课题五 中频感应加热电源.docx

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课题五中频感应加热电源

课题五中频感应加热电源

中频电源装置是一种利用晶闸管元件把三相工频电流变换成某一频率的中频电流的装置，广泛应用在感应熔炼和感应加热的领域。

本课题介绍与中频感应电源相关的知识：

中频感应加热装置的基本原理、三相桥式全控整流电路、触发电路、触发电路与主电路同步、无源逆变的基本概念、并联谐振逆变电路等内容。

一、本课题学习目标与要求

1．了解中频感应加热装置的基本原理及应用。

2．掌握中频感应加热装置的组成、各部分电路（三相桥式整流电路、触发电路、并联谐振逆变电路、保护电路）的工作原理。

3．理解输出电压、电流和晶闸管两端电压波形，以三个波形为基础，推导出有关电量，从而能够正确选择晶闸管等元件。

4．能利用波形分析电路故障。

5．掌握触发电路与主电路电压同步的概念以及实现同步的方法。

6．了解常用的中频感应加热装置的使用注意事项。

7．熟悉中频感应加热装置的安装、调试，简单的故障维修方法。

8．了解三相有源逆变电路工作原理及有源逆变电路的应用。

二、主要概念提示及难点释疑

1．学习三相整流电路时应注意的几点

（1）α=0°的地方——自然换相点为相邻相电压（或线电压）的交点。

它距相电压波形的原点30°，距对应线电压原点60°。

（2）α=0°时，相当于二极管电路不可控整流情况，单相整流电路输出电压波形为正弦电压正半周波形，三相半波整流电路输出电压波形为三相相电压的正向包络线，而三相桥式整流电路输出电压波形是三相相电压的正负包络线，即六个线电压的正向包络线。

2．负载性质不同的三相半波可控整流电路的特点

（1）电阻性负载（移相范围α=0°~150°）

0°≤α≤30°时，一个周期内，三个晶闸管轮流导电，每个晶闸管导通角120°，电流连续。

输出电压平均值

。

晶闸管两端电压波形由3段组成：

第1段，VT1导通期间，为一管压降，可近似为uT1=0 第2段，在VT1关断后，VT2导通期间，uT1=uu-uv=uuv，为一段线电压 第3段，在VT3导通期间，uT1=uu-uw=uuw为另一段线电压，如果增大控制角

将脉冲后移,整流电路的工作情况相应地发生变化。

30°≤α≤150°时，每个晶闸管的导通角为150°-α，电流断续。

输出电压平均值

。

此时，在三个晶闸管全部都关断期间，晶闸管承受该相的相电压，每个周期内由六断组成。

晶闸管承受的反向最大电压为线电压峰值，正向电压为相电压峰值。

I、I2和IT三者的关系为

（2）电感性负载（移相范围α=0°~90°）

电感足够大，使电流波形连续且近似为一水平线，每个晶闸管轮流导通120°，输出电压平均值

。

各电流有效值关系为I=Id、

。

当30°≤α≤90°时，输出电压波形出现负值，因而常加续流二极管，以提高输出电压平均值。

此时输出电压波形和电阻性负载一样，晶闸管的导通角为150°-α，续流二极管每个周期内导通三次，导通角为3α-90°。

（3）共阳极接法的三相半波电路

该电路的自然换相点为相电压负半周相邻两相电压的交点。

换相总是由一相换到阴极电位更负的一相上去。

电流连续时，输出电压平均值为Ud＝-1.17U2cosα

3．学习三相桥式全控整流电路应注意的问题

（1）按三相U、V、W的顺序，共阴极连接的三个晶闸管编号为VT1、VT3、VT5，共阳极连接的三个晶闸管编号为VT4、VT6、VT2。

如此编号目的是为了分析问题方便。

（2）在任何时刻都必须有两个晶闸管（分别属于共阴极组和共阳极组）同时导通，构成电流通路，才有电压输出。

因此为保证整流电路能启动运行或在电流断续后能再次导通，触发脉冲的宽度应大于60°而小于120°或用双窄脉冲，以使两个晶闸管同时得到触发而导通。

（3）每隔60°有一个晶闸管换流，共阴极组和共阳极组轮流进行，但只在本连接组内换流。

每个周期内，六个晶闸管导通的顺序为VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，触发脉冲也必须按此顺序做响应安排，各脉冲依次相隔60°。

