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集成化可控硅中頻電源技術(shù)說(shuō)明書(shū)
第一節(jié) 概述
KGPS型可控硅中頻電源是一種靜止變頻裝置,利用可控硅元件將工頻三相交流電源變換成中頻單相交流電源,主要應(yīng)用于感應(yīng)加熱.感應(yīng)熔煉及其他需要中頻電源供電的場(chǎng)合.由于它具有整機(jī)效率高,重量輕,噪音小,起停迅速而且對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊,頻率自動(dòng)跟蹤負(fù)載參數(shù)變化,功率調(diào)節(jié)方便等一系列優(yōu)點(diǎn).因而,它正在逐步取代中頻發(fā)電機(jī)組.本裝置主電路采用"交流——直流——交流"變換系統(tǒng)由三相全控橋式整流電路,電感慮波電路,并聯(lián)逆變電路組成.可控硅元件用水冷卻.其控制系統(tǒng)由集成電路組成性能穩(wěn)定,可靠.啟動(dòng)采用先進(jìn)的零電壓方式,安全,方便.維修簡(jiǎn)便,經(jīng)濟(jì),特別適用于金屬溶煉、加熱及熱處理工況.
第二節(jié) 使用條件
(一)、環(huán)境條件及建筑設(shè)施
１、本設(shè)備應(yīng)安裝于無(wú)劇烈震動(dòng)，無(wú)導(dǎo)電塵埃，無(wú)腐蝕性氣體，氣溫不高于40℃，相對(duì)濕度不大于85%，的室內(nèi)。
２、本電源室應(yīng)有防蟲(chóng)，防鼠，防蛇的措施，應(yīng)有排氣通風(fēng)的設(shè)備，應(yīng)有消防設(shè)備。
３、地溝應(yīng)有防水水泥結(jié)構(gòu)，上鋪木板或水泥板并有排水設(shè)備，通風(fēng)和散熱良好。
４、本電源主機(jī)外殼應(yīng)良好接地，(按一般低壓電氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)接地，并允許重復(fù)接地)應(yīng)有人身安全措施及電氣防護(hù)用品。
５、在設(shè)計(jì)冷卻設(shè)備時(shí)，應(yīng)考慮外界停電時(shí)，能向爐子供給冷卻水的備用水源。
(二)、對(duì)冷卻水的要求
１、PH值: 6～8
２、電阻率： 20kΩ/cm
３、無(wú)沙石雜物
４、進(jìn)水溫度： 5～30℃
５、進(jìn)口水壓： 0.12～0.15Mpa
６、水量： 8 噸/時(shí)
７、出水管內(nèi)徑大于３英寸(開(kāi)放式出水箱出水管)
(三)、主接線
１、電源進(jìn)線，采用銅芯電纜線，每相截面積：100kW不小于 70mm2，160kW不小于95mm2，250kW不小于185mm2，500kW不小于300mm2。
２、電源逆變輸出線采用矩形銅排：100kW：3×40mm2，160kW：3×50mm2.250kW：3×60mm2。500kW：5×80mm2。750kW：8×80mm2。
(四)、電網(wǎng)電壓應(yīng)為正弦波，總諧振(HTD)失真不大于50%，電網(wǎng)輸入為三相交流壓為380V(高壓設(shè)備為660V)，電壓持續(xù)波動(dòng)范圍不得超過(guò)±20%，電網(wǎng)電壓的頻率變化不得超過(guò)±2%，即頻率應(yīng)保持在50±1Hz范圍內(nèi)，三相電壓間不平衡度應(yīng)小于±5%。
(五)、其它注意事項(xiàng)
為防止在運(yùn)輸中，中頻電容受震動(dòng)而跌倒，本裝置的電容器上裝有上壓緊件和下壓緊件，用戶廠在安裝時(shí)須拆去，以免運(yùn)行時(shí)，電容器對(duì)地短路。
第三節(jié) 技術(shù)規(guī)范
(一)、設(shè)備額定輸入: 三相交流電、頻率為50赫茲(60赫茲)、線電壓為380伏(高壓設(shè)備有660V,750V,950V,1050V,1250V,1450V等多種)
(二)、設(shè)備額定輸出：如表一所示；在額定電壓或額定負(fù)載下，輸出功率可平滑連續(xù)調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)范圍為額定功率的5% — 100%；
(三)、能防止開(kāi)關(guān)操作時(shí)的過(guò)電壓（如QF開(kāi)合、RS熔斷等）；
（四）當(dāng)輸出電壓超過(guò)最大輸出電壓的1.1—1.2倍或超過(guò)電壓整定值時(shí)，過(guò)電壓保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作，使裝置自動(dòng)停止工作，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)——點(diǎn)亮儀表箱過(guò)壓指示燈；
（五）當(dāng)逆變橋直通短路時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)立即動(dòng)作，使裝置自動(dòng)停機(jī)，并發(fā)出過(guò)流指示信號(hào)——點(diǎn)亮儀表箱過(guò)流指示燈；
（六）如輸出電流超過(guò)整定值時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)同樣使裝置自動(dòng)停機(jī)，并發(fā)出過(guò)流指示信號(hào)——點(diǎn)亮儀表箱過(guò)流指示燈；
（七）水冷系統(tǒng)工作壓力低于一定值時(shí)，本機(jī)能自動(dòng)停機(jī)，并點(diǎn)亮面板上的水壓指示燈；
（八）本機(jī)設(shè)有限流、限壓環(huán)節(jié)，使輸入電流和輸出電壓限制在設(shè)定值內(nèi)。
表一
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序號(hào)
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型 號(hào)
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中頻頻率
Hz
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中頻功率
kW
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最大中頻電壓
V
