可控矽中頻電源電氣裝置的製作方法

2023-05-02 09:52:11 1

專利名稱：可控矽中頻電源電氣裝置的製作方法
技術領域：
可控矽中頻電源，是以可控矽為核心，變三相工頻交流電為單相中頻交流電的一種靜止變頻裝置。
世界上第一個可控矽的雛型，於1956年誕生於美國貝爾電話公司實驗室。之後，大約在六十年代末，出現了可控矽中頻裝置，用以取代中頻發電機組。
國內可控矽中頻裝置技術，幾年前，一直停留在分立元件裝配的落後水平。近幾年來，發展較快，出現了分立元件與集成電路綜合應用的電路，全集成化電路。裝置的電路板、從10多塊下降到幾塊、到一塊大板式，使用了數十塊集成電路。各種各樣的新電路、新技術相繼問世。但現有技術水平仍有許多不足。如抗幹擾性能問題、可控矽損壞率較高問題、線路結構複雜難修問題、啟動電路如何改善問題等等，都是從事這一行業設計、製造和維修的人們為之困擾的問題。
本實用新型的目的是設計一種結構簡單、維修方便的可控矽中頻電源電氣裝置。
本實用新型可控矽中頻電源，由電氣裝置和冷卻水裝置組成。冷卻水裝置大體上沿用現有技術。
可控矽中頻電源電氣裝置由主迴路、控制迴路和保護迴路組成，其電氣原理，由附圖給出。附

圖1為主迴路電氣原理圖；附圖2為主迴路控制板電氣原理圖；附圖3為繼電操作電氣原理圖。
一、主迴路主迴路由三相全控整流電路、直流濾波電路、單相併聯逆變電路這三部分組成。
三相全控整流電路主要由1-6SCR這六個可控矽組成。它在整流控制電路作用下，將三相工頻交流變為直流。
直流濾波電路由直流電抗器LD組成。它將整流橋輸出的脈動直流波變為平滑穩定的直流，輸出供單相逆變橋。
LD除了濾波作用外，還有另外三個作用①阻止中頻交流竄入工頻電網。②逆變橋在換流時刻，由LD來限制瞬間短路電流的上升率。③發生過載、短路、逆變失敗時，也是靠LD來抑制短路電流上升率的。
單相併聯逆變電路主要由7-10SCR四個快速可控矽、空芯線圈4L以及負載電路(由感應器L、電容器C1、C2並聯組成)組成。它在控制電路的作用下，將直流電逆變成中頻交流電。
這裡採用並聯諧振逆變電路。逆變頻率主要取決於L、C的參數。
電容器有二個作用。一是向感應圈提供大量的無功電流，二是向逆變橋提供關斷可控矽的反壓。
電感4L的作用①電容器向逆變橋待關斷可控矽施反壓時，藉助4L讓電容上電荷不會釋放太快，以取得較長的施反壓時間。②抑制逆變可控矽的dI/dt不超出允許值。③逆變啟動時，啟動電容CQ上的直流電壓對逆變橋待關斷可控矽施反壓，由於4L的作用，施反壓時間得以延長，便利啟動成功。
二、控制迴路控制迴路主要由控制板及輔助元件組成。控制迴路由電源電路、整流觸發電路、逆變觸發電路、啟動電路、調節與保護電路組成。控制迴路的主體設置在控制板上。控制板尺寸為120×200＝240平方釐米。控制板上設25個輸入、輸出接口，通過一個(計算機用)25線接插件與相應部位連結。各接口功能注釋如下可控矽中頻電源控制板接口功能注釋(25線)(1)輸出逆變觸發信號，與7MB的1號端聯結。
(2)輸出逆變觸發信號，與8MB的2號端聯結。
(3)+20V、+15V負端及TB三相同步信號公共端相聯形成「地」。
(4)輸入逆變自激調頻信號之Uic信號，與5LH的4號端聯結。
(5)輸入逆變自激調頻信號之Ua信號，與W6、R019聯結點5號端聯結。
(6)輸入+15V電壓，與3J的常開觸點的6號端聯結。
(7)輸入給定的移相控制電壓，與W7的7號端聯結。
(8)輸出由給定、調節輸出綜合後的移相控制電壓UK、與V1表的8號端聯結。