电流连续时，每个晶闸管导通120°。

（4）输出电压波形为六个线电压的组合。

（5）α=60°是电阻性负载电流连续与断续的分界点。

电感性负载时。

α>60°时，输出电压波形中出现负值。

（6）I、I2和IT三者的关系为

4．锯齿波同步触发电路

（1）锯齿波同步触发电路中，如何设置偏移电压Ub？

设置偏移电压的目的是当触发电路的控制电压为0时，使晶闸管整流装置输出电压为0，对应控制角定义为初始相位角。

整流电路的型式不同、负载的性质不同，则初始相位角不同。

（2）锯齿波触发电路的组成和工作原理

锯齿波触发电路由同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成与放大、双窄脉冲的形成和强触发环节组成。

锯齿波触发电路脉冲的输出时刻由V4管导通时刻决定，脉冲的宽度由V5管持续截止的时间决定，而V5管截止时间的长短由电容C3反向充电时间常数决定。

5．触发电路的定相

（1）触发电路同步电压的确定包括两方面内容：

1）根据晶闸管主电路的结构、所带负载的性质及采用的触发电路的形式，确定出该触发电路能够满足移相要求的同步电压与晶闸管阳极电压的相位关系。

2）用三相同步变压器的不同连接方式或再配合阻容移相得到上述确定的同步电压。

（2）实现同步的方法步骤如下：

1）根据主电路的结构、负载的性质及触发电路的型式与脉冲移相范围的要求，确定该触发电路的同步电压us与对应晶闸管阳极电压uu之间的相位关系。

2）根据整流变压器TR的接法，以定位某线电压作参考矢量，画出整流变压器二次电压也就是晶闸管阳极电压的矢量，再根据步骤１确定的同步电压us与晶闸管阳极电压uu的相位关系，画出电源的同步相电压和同步线电压矢量。

3）根据同步变压器二次线电压矢量位置，定出同步变压器TS的钟点数的接法，然后确定出usu、usv、usw分别接到VT1、VT3、VT5管触发电路输入端；确定出us（-u）、us（-v）、us（-w）分别接到VT4、VT6、VT2管触发电路的输入端，这样就保证了触发电路与主电路的同步。