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最大直流電流
A
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1
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KGPS-25/8
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8000
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25
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720
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50
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2
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KGPS-50/2.5
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2500
|
50
|
720
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100
|
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3
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KGPS-50/8
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8000
|
50
|
720
|
100
|
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4
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KGPS-100/1
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1000
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100
|
720
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200
|
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5
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KGPS-100/4
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4000
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100
|
720
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200
|
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6
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KGPS-160/1
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1000
|
160
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720
|
320
|
|
7
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KGPS-160/4
|
4000
|
160
|
720
|
320
|
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8
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KGPS-250/1
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1000
|
250
|
750
|
500
|
|
9
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KGPS-250/4
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4000
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250
|
750
|
500
|
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10
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KGPS-500/1
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1000
|
500
|
750
|
1000
|
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11
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KGPS-1000/1
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1000
|
1000
|
750
|
2000
|
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12*
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KGPS-1000/1
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1000
|
1000
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1200
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1200
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13*
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KGPS-1250/0.5
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500
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1250
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1200
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1400
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14*
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KGPS-1500/0.5
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500
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1500
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1200
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1600
|
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15*
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KGPS-2000/0.5
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500
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2000
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1200
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2200
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注：
(1)中頻輸出不同與表一 時(shí)，本公司可根據(jù)用戶要求按照GBK46001-87，GB10067.3-88，GB5959.3-88標(biāo)準(zhǔn)另行設(shè)計(jì)制造。
(2)表中所列數(shù)據(jù)打*號(hào)的型號(hào)三相進(jìn)線電壓為660伏。其余型號(hào)三相進(jìn)線電壓為380伏
(3)線路形式：交流-直流-交流(并聯(lián)或串并聯(lián)逆變)
第四節(jié) 工作原理
本機(jī)的主電路框圖如[圖1]所示。整流器采用三相橋式全控整流電路，逆變器采用單相橋式逆變電路，負(fù)載為并聯(lián)諧振形式，直流濾波環(huán)節(jié)為大電感濾波，以滿足并聯(lián)逆變器的輸入要求。 
[圖1] 交——直——交變換器
（1）三相橋式全控整流電路[圖2]
三相橋式全控整流電路的輸出電壓為：
Ud=2.34U2cosa……………………………………………（1）
式中，U d——輸出直流電壓平均值；
U2———電網(wǎng)相電壓
a —— 觸發(fā)移相角
[圖3]給出了在不同a角下的輸出電壓的波形（在感性負(fù)載和電流非斷續(xù)狀態(tài)下）。其中a>90°的狀態(tài)稱(chēng)為整流的逆變工作狀態(tài)，其實(shí)質(zhì)是負(fù)載向電網(wǎng)反饋能量。
整流觸發(fā)電路采用數(shù)字集成電路構(gòu)成，所采用芯片的型號(hào)、功能及有關(guān)說(shuō)明如表二所示。
表 二
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編 號(hào)
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名 稱(chēng)
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型 號(hào)
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用 途
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U101
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四運(yùn)放
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LM324
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限幅放大
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U102、U103
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四異或門(mén)
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CD4070
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過(guò)零檢測(cè)及整形
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U104~U106
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2輸入或非門(mén)
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CD4001
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或非邏輯
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U107~U109
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14級(jí)二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器