(9)輸入C相同步信號(AC15V)，與TB的9號端聯結。
(10)輸入a相同步信號(AC15V)，與TB的10號端聯結。
(11)輸入B相同步信號(AC15V)與TB的11號端聯結。
(12)輸出+15V電壓，供給調功、保護顯示等用。
(13)輸出「過流」指示信號，與「過流」燈的13號端聯結。
(14)-(19)輸出三相全控橋的六個觸發脈衝信號，依序分別與1MB-6MB的對應端號聯結。
(20)輸入+20V電壓(不穩壓)，與1ZD的20號端聯結。
(21)輸入「限壓」、「過壓」保護的取樣信號，與2ZD的21號端聯結。
(22)輸入「反饋」、「限流」、「過流」保護取樣信號，與3ZD的22號端聯結。
(23)輸入電壓、電流取樣信號公共端(負端)，2ZD、3ZD的23端聯結。
(24)輸入逆變停止、冷卻水失壓關機信號，與2TA、YJ的24號端聯結。
(25)輸出「過壓」指示信號，與「過壓」指示燈的25號端聯結。
1、系統的工作電源同步變壓器TB次級半邊繞組和由3隻二極體組成的整流4ZD所構成的三相半波整流電路(見附圖3)，給出了+20V直流電源。+20V電源供給整流觸發電路和逆變觸發電路功率放大工作用電。+20V電源輸給20號接口，經板內「7815」三端穩壓塊穩壓後，供整流觸發電路、逆變觸發電路、保護電路等除交流操作迴路外的全部控制與保護迴路的工作電源，+15穩壓電源與+20V不穩壓電源共「地」。
2、整流觸發電路
電路結構以模塊MA為中心，以同步變壓器TB、脈衝變壓囂1-6MB、三極體T1-T6、二極體D18-D24、電阻R6-R23、電容C8-C13等為外圍支持，構成了整流觸發電路。
MA內設三套相同的電路，它們是，「過零和極性檢測電路」、「鋸齒波形成電路」、「電壓比較器電路」、「抗幹擾鎖定電路」、「脈衝形成電路」。同時，還設有統一的「恆流源電路」和用於調製6對觸發脈衝的「脈衝發生器電路」。
由電阻、電容構成T型濾波網絡，對同步信號濾波、濾除幹擾信號。
電路特徵(1)設置了同步變壓器TB使同步信號與主迴路的強電隔離，使同步信號降壓至適合模塊MA工作。同步變壓器的接法為Y/Y0-12。同步變壓器次級為帶中心抽頭的繞組，中心抽頭是同步信號與直流工作電源共「地」點，與初級繞組同相位端輸出同步信號，反相位端經整流輸出+20V電源。
(2)整流觸發電路設計了二個有效電路來提高抗幹擾能力由RC構成T型濾波網絡用以濾除同步信號中的幹擾成分，同時在「電壓比較器電路」和脈衝形成電路間插進「抗幹擾鎖定電路」。
(3)採用統一的恆流源，各相脈衝不均衡度小於±2°。
(4)觸發脈衝為「雙窄脈衝列」。寬度為18°，間隔60°。
整流脈衝觸發電路工作原理三相同步信號a、b、c分別經R6、R8、R10、C12、R18、C12濾波，延遲30°，濾除幹擾後，又分別經R7、R8、R13、R14、R19、R20分壓。a相同步信號經C9、R11送入MA12腳。b相同步信號經C11、R17送入MA10腳。c相同步信號經C13、R23送入MA11腳。R9、R18、R15、R16、R21、R22分別對+15分壓得+7.5V電壓，分別作為MA各同步端入端的偏置電壓。
MA內設三套相同的電路，此外還有共用的用於調製觸發脈衝的「脈衝發生器電路」和用於對鋸齒波電容充電的「恆流源電路」。
各相觸發脈衝電路工作原理相同。現在單獨描述a相同步信號進入MA12腳以後的過程和工作原理，b、c相與此相同。