6．保护电路

最常用的过电压保护是阻容吸收电路。

此外还有硒堆、压敏电阻以及整流式阻容吸收电路等。

最常用的过电流保护是快速熔断器。

此外还有快速开关等。

保护电路元件的选择计算以及估算常常与实际值相差很多。

因此可以从经验值中选择保护元件。

7．逆变电路

（1）电力变流器的换流方式

1）负载谐振换流

由负载谐振电路产生一个电压，在换流时关断已经导通的晶闸管，一般有串联和并联谐振逆变电路，或两者共同组成的串、并联谐振逆变电路。

2）强迫换流

附加换流电路，在换流时产生一个反向电压关断晶闸管。

3）器件换流

利用全控型器件的自关断能力进行换流。

（2）电流型和电压型逆变电路

电压型逆变电路的基本特点：

1）直流侧并联大电容，直流电压基本无脉动。

2）输出电压为矩形波，电流波形与负载有关。

3）电感性负载时，需要提供无功。

为了有无功通道，逆变桥臂需要并联二极管。

电流型逆变电路的基本特点：

1）直流侧串联大电感，直流电源电流基本无脉动。

2）交流侧电容用于吸收换流时负载电感的能量。

这种电路的换流方式一般有强迫换流和负载换流。

3）输出电流为矩形波，电压波形与负载有关。

4）直流侧电感起到缓冲无功能量的作用，晶闸管两端不需要并联二极管。

（3）单相并联谐振逆变电路

该电路的换流方式是负载换流，与负载并联的电容C为换流电容，可使负载电流超前于负载电压，即负载呈容性。

交流输出电流波形接近矩形波，故谐波幅值远小于基波，基波频率接近于负载电路谐振频率，负载电路对基波呈高阻抗，而对谐波呈现低阻抗，因此负载电压波形接近正弦波。

三、学习方法

1．波形分析法：

波形分析法是分析电路工作原理最有效的方法，读者要学会利用波形分析来分析电路工作原理。

2．对比法：

将三相电路与单相电路、电阻性负载和电感性负载以及电感性负载接续流二极管的电路对比分析。

3．分析计算法：

电路中各电量的计算要通过工作原理分析来推导。

4．练习法：

波形图和计算都要自己动手练习，发现问题并解决。

5．讨论分析法：

读者要学习与他人讨论分析问题，并了解其他读者的学习方法和学习收获，提高学习效率。

四、典型题解析

例5-1在晶闸管两端并联R、C吸收回路的主要作用有哪些？

其中电阻R的作用是什么？

解：

R、C回路的作用是：

吸收晶闸管瞬间过电压，限制电流上升率，动态均压作用。

R的作用为：

使L、C形成阻尼振荡，不会产生振荡过电压，减小晶闸管的开通电流上升率，降低开通损耗。

例5-2三相半波可控整流电路，如果三只晶闸管共用一套触发电路，如图5－1所示，每隔120°同时给三只晶闸管送出脉冲，电路能否正常工作？

此时电路带电阻性负载时的移相范围是多少？

图5－1例5－2图

解：

能工作。

因为虽然三个晶闸管同时加触发脉冲，只有阳极电压最高相所接的晶闸管导通，其余两个晶闸管受反压阻断。

但是，移相范围只有120°，达不到150°移相范围要求。

例5－3三相半波可控整流电路带电阻性负载时，如果触发脉冲出现在自然换相点之前15°处，试分析当触发脉冲宽度分别为10°和20°时电路能否正常工作？

并画出输出电压波形。

解：

当触发脉冲宽度分别为10°，如图5－2所示，当触发脉冲ug1触发U相晶闸管，则U相晶闸管导通。

当ug2触发V相晶闸管时，这时U相电压高于V相电压，所以V相晶闸管不导通，U相晶闸管继续导通。

过了自然换相点后，尽管V相电压高于U相电压，但V相晶闸管的触发脉冲已消失，所以V相晶闸管仍不导通。

U相晶闸管导通到过零点关断。

这样下去，接着导通的是W相晶闸管。

由此可以看出，由于晶闸管间隔导通而出现了输出波形相序混乱现象，这是不允许的。

图5－2 例5－3波形

当触发脉冲宽度分别为10°时，输出波形和α=0º时波形一样。

例5－4图5－3为三相全控桥整流电路，试分析在控制角α=60º时发生如下故障的输出电压Ud的波形。

（1）熔断器1FU熔断。

（2）熔断器2FU熔断。

（3）熔断器2FU、3FU熔断。

解：

（1）熔断器1FU熔断时输出电压波形如图5－3b所示，凡与U相有关的线电压均不导通。

（2）熔断器2FU熔断时输出电压波形如图5－3c所示，V字头线电压不导通。

（3）熔断器2FU、3FU熔断时输出电压波形如图5－3d所示，凡VW字头线电压均不导通。

图5－3例5－4图

例5－5图5－4为两相零式可控整流电路，直接由三相交流电源供电

（1画出控制角α＝0°、α＝60°时输出电压波形。

（2）控制角α的移相范围多大？

（3）

，

（4）推导Ud的计算公式。

图5－4例5－5电路图

解：

（1）控制角α＝0°时输出电压波形如图5－5（a）所示，α＝60°时输出电压波形如图5－5（b）所示。

（a）（b）

图5－5例5－5波形图

例5－6若用示波器观察三相桥式全控整流电路波形分别如图5－6（a）（b）（c）（d）（e）所示，试判断电路的故障。

（a）

（b）

（c）

（d）

（e）

图5－6例5－6波形图

解：

（a）图：

用示波器测得每个周期输出电压波形与正确波形相比波头少了两个，在ωt1时刻不能换相，到ωt2时刻才恢复正常换相，ωt1～ωt2为120°；三相全控桥电路每个周期输出电压的六个波头，少两个波头正好是120°。

