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集成化可控硅中頻電源技術說明書
第一節 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,主要應用于感應加熱.感應熔煉及其他需要中頻電源供電的場合.由于它具有整機效率高,重量輕,噪音小,起停迅速而且對電網無沖擊,頻率自動跟蹤負載參數變化,功率調節方便等一系列優點.因而,它正在逐步取代中頻發電機組.本裝置主電路采用"交流——直流——交流"變換系統由三相全控橋式整流電路,電感慮波電路,并聯逆變電路組成.可控硅元件用水冷卻.其控制系統由集成電路組成性能穩定,可靠.啟動采用先進的零電壓方式,安全,方便.維修簡便,經濟,特別適用于金屬溶煉、加熱及熱處理工況.
第二節 使用條件
(一)、環境條件及建筑設施
１、本設備應安裝于無劇烈震動，無導電塵埃，無腐蝕性氣體，氣溫不高于40℃，相對濕度不大于85%，的室內。
２、本電源室應有防蟲，防鼠，防蛇的措施，應有排氣通風的設備，應有消防設備。
３、地溝應有防水水泥結構，上鋪木板或水泥板并有排水設備，通風和散熱良好。
４、本電源主機外殼應良好接地，(按一般低壓電氣設備標準接地，并允許重復接地)應有人身安全措施及電氣防護用品。
５、在設計冷卻設備時，應考慮外界停電時，能向爐子供給冷卻水的備用水源。
(二)、對冷卻水的要求
１、PH值: 6～8
２、電阻率： 20kΩ/cm
３、無沙石雜物
４、進水溫度： 5～30℃
５、進口水壓： 0.12～0.15Mpa
６、水量： 8 噸/時
７、出水管內徑大于３英寸(開放式出水箱出水管)
(三)、主接線
１、電源進線，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)、電網電壓應為正弦波，總諧振(HTD)失真不大于50%，電網輸入為三相交流壓為380V(高壓設備為660V)，電壓持續波動范圍不得超過±20%，電網電壓的頻率變化不得超過±2%，即頻率應保持在50±1Hz范圍內，三相電壓間不平衡度應小于±5%。
(五)、其它注意事項
為防止在運輸中，中頻電容受震動而跌倒，本裝置的電容器上裝有上壓緊件和下壓緊件，用戶廠在安裝時須拆去，以免運行時，電容器對地短路。
第三節 技術規范
(一)、設備額定輸入: 三相交流電、頻率為50赫茲(60赫茲)、線電壓為380伏(高壓設備有660V,750V,950V,1050V,1250V,1450V等多種)
(二)、設備額定輸出：如表一所示；在額定電壓或額定負載下，輸出功率可平滑連續調節，其調節范圍為額定功率的5% — 100%；
(三)、能防止開關操作時的過電壓（如QF開合、RS熔斷等）；
（四）當輸出電壓超過最大輸出電壓的1.1—1.2倍或超過電壓整定值時，過電壓保護系統動作，使裝置自動停止工作，并發出報警信號——點亮儀表箱過壓指示燈；
（五）當逆變橋直通短路時，保護系統立即動作，使裝置自動停機，并發出過流指示信號——點亮儀表箱過流指示燈；
（六）如輸出電流超過整定值時，保護系統同樣使裝置自動停機，并發出過流指示信號——點亮儀表箱過流指示燈；
（七）水冷系統工作壓力低于一定值時，本機能自動停機，并點亮面板上的水壓指示燈；
（八）本機設有限流、限壓環節，使輸入電流和輸出電壓限制在設定值內。
表一
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序號
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型 號
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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
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720
|
100
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3
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KGPS-50/8
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8000
|
50
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720
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100
|
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4
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KGPS-100/1
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1000
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100
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720
|
200
|
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5
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KGPS-100/4
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4000
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100
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720
|
200
|
|
6
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KGPS-160/1
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1000
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160
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720
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320
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7
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KGPS-160/4
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4000