a相同步信號經「過零與極性檢測電路」檢出過零點與極性，控制「鋸齒波形成電路」對鋸齒波電容放電、充電。該電容上形成的鋸齒波電壓信號U齒，以及經MA7腳進來的移相電壓信號UK、一道送往「電壓比較器電路」。從「電壓比較器電路」輸出U齒和UK的交相點信號。出現該信號的時刻，就是發觸發脈衝的時刻，是觸發脈衝的前沿起點。
交相信號送入「抗幹擾鎖定電路」，由它控制「脈衝形成電路」發出觸發脈衝。
「脈衝發生器電路」對「脈衝形成電路」進行調製使「脈衝形成電路」發出的脈衝被調製成脈衝列。
「脈衝形成電路」發出的觸發脈衝分別從MA的6腳(+A脈衝)和1腳(-A脈衝)輸出驅動T6、T3再由1MB、4MB傳輸到1SCR、4SCR各觸發脈衝都有向超前自己60°的管子發「補脈衝」的義務。
「抗幹擾鎖定電路」在收到鋸齒波、移相電壓Uk的交相信號後，只向「脈衝形成電路」發一次信號，直到下一個過零點。即使這期間出現幹擾信號，也不受影響。保證了「交相唯一」，有效地提高了抗幹擾能力。
Uk在0.3V-8V間改變時，移相角在0°-150°之間變化，並且Uk與移相角間基本上存在線性關係，近似為20°/V。移相極性為正，即Uk增大，控制觸a越大。
MA的1-6腳是觸發脈衝輸出端。1腳--A+C、2腳-+C、-B、3腳--B、+A、4-+B、-A、5腳--C、+B、6腳-+A、-C。7腳-Uk輸入、8腳-「地」、9腳-+15V輸入10腳-同步b輸入，11腳-同步c輸入、12腳-同步a輸入。
3、逆變觸發電路a-逆變觸發電路的結構由「頻率跟蹤與tf電路」、「脈衝形成電路」、「脈衝功放電路」這三部分構成。
「頻率跟蹤與tf電路」由模塊MD、中頻電流互感器5LH、中頻電壓互感器YH的一個次級繞組、電阻R018、R019電位器W6、電容C14組成。
「脈衝形成電路」由模塊MC構成。
「脈衝功效電路」由三極體T7、T8、脈衝變壓器7MB、8MB、二極體D12、D13、D14組成。
b-逆變觸發電路的特徵(1)為配合啟動電路工作，本電路在加上工作電源瞬間，就向單相逆變橋發出四個觸發脈衝，將四個可控矽同時觸通。(2)由模塊MD構成了tf切換電路，實現了tf切換無觸點化。(3)設置電容器C14以及脈衝形成電路(設在模塊MC內)輸入端設置1.4V門檻電壓，取得優異的抗幹擾效果。
c-逆變觸發電路的工作原理「頻率跟蹤和tf電路」的任務，是產生一個頻率跟蹤於中頻輸出電壓Ua，而相位滯後於Uatf時間的新信號Us。Us也是正弦波信號。
脈衝形成電路的任務，是產生逆變觸發脈衝、脈衝寬度設計在50Us-100Us(微秒)。逆變觸發脈衝的前沿起點，就是「Us的過零點」。所以脈衝形成電路的工作是受「頻率跟蹤與tf電路」控制的。
「脈衝功放電路」的任務是將來自「脈衝形成電路」的逆變觸發脈衝進行功率放大，然後通過7MB和8MB傳輸到逆變可控矽去。二極體D12、D13、D14用來吸收7MB、8MB產生的尖峰電壓。
這裡進一步闡述Us信號5LH的-IC在MD和R018上形成的-Uic和來自YH的Ua，在R019、C14網絡中合成一個Us信號。因為①Ua與-Uic頻率相同，都是正弦波。在任何一個半周內只有一個交點。②Ua在頻率、幅值變化時，-Uic也同樣變化。③-Uic滯後Ua90°。所以保證了如下結論①Us與Ua頻率相同。②Us也是正弦波。③Us的相位滯後Ua的可能的最大角度小於90°，可能的最小角度大於0°。④調節Ua或調節-UIC都能使Us滯後Ua的角度改變。⑤「頻率跟蹤與tf電路」的參數調定後，Us過零點滯後Ua過零點的時間tf將基本上恆定。調節W6，可以改變tf。