波形种出现负值是由于电感L中的储能释放，回馈给电源所致。

正常运行时每个桥臂导通120°，无论少哪两个波头，都可以判断出是有一个臂断路，但到底是哪个桥臂断路，波头上没有符号指明，需要进一步检查。

在各桥臂熔断器完好，连接线无松脱的前提下，用示波器量测各管波形。

哪个管的波形没有导通段，即是故障所在，或者是管子坏，或者是没有触发脉冲。

（b）图：

如图每个周期的波形波头只少一个，只有60°，因此不会是桥臂短路，问题出现在触发电路。

根据三相全控桥电路触发脉冲为双窄脉冲的特点，ωt1时未通说明主脉冲丢失，ωt2时导通是补脉冲的作用。

到底哪个管子的触发电路出了问题，需测量各管子两端电压波形，正常管子导通120°，导通段只有60°的管子，其触发电路有问题，进一步检查该触发电路的同步移相环节，即可找出故障所在。

（c）图：

每个周期只有两个连续波头，其中已个波头提前输出，连续少了四个波头。

说明不同相的量个桥臂断路。

（d）图：

每个周期少了四个波头，但不是连续的四个波头，而是每半个周期有一个，再连续少两个。

不难分析出是两相导电。

故障为交流侧某相失电或某相两个桥臂断路。

（e）图：

每个周期少了三个波头，可以看出是两个不相同的桥臂断路，一个属于共阴极组，一个属于共阳极组。

五、自我检测题

1．填空题

1）常用的过电流保护措施　　、　　、　　、　　。

（写出四种即可）

2）在电力晶闸管电路中，常用的过电压保护有；；；

和等几种。

3）要使三相全控桥式整流电路正常工作，对晶闸管触发方法有两种，一是用

触发；二是用触发。

4）在同步电压为锯齿波的触发电路中，锯齿波底宽可达度；实际移相

才能达度。

5）一般操作过电压都是瞬时引起的尖峰电压，经常使用的保护方法是

而对于能量较大的过电压，还需要设置非线性电阻保护，目前常用的方法有 和。

6）在由两组反并联变流装置组成的直流电机的四象限运行系统中，两组变流装置分别工作在正组状态、状态、反组状态、状态。

7）在有环流反并联可逆系统中，环流指的是只流经而不流经

的电流。

为了减小环流，一般采用αβ状态。

8）三相半波可控整流电路，输出到负载的平均电压波形脉动频率为HZ；而三相全控桥整流电路，输出到负载的平均电压波形脉动频率为HZ；这说明

电路的纹波系数比电路要小。

9）三相半波可控整流电路电阻性负载时，电路的移相范围，三相全控桥电阻性负载时，电路的移相范围。

10）锯齿波触发电路的主要环节是由、、、

、环节组成。

11）三相桥式全控整流电路是由一组共极三只晶闸管和一组共极的三只晶闸管串联后构成的，晶闸管的换相是在同一组内的元件进行的。

每隔换一次相，在电流连续时每只晶闸管导通度。

要使电路工作正常，必须任何时刻要有

只晶闸管同时导通，，一个是共极的，另一个是共极的元件，且要求不是 的两个元件。

12）由晶闸管构成的逆变器换流方式有换流和换流。

13）在电流型逆变器中，输出电压波形为　波，输出电流波形为　　波。

2．判断题

1）在用两组反并联晶闸管的可逆系统，使直流电动机实现四象限运行时，其中一组逆变器工作在整流状态，那么另一组就工作在逆变状态。

（）

2）逆变角太大会造成逆变失败。

（）

3）并联谐振逆变器必须是略呈电容性电路。

（）

4）在三相半波可控整流电路中，电路输出电压波形的脉动频率为300Hz。

（）

5）并联与串联谐振式逆变器属于负载换流方式，无需专门换流关断电路。

（）

6）三相半波可控整流电路，不需要用大于60º小于120º的宽脉冲触发，也不需要相隔60º的双脉冲触发，只用符合要求的相隔120º的三组脉冲触发就能正常工作。

（）

7）三相桥式全控整流电路，输出电压波形的脉动频率是150HZ。

（）

8）在三相半波可控整流电路中，晶闸管承受的最大反压为

倍相电压U2。

（）

9）三相半波可控整流电路中，如果三个晶闸管采用同一组触发装置，则α的移相范围只有120o。