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CD 4020
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分頻
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U110~U112
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雙時(shí)基電路
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556
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脈沖整形調(diào)制
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U113
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單時(shí)基電路
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555
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產(chǎn)生調(diào)制脈沖
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本裝置的整流觸發(fā)同步信號(hào)由同步變壓器提供，經(jīng)RC濾波及比較放大，找出觸發(fā)同步信號(hào)的過(guò)  零點(diǎn)，再由數(shù)字計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)延時(shí)。觸發(fā)脈寬由555構(gòu)成的單穩(wěn)確定，并由555進(jìn)行高頻調(diào)制，以減小觸發(fā)脈沖變壓器的體積。本觸發(fā)電路具有抗干擾能力強(qiáng)、延時(shí)準(zhǔn)確、調(diào)試方便、觸發(fā)可靠、功耗低及體積小的優(yōu)點(diǎn)。
（二）單相橋式并聯(lián)逆變電路[圖4]
并聯(lián)逆變器的基本線路如 [圖4]所示。圖中V7— V10組成了一個(gè)橋式逆變電路，Ld為直流濾波電感，Lr為感應(yīng)爐等效電路，C為補(bǔ)償電容，由L、r、C組成一個(gè)并聯(lián)諧振電路。
Ld使整流橋輸出的直流電流連續(xù)，電流紋波減小，這樣可近似地把整流橋輸出電流看成一平直電流。Ld的另一個(gè)作用是限制中頻電流進(jìn)入工頻電網(wǎng)，起隔離作用；當(dāng)逆變失敗時(shí)，它也起限制浪涌電流的作用。
逆變橋由四只橋臂構(gòu)成，每一臂為一只晶閘管和一個(gè)限流電抗器串聯(lián)組成。限流的作用是限制逆變晶閘管導(dǎo)通時(shí)的電流上升率(di/dt),使它不超過(guò)允許的數(shù)值。如果橋臂中V7、 V10和V8、V9輪流導(dǎo)通，便將直流Id逆變?yōu)樵谪?fù)載中流動(dòng)的電頻電流。
為使逆變器正常工作，其工作頻率應(yīng)高于負(fù)載諧振頻率。此時(shí)負(fù)載回路對(duì)輸入的中頻梯形電流中的高次諧波電流呈現(xiàn)低阻抗，對(duì)中頻梯形波電流中的基波電流呈現(xiàn)高阻抗，因而使輸出電壓接近正弦波。逆變電路有關(guān)波形示于[圖5]。 
[圖4] 逆變主電路及觸發(fā)檢測(cè)電路 
由于逆變工作頻率略高于負(fù)載諧振頻率,使晶閘管獲得一定的換相關(guān)斷時(shí)間tj,從[圖5]可以看出,j也是負(fù)載功率因數(shù)角.從數(shù)學(xué)分析可知,中頻負(fù)載電壓對(duì)輸主直流電壓有如下關(guān)系:
UL=1.11Ud/cosj……………………………………………（2）
為了提高輸出額定功率因數(shù)角,應(yīng)盡量減小tj,但tj的減小就意味著逆變晶閘管道關(guān)斷時(shí)間的減小,這不利于逆變器的可靠工作.,加外通常加大換相關(guān)斷時(shí)間tf會(huì)增加晶閘管的電壓定額.因此需兩者兼顧,通常取j=30°左右.由于中頻電源負(fù)載參數(shù)(L、r)隨著工件的多少和工件溫度 的變化而變化,因此負(fù)載頻率也是隨時(shí)間變化的.為了獲得恒定的引前時(shí)間以保證可靠換流,逆變頻率必須隨著負(fù)載諧振頻率而變,并始終略高于負(fù)載諧振頻率,這就是說(shuō),逆變觸發(fā)電路不能采用恒定的頻率的他激方式,而必須采用自激方式,即自動(dòng)跟蹤負(fù)載頻率。
逆變觸發(fā)同步信號(hào)是由中頻輸出電壓和補(bǔ)償電容電流的取樣信號(hào)合成的，該合成信號(hào)滯后于補(bǔ)償電容電流而超前于中頻輸出電壓，其過(guò)零時(shí)刻即為逆變觸發(fā)時(shí)刻。可見(jiàn)逆變觸發(fā)頻率始終略高于負(fù)載諧振頻率。
逆變觸發(fā)同步信號(hào)為中頻正弦信號(hào)，經(jīng)高靈敏度的比較器LM311轉(zhuǎn)換為方波，在方波的上跳沿及下跳沿各送出一個(gè)寬度一定的脈沖到相應(yīng)的逆變晶閘管，即可完成頻率自動(dòng)跟蹤的逆變觸發(fā)。
第五節(jié) 中頻電源的調(diào)功、控制、保護(hù)及起動(dòng)
一、調(diào)功
中頻電源的功率就是逆變器的輸入功率，它可以用下式表示：
Pout=UL2/Roe………………………………………………（3）
式中，UL——負(fù)載中頻電壓；
Roe——負(fù)載回路的交流等效阻抗。
對(duì)采用并聯(lián)逆變的中頻電源，其中頻電壓UL可用（2）式表示，它對(duì)直流電壓成正比關(guān)系。由此可見(jiàn)，調(diào)節(jié)整流橋輸出電壓的大小，就可調(diào)節(jié)中頻電源的輸出功率，而整流輸出電壓是通過(guò)控制整流觸發(fā)移相角來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
在第四節(jié)中曾指出，整流觸發(fā)脈沖的延時(shí)是通過(guò)數(shù)字計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)的。由于計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)設(shè)定值是一定的，因此改變計(jì)數(shù)脈沖的周期就可改變觸發(fā)脈沖的延遲時(shí)間。