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160
|
720
|
320
|
|
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
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500
|
750
|
1000
|
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11
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KGPS-1000/1
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1000
|
1000
|
750
|
2000
|
|
12*
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KGPS-1000/1
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1000
|
1000
|
1200
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1200
|
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13*
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KGPS-1250/0.5
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500
|
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
|
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
|
2200
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注：
(1)中頻輸出不同與表一 時，本公司可根據用戶要求按照GBK46001-87，GB10067.3-88，GB5959.3-88標準另行設計制造。
(2)表中所列數據打*號的型號三相進線電壓為660伏。其余型號三相進線電壓為380伏
(3)線路形式：交流-直流-交流(并聯或串并聯逆變)
第四節 工作原理
本機的主電路框圖如[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，負載為并聯諧振形式，直流濾波環節為大電感濾波，以滿足并聯逆變器的輸入要求。 
[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———電網相電壓
a —— 觸發移相角
[圖3]給出了在不同a角下的輸出電壓的波形（在感性負載和電流非斷續狀態下）。其中a>90°的狀態稱為整流的逆變工作狀態，其實質是負載向電網反饋能量。
整流觸發電路采用數字集成電路構成，所采用芯片的型號、功能及有關說明如表二所示。
表 二
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編 號
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名 稱
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型 號
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用 途
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U101
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四運放
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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
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CD4070
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過零檢測及整形
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U104~U106
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2輸入或非門
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CD4001
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或非邏輯
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U107~U109
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14級二進制串行計數器
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CD 4020
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分頻
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U110~U112
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雙時基電路
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556
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脈沖整形調制
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U113
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單時基電路
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555
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產生調制脈沖
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本裝置的整流觸發同步信號由同步變壓器提供，經RC濾波及比較放大，找出觸發同步信號的過  零點，再由數字計數器計數延時。觸發脈寬由555構成的單穩確定，并由555進行高頻調制，以減小觸發脈沖變壓器的體積。本觸發電路具有抗干擾能力強、延時準確、調試方便、觸發可靠、功耗低及體積小的優點。