（）

10）三相半波可控整流电路也要采用双窄脉冲触发。

（）

11）在三相桥式全控整流电路中，采用双窄脉冲触发晶闸管元件时，电源相序还要满足触发电路相序要求时才能正常工作。

（）

12）并联谐振逆变器负载两端电压波形是很好的正弦波（）

13）无源逆变指的是把直流电能转换成交流电能送给交流电网。

（）

3．选择题

1）α为度时，三相半波可控整流电路，电阻性负载输出的电压波形，处于连续和断续的临界状态。

A、0度，B、60度，C、30度，D、120度，

2）晶闸管触发电路中，若改变的大小，则输出脉冲产生相位移动，达到移相控制的目的。

A、同步电压，B、控制电压，C、脉冲变压器变比。

3）可实现有源逆变的电路为。

A、三相半波可控整流电路，B、三相半控桥整流桥电路，

C、单相全控桥接续流二极管电路，D、单相半控桥整流电路。

4）在下面几种电路中，不能实现有源逆变的电路有哪几种。

A、三相半波可控整流电路。

B、三相半控整流桥电路。

C、单相全控桥接续流二极管电路。

D、单相半控桥整流电路。

5）在有源逆变电路中，逆变角

的移相范围应选为最好。

A、

=90º∽180º，B、

=35º∽90º，C、

=0º∽90º，

6）晶闸管整流装置在换相时刻（例如：

从U相换到V相时）的输出电压等于。

A、U相换相时刻电压uU，B、V相换相时刻电压uV，C、等于uU+uV的一半即：

7）三相全控整流桥电路，如采用双窄脉冲触发晶闸管时，下图中哪一种双窄脉冲间距相隔角度符合要求。

请选择。

8）晶闸管触发电路中，若使控制电压UC=0，改变的大小，可使直流电动机负载电压Ud=0，使触发角α=90º。

达到调定移相控制范围，实现整流、逆变的控制要求。

A、同步电压，B、控制电压，C、偏移调正电压。

9）三相半波可控整流电路的自然换相点是（）

A、交流相电压的过零点；

B、本相相电压与相邻相电压的交点处；

C、比三相不控整流电路的自然换相点超前30°；

D、比三相不控整流电路的自然换相点滞后60°。

10）三相全控桥式整流电路带电阻负载，当触发角α=0º时，输出的负载电压平均值为。

A、0.45U2；B、0.9U2；C、1.17U2；D、2.34U2；

11）三相全控桥式整流电路带大电感负载时，控制角α的有效移相范围是度。

A、0°-90°；B、30°-120°；C、60°-150°；D、90°-150°

12）三相半波可控整流电路在换相时，换相重叠角γ的大小与哪几个参数有关。

A、α、Id、XL、U2φ；B、α、Id；C、α、U2；D、α、U2、XL；

4．问答题

1）实现正确触发的同步定相的方法步骤有哪些？

2）锯齿波同步触发电路是怎样发出双窄脉冲的？

3）三相桥式全控整流电路使用锯齿波同步触发电路，为什么六个锯齿波的斜率要一致？

4）用的电力变流器的换流方式有哪几种？

5）试简述平波电抗器的作用？

6）中频感应加热炉的直流电源的获得为什么要用可控整流电路？

7）中频感应加热电源主要由哪几部分组成。

5．画图题

1）请利用六块锯齿波同步触发电路的X、Y控制端，来组成六路互相相差60°的双窄脉冲触发系统图，并画出其脉冲输出波形的相互关系图。

2）指出下图中①～⑦各保护元件及VD、Ld的名称和作用。

3）用红笔或用阴影面积标出三相全控桥电路在α＝30°时，电阻性负载的直流输出电压的波形图，同时要对应画出其所用的双窄脉冲（α＝30°），并标出序号。

如

V，计算此时的直流输出电压Ud。

4）在下面两图中，一个工作在整流电动机状态，另一个工作在逆变发电机状态。

（1）、标出Ud、ED及id的方向。

（2）、说明E与Ud的大小关系。

（3）、当α与β的最小值均为30度时，控制角α的移向范围为多少？

、

