电压)
三 系统的保护
本系统设置有多重保护系统,第一道有限压限流保护,第二道有过压过流保护,第三道有自动断路器(DW-16空气开关)作装置的短路电流保护。装置还分别设置有；冷却水欠压断水保护,快速熔断器保护,进相空芯电抗器保护,可控硅阻容吸收保护。
1三相桥式整流电路的短路保护
为了使在整流硅发生击穿时不使进相电压发生短路,一般在电路里每个整流桥臂都串联快速熔断器,以保护每个桥臂的可控硅。为限制相间短路时的电流上升率,不致超过可控硅元件本身的允许值,在交流进线处串有空芯电抗器。空芯电抗器的另一个作用是,使整流可控硅在换相过程中限制电流的上升率,对可控硅起到了一定的保护作用。
2 逆变端过流及过压保护
1)逆变端产生过电流的原因如下；
(1)运行中负载的波动引起过流。感应炉在熔炼过程中负载波动很大,尤其是在熔炼的初期参数变化的更为激烈,往往造成过电流。
(2)运行中桥式逆变器,两对桥臂可控硅换流失误,逆变失败,所引起的短路电流。
(3)运行中桥式逆变器可控硅触发脉冲突然中断,造成桥臂对角线可控硅斜通短路,所引起的短路电流。
还有其它各种原因引起的过电流,这种逆变侧的过电流采用快速熔断器保护将不是经济可靠的办法。
2)逆变端产生过电压的原因如下；
(1)(中频电压Uc=1.1Ud/cosɑ 。由于超前角ɑ过大在整流电压Ud恒定时,造成中频电压Uc过高。
(2)逆变触发脉冲的时刻是有Uc和-Ic信号的交点决定的,如果自电压互感器来的Uc信号突然中断。则此交点将由Ic信号决定,ɑ将迅速增大,从而造成中频电压Uc过高。
(3)炉子感应圈突然开路造成过电压。
(4)可控硅在导通与关断时产生的尖峰过电压。
3 对逆变端的过流及过电压均采用脉冲封锁方法来保护的。
1)下面简单说明一下脉冲封锁的动作原理。
(1) 当三相桥式全控整流电路中,直流输出端发生短路时,迅速将整流触发脉冲移到最小ß角(例如ß=30o,相当于ɑ=150o处)以产生一反电压来快速关断整流可控硅,切断短路电流。这种将整流触发脉冲有整流装置快速移到封锁位置的方法,就叫做脉冲封锁。脉冲封锁不能简单理解为将脉冲去掉.实际上三相桥式全控整流电路是工作在逆变状态。（这里所说的逆变和我们讲的中频逆变器完全是两个概念,不可混同）
(2) 当逆变电路发生短路时,电流迅速增大,此时有直流电抗器的存在,接近于整流输出的电压全部加在电抗器Ld的两端,Ld将产生强大的磁能。如不将整流电路立即封锁脉冲,磁能将无法释放,危害是不可估量的,必须是整流桥处在逆变状态才能把这一能量反馈给交流供电电网。随时间的推移Ua将逐步减小为零,电流也相应减小为零,整流可控硅而关断,使其达到保护的目的。
(3) 在本系统实际的保护环节中过电流信号取自交流进线端的三只穿心式电流互感器,三只电流互感器接成星形联接,再有三只5/0.1互感器进行变换,以星形接入主控板的K1,K2,K3,经三相桥式整流后以电压的形式取出。过电压信号取自中频电压互感器,经单相桥式整流后取出(见图11),电位器W7的动端位置决定过电流的保护整定值。4比较器LM339分两组分别担任过流过压的任务,5角接有一基准电压,电位器动端输出的电流信号接于6角,此时与5角进行比较,当电流信号电压大于(取的是负电压)基准电压时比较器2角将输出高电位,分四路输出,一路使U3B负输入端6角电位高于正输入端7角电位，1角输出低电位，锁定U3A，保证2角输出高电位。一路经三极管驱动继电器带动门板指示灯作为外指示,一路送入控制回路使整流触发脉冲迅速移到最小ß位置相当于ɑ=150o.使整流触发脉冲处在封锁状态,(整流触发集成块TC787C的4角是触发移相控制端,低电位移相,高电位封锁)同理电位器W8动端的位置决定了过电压的保护整定值。一旦发生过电流或过电压,通过保护电路使其达到脉冲封锁的目的。一般情况下过电流过电压值整定在额定工作电流电压的1.2倍较合适。
(4) 本系统的保护复位采用的是功率电位器回零自动复位装置,原理是这样的;当系统发生保护动作时,比较器的正输入端电位高于负输入端电位,处在自锁状态,只有使正输入端电位低于负输入端电位方可解除自锁状态。过程是这样的,设备在正常工作时功率电位器的动端074接近于 073,电位较低U1C负输入端9角电位低于正输入端10角电位，输出端8角高电位，处于正常状态。当功率电位器回零时,074靠近075,电位相应较高使UIC反转输出低电位，解除过流过压的自锁状态。达到保护复位的目的。
2) 本系统还分别设有限流限压保护系统，W5.W9动端的位置决定了限流限压的整定值。它们的工作原理是这样的:四运放集成块LM324的两组分别负担限流限压的工作。首先6角13角分别接有5 V基准电压,W5.W9动端送来的电流电压信号(以负的形式输出)接于6角13角,分别与基准电压进行比较,当中频电源的工作电流或电压达到额定值时相应的在W5,W9检出信号,如负于比较器的基准电位,比较器将进行运算并从7角14角分别输出高电位与整流给定电压合并,拉高给定电压使整流触发移相α发生变化,整流输出电压降低,系统的工作电流或中频电压将降低,与此同时W5W9检出的信号跟着降低,运算器的7角14角输出电压降低,给定电压降低,整流触发脉冲α角变小,(触发电路的移相是给定电压低电位时触发脉冲移相,高电位时触发脉冲封锁)直流输出电压提升。这样又回到动作的初始状态,电路将进行又一次系列转换,其结果是保持在限流或限压设定值范围内不变。达到其限流限压的目的。
3) 本系统还在整流可控硅和逆变可控硅的阳极阴极两端设有阻容吸收回路,（如原理图)对可控硅在关断时产生的尖峰脉冲进行吸收,以免造成尖峰电压击穿可控硅。其原理很简单,大家都知道电容的特性使两端电压不能突变,电容量一定,电阻值一定其充放电时间一定。在可控硅换相过程中产生的尖峰脉冲宽度较窄,通过电阻对电容充电,其结果是电压来不及建立周期已过去。因为阻容保护的充放电时间常数远大于尖峰脉冲的时间常数,故对可控硅起到了保护作用。另外在逆变回路里每个桥臂里的两个可控硅的阳极阴极两端还接有均压电阻,其作用是在桥臂关端期间使两端的电压被电阻分压,每个可控硅承受1/2的电压。当桥臂再次导通时,不会使单硅承受全部电压而造成不良的后果,相应的起到了保护作用。