4、逆變啟動電路附圖3a中示出變壓器QB、整流器1ZD、電容器CQ構成了預充電電路，CQ上充電極性上正下負。
圖3a還示出了由通用繼電器2J，3J交流接觸器4J和按紐2QA構成了啟動繼電程序電路。
當按動2QA，2J得電吸合，2J的一對常開觸點2J1使3J得電吸合併自鎖，3J的常開觸點3J11接通逆變觸發，電路+15V工作電源。逆變觸發電路發出四個脈衝將單相逆變橋的四個可控矽同時觸通，直流電抗器LD中電流漸增。(在按ZQA前，整流橋輸出置於啟動電壓位置。)3J的另一對常閉觸點將QB從AC220V迴路中斷開。
2J的另一對常開觸點2Jz使4J得電吸合，4J吸合時其常開觸點將CQ上電壓施加到逆變橋可控矽上。這時CQ上電壓極性對7SCR和10SCR是承受了反壓而被關斷。這時8SCR和9SCR繼續導通，LD中電流因7SCR和10SCR的關斷而立即轉移到負載迴路，並在YH和5LH中開始出現信號。加上啟動時有較大的tf，啟動容易成功。啟動成功後，tf又恢復到正常時的值。
3J和4J是同時得電的，但3J吸合速度總是比4J快若干毫秒，這一時間差，就是LD的預充磁時間。
tf(逆變觸發提前時間)無觸點切換圖1中模塊MD構成tf無觸點切換電路。MD由10支塑封二極體構成，每5支按正負極相接的串聯，將這二串串聯二極體反極性並聯即成。
這是利用二極體等效電阻的非線性原理來實現tf切換。附圖1中，5LH感應較弱時，MD等效電阻很大，Uic相對較大，tf也較大。反之，MD等效電阻較小，使Uic減弱，tf也較小。
三、裝置的保護(1)交流側與直流側過電壓保護。本裝置用4隻壓敏電阻。其中1Ry-3Ry用來吸收交流側相間出現的尖峰過電壓，4Ry用來吸收直流側出現的尖峰過電壓。
(2)交流相間短路保護。①串接在三相進線上的三隻快熔。有相間短路保護作用。②空氣斷路器ZK也是一道重要的過載和短路保護設施。①和②對直流側短路也有保護作用。③空芯電感1L-3L，有抑制短路電流上升率dI/dt和瞬時短路電流峰值的作用，還有抑制中頻分量影響電網的作用。
(3)逆變側的過流與過壓保護。逆變側負載的劇烈變動，過載、啟動失敗、逆變失敗、或元件損壞等原因均會引起逆變側過流或短路。逆變側逆變提前角過大及感應圈電纜斷開等原因會使中頻電壓過高。所以對逆變側必須實行過流、過壓保護。本裝置採用「拉逆變」的方式保護。
①過流保護原理1-3LH的電流取樣信號經3ZD整流後，送入控制板22、23腳，經C1濾波。W1配合D1用以設定過流保護動作值。當電流訊號達到或大於定值時，穩壓管D1擊穿，信號進入MB6腳MB的5腳就會輸出一個直流電壓信號經R24、D18進入模塊MA的7腳。該電壓使Uk迅速上升並限幅在8V左右。這時MA就會將輸出的整流觸發脈衝移相到150°左右，全控橋就進入有源逆變狀態，LD中的磁能饋回工頻電網。短路電流快速衰減，於是裝置自動停止工作。如要重新啟動，應操作復位開關(關斷控制電源)。
②過壓保護、斷水保護、手動停機的作用原理與過流保護的原理一樣。
③限流、限壓。限流、限壓的作用原理與上述過流、過壓作用原理大致相同。其區別在於取樣信號強度大於設定值時，MB的輸出信號跟取樣信號按比例的使Uk上升、觸發脈衝後移，直流輸出下降，於是電流(或中頻電壓)也下降。
④負反饋。負反饋作用原理跟「限流」「限壓」相似，其區別在於前者須在設定值之上起控，後者無此限制。
設在控制板上5個0.5W實芯電位器的作用是W1-過流整定、W2-限流整定、W3-負反饋整定、W4-限壓整定、W5-過壓整定。