（二）單相橋式并聯逆變電路[圖4]
并聯逆變器的基本線路如 [圖4]所示。圖中V7— V10組成了一個橋式逆變電路，Ld為直流濾波電感，Lr為感應爐等效電路，C為補償電容，由L、r、C組成一個并聯諧振電路。
Ld使整流橋輸出的直流電流連續，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的另一個作用是限制中頻電流進入工頻電網，起隔離作用；當逆變失敗時，它也起限制浪涌電流的作用。
逆變橋由四只橋臂構成，每一臂為一只晶閘管和一個限流電抗器串聯組成。限流的作用是限制逆變晶閘管導通時的電流上升率(di/dt),使它不超過允許的數值。如果橋臂中V7、 V10和V8、V9輪流導通，便將直流Id逆變為在負載中流動的電頻電流。
為使逆變器正常工作，其工作頻率應高于負載諧振頻率。此時負載回路對輸入的中頻梯形電流中的高次諧波電流呈現低阻抗，對中頻梯形波電流中的基波電流呈現高阻抗，因而使輸出電壓接近正弦波。逆變電路有關波形示于[圖5]。 
[圖4] 逆變主電路及觸發檢測電路 
由于逆變工作頻率略高于負載諧振頻率,使晶閘管獲得一定的換相關斷時間tj,從[圖5]可以看出,j也是負載功率因數角.從數學分析可知,中頻負載電壓對輸主直流電壓有如下關系:
UL=1.11Ud/cosj……………………………………………（2）
為了提高輸出額定功率因數角,應盡量減小tj,但tj的減小就意味著逆變晶閘管道關斷時間的減小,這不利于逆變器的可靠工作.,加外通常加大換相關斷時間tf會增加晶閘管的電壓定額.因此需兩者兼顧,通常取j=30°左右.由于中頻電源負載參數(L、r)隨著工件的多少和工件溫度 的變化而變化,因此負載頻率也是隨時間變化的.為了獲得恒定的引前時間以保證可靠換流,逆變頻率必須隨著負載諧振頻率而變,并始終略高于負載諧振頻率,這就是說,逆變觸發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,即自動跟蹤負載頻率。
逆變觸發同步信號是由中頻輸出電壓和補償電容電流的取樣信號合成的，該合成信號滯后于補償電容電流而超前于中頻輸出電壓，其過零時刻即為逆變觸發時刻。可見逆變觸發頻率始終略高于負載諧振頻率。
逆變觸發同步信號為中頻正弦信號，經高靈敏度的比較器LM311轉換為方波，在方波的上跳沿及下跳沿各送出一個寬度一定的脈沖到相應的逆變晶閘管，即可完成頻率自動跟蹤的逆變觸發。
第五節 中頻電源的調功、控制、保護及起動
一、調功
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——負載中頻電壓；
Roe——負載回路的交流等效阻抗。
對采用并聯逆變的中頻電源，其中頻電壓UL可用（2）式表示，它對直流電壓成正比關系。由此可見，調節整流橋輸出電壓的大小，就可調節中頻電源的輸出功率，而整流輸出電壓是通過控制整流觸發移相角來實現的。
在第四節中曾指出，整流觸發脈沖的延時是通過數字計數器計數實現的。由于計數器的計數設定值是一定的，因此改變計數脈沖的周期就可改變觸發脈沖的延遲時間。
電壓控制電路中的CD4046集成芯片就是用來構成壓控振蕩器的，調功旋鈕輸出的電壓信號送到壓控振蕩器的壓控輸入端，就可改變振蕩頻率，從而改變整流觸發移相角。
二、控制
對并聯逆變中頻電源而言，設計的控制電路有電流負反饋控制電路、限流調節電路和限壓調節電路。
電流負反饋信號隨交流電網輸入電流的增加而線性增加，該信號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，起到電流負反饋的作用，調節電位器P303可調節負反饋的強弱。
限流調節電路和限壓調節電路實際上是兩個P I調節器，它們分別由U203：C和U303：C構成，監視電源的電網輸入電流和中頻輸出電壓，如發現超出設定值（分別由電位器P302和P202設定），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角，降低整流輸出電壓，從而限制了電流和電壓的繼續增加，起到自動控制作用。
本裝置的控制電路具有限壓限流特性陡峭、穩定、沒有低頻振蕩或蕩幅極小的優點。
需要說明的是，所有的控制信號及手動調功信號通過加法器U203：A合成為一個電壓信號來控制壓控振蕩器的振蕩頻率的。
三、保護
中頻電源的保護功能是針對電源的各種異常和故障而設計的。主要有過電流保護電路和過電壓保護電路。
在第四節曾經指出，整流觸發移相角a>90° 的狀態稱為整流橋的逆變工作狀態，其實質是負載向電網反饋能量，利用這一特點，可實現電源的自我快速保護。例如，當電源出現負載短路或逆變橋直通時，直流電流和電網輸入電流將迅速增加，保護電路監測到有這信號后，立即將整流移相角增大至大于90°（一般150°左右），則電流開始下降，濾波電感中儲存的能量全部反饋回電網，從而起到保護作用。
過電流保護電路監視三相進線電網電流。當電流超過整定值時，由U301：A構成的比較器輸出負脈沖，將觸發器U301：B的輸出置位為高電平“1”，該信號使壓控振蕩器停振（此時整流觸發移相角增至150°），即整流橋進入逆變工作狀態，同時點亮過流指示燈以報警。
過電壓保護電路用于保護逆變晶閘管免受中頻電壓（即并聯補償電容的電壓過高）的損壞，其工作原理與電流保護電路是一樣的，但過電壓信號除使壓控振蕩器停振和點亮過電壓指示燈外，還短時間開啟一個高頻振蕩器（振蕩頻率大于10kHz），高頻振蕩器的工作時間大約為100mS，高頻脈沖同時加到四只逆變管的門極，致使逆變橋直通，即逆變晶閘管不承受電壓，補償電容的能量在負載中迅速消耗，而儲能電感中的能量反饋回電網，并自動停機。
本裝置的保護電路具有保護速度快（尤其是過電壓保護電路）、可靠性高的優點。
四、起動
在逆變器及其觸發電路一節中已談及，為使逆變器正常工作，逆變觸發頻率應略高于負載諧波頻率。因負載參數隨工件的多少及工件的溫度等因素而變化。故逆變器觸發信號應來自負載本身。但是逆變器未工作時是無信號可取的，這就產生了逆變器起動的問題。本裝置采用獨有的直接起動法（或稱為零電壓起動）：
1、在電流取樣電路中串聯了正反向相并二極管，由于二極管的非線性伏安特性，在起動之初，電流信號較強，起動的角度較大，因而逆變管的關斷時間較長，彌補了起動時關斷反壓低、起動能力弱的不足。正常工作時，二極管的等效阻抗低，j角又減小至正常工作要求值。
2、在起動電路中，逆變觸發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的上升過程中直接自行起動，本裝置設計了自起動電路。比較器的U304：B監視直流電流，比較器的U304：A監視中頻電壓。當直流電流信號已經建立，而中頻信號仍然沒有，則直流信號使Ua降至0，即自動停機。待逆變橋恢復阻斷后，再重新上升，如中頻信號在直流信號之前建立，則標明逆變電路已經起振，起動成功，此時直流信號不再起作用，Ua繼續上升至給定值。
本裝置的起動電路具有簡單、快速、安全的優點
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