電壓控制電路中的CD4046集成芯片就是用來(lái)構(gòu)成壓控振蕩器的，調(diào)功旋鈕輸出的電壓信號(hào)送到壓控振蕩器的壓控輸入端，就可改變振蕩頻率，從而改變整流觸發(fā)移相角。
二、控制
對(duì)并聯(lián)逆變中頻電源而言，設(shè)計(jì)的控制電路有電流負(fù)反饋控制電路、限流調(diào)節(jié)電路和限壓調(diào)節(jié)電路。
電流負(fù)反饋信號(hào)隨交流電網(wǎng)輸入電流的增加而線性增加，該信號(hào)輸入到壓控振蕩器的壓控端，逐漸降低壓控振蕩器的振蕩頻率，起到電流負(fù)反饋的作用，調(diào)節(jié)電位器P303可調(diào)節(jié)負(fù)反饋的強(qiáng)弱。
限流調(diào)節(jié)電路和限壓調(diào)節(jié)電路實(shí)際上是兩個(gè)P I調(diào)節(jié)器，它們分別由U203：C和U303：C構(gòu)成，監(jiān)視電源的電網(wǎng)輸入電流和中頻輸出電壓，如發(fā)現(xiàn)超出設(shè)定值（分別由電位器P302和P202設(shè)定），就輸出一定的電壓去降低壓控振蕩器的頻率，也即增大整流相控觸發(fā)角，降低整流輸出電壓，從而限制了電流和電壓的繼續(xù)增加，起到自動(dòng)控制作用。
本裝置的控制電路具有限壓限流特性陡峭、穩(wěn)定、沒(méi)有低頻振蕩或蕩幅極小的優(yōu)點(diǎn)。
需要說(shuō)明的是，所有的控制信號(hào)及手動(dòng)調(diào)功信號(hào)通過(guò)加法器U203：A合成為一個(gè)電壓信號(hào)來(lái)控制壓控振蕩器的振蕩頻率的。
三、保護(hù)
中頻電源的保護(hù)功能是針對(duì)電源的各種異常和故障而設(shè)計(jì)的。主要有過(guò)電流保護(hù)電路和過(guò)電壓保護(hù)電路。
在第四節(jié)曾經(jīng)指出，整流觸發(fā)移相角a>90° 的狀態(tài)稱(chēng)為整流橋的逆變工作狀態(tài)，其實(shí)質(zhì)是負(fù)載向電網(wǎng)反饋能量，利用這一特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)電源的自我快速保護(hù)。例如，當(dāng)電源出現(xiàn)負(fù)載短路或逆變橋直通時(shí)，直流電流和電網(wǎng)輸入電流將迅速增加，保護(hù)電路監(jiān)測(cè)到有這信號(hào)后，立即將整流移相角增大至大于90°（一般150°左右），則電流開(kāi)始下降，濾波電感中儲(chǔ)存的能量全部反饋回電網(wǎng)，從而起到保護(hù)作用。
過(guò)電流保護(hù)電路監(jiān)視三相進(jìn)線電網(wǎng)電流。當(dāng)電流超過(guò)整定值時(shí)，由U301：A構(gòu)成的比較器輸出負(fù)脈沖，將觸發(fā)器U301：B的輸出置位為高電平“1”，該信號(hào)使壓控振蕩器停振（此時(shí)整流觸發(fā)移相角增至150°），即整流橋進(jìn)入逆變工作狀態(tài)，同時(shí)點(diǎn)亮過(guò)流指示燈以報(bào)警。
過(guò)電壓保護(hù)電路用于保護(hù)逆變晶閘管免受中頻電壓（即并聯(lián)補(bǔ)償電容的電壓過(guò)高）的損壞，其工作原理與電流保護(hù)電路是一樣的，但過(guò)電壓信號(hào)除使壓控振蕩器停振和點(diǎn)亮過(guò)電壓指示燈外，還短時(shí)間開(kāi)啟一個(gè)高頻振蕩器（振蕩頻率大于10kHz），高頻振蕩器的工作時(shí)間大約為100mS，高頻脈沖同時(shí)加到四只逆變管的門(mén)極，致使逆變橋直通，即逆變晶閘管不承受電壓，補(bǔ)償電容的能量在負(fù)載中迅速消耗，而儲(chǔ)能電感中的能量反饋回電網(wǎng)，并自動(dòng)停機(jī)。
本裝置的保護(hù)電路具有保護(hù)速度快（尤其是過(guò)電壓保護(hù)電路）、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。
四、起動(dòng)
在逆變器及其觸發(fā)電路一節(jié)中已談及，為使逆變器正常工作，逆變觸發(fā)頻率應(yīng)略高于負(fù)載諧波頻率。因負(fù)載參數(shù)隨工件的多少及工件的溫度等因素而變化。故逆變器觸發(fā)信號(hào)應(yīng)來(lái)自負(fù)載本身。但是逆變器未工作時(shí)是無(wú)信號(hào)可取的，這就產(chǎn)生了逆變器起動(dòng)的問(wèn)題。本裝置采用獨(dú)有的直接起動(dòng)法（或稱(chēng)為零電壓起動(dòng)）：
1、在電流取樣電路中串聯(lián)了正反向相并二極管，由于二極管的非線性伏安特性，在起動(dòng)之初，電流信號(hào)較強(qiáng)，起動(dòng)的角度較大，因而逆變管的關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)，彌補(bǔ)了起動(dòng)時(shí)關(guān)斷反壓低、起動(dòng)能力弱的不足。正常工作時(shí)，二極管的等效阻抗低，j角又減小至正常工作要求值。
2、在起動(dòng)電路中，逆變觸發(fā)器脈沖形成電路采用了高靈敏度的電壓比較器LM311，從而提高了啟動(dòng)電路的靈敏度。
3、為使晶閘管中頻電源在a角的控制電壓Ua的上升過(guò)程中直接自行起動(dòng)，本裝置設(shè)計(jì)了自起動(dòng)電路。比較器的U304：B監(jiān)視直流電流，比較器的U304：A監(jiān)視中頻電壓。當(dāng)直流電流信號(hào)已經(jīng)建立，而中頻信號(hào)仍然沒(méi)有，則直流信號(hào)使Ua降至0，即自動(dòng)停機(jī)。待逆變橋恢復(fù)阻斷后，再重新上升，如中頻信號(hào)在直流信號(hào)之前建立，則標(biāo)明逆變電路已經(jīng)起振，起動(dòng)成功，此時(shí)直流信號(hào)不再起作用，Ua繼續(xù)上升至給定值。
本裝置的起動(dòng)電路具有簡(jiǎn)單、快速、安全的優(yōu)點(diǎn)
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