(4)可控矽的保護。裝置對每個可控矽都設有RC保護。用來吸收尖峰電壓，抑制dV/dt。裝置對每個可控矽套有磁環(見圖1中虛線方框)，用有抑制dI/dt。逆變迴路串有4L(空芯線卷)也有抑制dI/dt的作用。
(5)防誤操作及啟動電路高靈敏繼電器5T、整流器5ZD以及7RD等構成防誤操作保護電路。
本裝置在運行中嚴禁按啟動電源「關」和「逆變啟動」按紐，否則可能損壞裝置。為此設置了上述「防誤操作」電路。
裝置在工作時，必然有中頻電壓，來自YH次級的中頻電壓經5ZD整流、CN濾波後，使5J吸合，其常開觸點511並接在1TA上，即使誤按1TA控制電源繼電器1J也不會掉電。5J的常閉觸點5J2，串接在逆變啟動繼電器2J迴路上，所以即使誤按2QA，2J也不會動作。7RD串接在啟動電容CQ上，防止按逆變啟動按紐2QA後，未能適時釋放，以及4J因失靈未能正常釋放時，7RD熔斷。
本實用新型全面的、大幅度簡化了可控矽中頻電源的控制迴路的電路結構，採用模塊化結構，集「整流觸發」、「逆變觸發」、「調節與保護」三大功能電路於一體的控制板，尺寸僅12cm×20cm。接口用25線計算機專用接插件。控制迴路外圍元件少、邊連少。大幅度降低了維修難度，有效提高了可靠性。整流觸發脈衝各相不平衡度小於±2°。各項主要技術指標比現有技術均有不同程度的提高。
權利要求1.一種可控矽中頻電源電氣裝置有主迴路、控制迴路其特徵在於控制迴路包括電源電路、整流觸發電路、逆變觸發與啟動電路、調節與保護電路；控制迴路的主體設置在控制板上，控制板上設25個輸入、輸出接口，通過一個計算器用25線接扞件與相應部位連接；整流觸發電路由同步信號濾波電路、過零和極性檢測電路、鋸齒波形成電路、電壓比較器電路、抗幹擾鎖定電路、脈衝形成電路、脈衝功放電路以及恆流源電路和脈衝發生器電路組成，控制主迴路三相全控橋的工作；逆變觸發電路由頻率跟蹤與tf電路、脈衝形成電路和脈衝功放電路組成，控制單相逆變橋的工作；逆變輸出的大小，主要由調節全控橋輸出的直流電壓的大小來控制；調節與保護電路由電流信號檢測電路、電流信號整流電路、電壓信號檢測電路、電壓信號整流電流、電壓、電流信號放大與緩衝電路組成，監測單相逆變橋輸出的中頻電壓和三相工頻電流，按預先設定的參數實施調節與保護。
2.根據權利要求1所述的可控矽中頻電源電氣裝置，其特徵在於電源變壓器提供同步信號給整流觸發電路，同時又提供控制迴路的直流工作電源，同步信號與直流電源共地。
3.根據權利要求1所述的可控矽中頻電源電氣裝置，其特徵在於啟動電路包括一個由變壓器QB、整流器IZD、充電電容CQ組成的予充電電路，一個由繼電器2J、3J交流接觸器4J和按紐2QA構成的啟動繼電程序電路，予充電電路提供關斷逆變可控矽的反壓，啟動程序電路控制LD予磁，並將CQ上反壓適時地施加到待關斷的可控矽上。
4.根據權利要求1所述的可控矽中頻電源，其特徵在於由10支塑封二極體，按每5支正負相接串聯後，反並聯製成MD模塊，利用二極體等效電阻的非線性特點起到無觸點切換tf的作用。
5.根據權利要求1至5所述的可控矽中頻電源，其特徵在於過流、過壓顯示採用發光二極體串接在保護作用電路中，分別顯示過流、過壓。
專利摘要本實用新型涉及一種應用於金屬感應加熱的可控矽中頻裝置，它由主迴路，控制迴路，保護裝置構成，其啟動電路，利用逆變橋予磁，電容充電關斷逆變橋可控矽，其重載啟動率極高，採有二極體進行t
文檔編號H02M5/00GK2221838SQ9424673
公開日1996年3月6日 申請日期1994年11月26日 優先權日1994年11月26日
發明者羅義松 申請人:羅義松