5）三相半波可控整流电路，整流变压器的联接组别是D/Y—5，锯齿波同步触发电路中的信号综合管是NPN型三极管。

试确定同步变压器TS的接法钟点数为几点钟时，触发同步定相才是正确的，并画出矢量图。

6．计算题

1）三相桥式全控整流电路，Ld极大，Rd=4Ω，要求Ud从0—220V之间变化。

试求：

（1不考虑控制角裕量时，整流变压器二次相电压。

（2）计算晶闸管电压、电流平均值，如电压、电流裕量取2倍，请选择晶闸管型号。

（3）变压器二次电流有效值I2。

（4）计算整流变压器二次侧容量S2

2）三相半波整流电路，如图所示：

将变压器二次侧绕组等分为二段，接成曲折接法，每段绕组电压为100V。

试求：

（1）晶闸管承受的最大反压是多少？

（2）变压器铁心有没有直流磁化？

为什么？

3）三相半波可控整流电路，大电感负载，电感内阻为2Ω，直接由220V交流电源供电，控制角α为60度，计算负载平均电压Ud、流过晶闸管的电流的平均值IdT与有效值IVT。

　六、自我检测题答案

1．填空题

1）快速熔断器、串进线电抗器、接入直流快速开关、控制快速移相使输出电压下降

2）避雷器；阻容吸收；硒堆；压敏电阻；整流式阻容吸收；

3）大于60º小于120º的宽脉冲，脉冲前沿相差60º的双窄脉冲，

4）240º；0º—180º。

5）阻容保护、压敏电阻、硒堆。

6）整流，逆变，整流，逆变，

7）变流桥，不流经负载，α>β

8）150，300，三相桥式全控整流桥，三相半波可控流电路

9）0º--150º；0º--120º

10）同步环节；锯齿波形成；脉冲形成；整形放大；强触发及输出

11）阴；阳；60度；120；两；阴；阳；不在同一桥臂上

12）负载、强迫（脉冲）。

13）正弦波、方波。

2．判断题

1）×2）×3）√4）×5）√6）√7）×8）×

9）√10）×11）√12）√13）×

3．选择题

1）C2）B3）A4）BCD5）B6）C7）B8）C9）B10）D11）A12）A

4．问答题

1）、A：

根据不同触发电路与脉冲移相范围的要求，确定同步信号电压us与对应晶闸管阳极电压之间的相位关系。

B：

根据整流变压器TS的接法与钟点数，以电网某线电压作参考矢量，画出整流变压器二次侧也就是晶闸管阳极电压的矢量。

再根据A确定同步信号US与晶闸管阳极电压的相位关系，画出对应的同步相电压矢量和同步线电压的矢量。

C：

根据同步变压器二次线电压矢量位置，定出同步变压器TS的钟点数和接法。

只需把同步变压器二次电压Usu、Usv、Usw分别接到VT1，VT3，VT5管的触发电路；Us（-U）、Us（-v）、Us（-w）分别接到VT4、VT6、VT2的触发电路，与主电路的各个符号完全对应，即能保证触发脉冲与主电路同步。

2）见画图题1）

3）六个锯齿波斜率一致，在移相范围内，六个脉冲总是均匀的，输出电压波形的六个波头是均匀对称。

如果某个锯齿波的斜率偏小（或大），则这个触发电路发出的脉冲就会较正常时间滞后（或提前），使输出电压波形的六个波头不再一致。

4）电网电压换流、负载换流、强迫换流、器件换流

5）见教材

6）负载变化时，整流电路的最大输出电压能够自动调整。

7）中频感应加热电源主要由可控或不可控整流电路、滤波器、逆变器、和一些控制保护电路组成。

工作时，三相工频（50Hz）交流电经整流器整成脉动直流，经过滤波器变成平滑的直流电送到逆变器。

逆变器把直流电转变成频率较高的交流电流送给负载。

5．画图题

1）

　2）①星形接法的硒堆过电压保护；

②三角形接法的阻容过电压保护；

③桥臂上的快速熔断器过电流保护；

④晶闸管的并联阻容过电压保护；

⑤桥臂上的晶闸管串电感抑制电流上升率保护；

⑥直流侧的压敏电阻过电压保护；

⑦直流回路上过电流快速开关保护；

VD是电感性负载的续流二极管；

Ld是电动机回路的平波电抗器；

3）

Ud=445.8V

4