博比巴茨（上海）机械设备有限公司

　　1. 概述

　　IGBT晶体管中频电源熔铝炉采用倍压式串并联谐振负载电路，这种电路具有输出功率大，输出电流小，负载线圈电压高，损耗小，以及启动性能优越等一系列优点。倍压电容升压式谐振电路，用串联电容补偿一部分无功功率，补偿后仍为电感性，再用并联电容补偿另一部分无功功率，使负载呈电容性。因此倍压式谐振负载电路仍具有并联式谐振负载电路的性质。

　　需要指出的是，串联电容越小，容抗越大，升压越高。实际使用时串联电容略大于并联电容，这样升压近两倍（取两者相等也可）。但从熔炉其他参数综合应用结果考虑，匹配负载还是取串联电容略大于并联电容较好。

　　作为设计 、使用和维护人员，需要更多地了解该电路的工作原理，合理地选择工作电压、工作频率及谐振元件显得尤为重要。

　　2. 基本原理

　　（1）装置电路框图 晶体管变频电源主要完成交流-直流-交流的转换过程，由三相全桥整流将工频交流电转换成直流电，通过平波电抗器隔离传输至由晶体管组成的桥臂，每只晶体管由相应的触发脉冲控制，按照顺序交替导通。交替换向导通，顺次向并联振荡器负载送电。振荡器由负载变压器及补偿电容器C并联而成，感应器连接在负载变压器的次级，将功率输出至工件上。

　　IGBT晶体管中频电源熔炼炉装置包含三相整流、平波滤波、保护回路、换向逆变回路、串并联谐振负载回路及采样控制回路等部分，基本工作电路如图1所示。图1 基本工作电路

　　（2）工作原理 晶体管中频电源工作原理：

　　①整流电路。三相全桥整流模块，与三相工频交流电源连接，用于将三相工频交流电整流成单相脉动直流电。②平波滤波电路。与三相全桥整流模块的输出端连接，用于将单向脉动直流电转换成恒定的直流电流源。③保护电路。连接在平波滤波电路和逆变桥电路之间，用于在工作异常时，将平波滤波电路中的储能快速释放。④逆变桥电路。与平波滤波电路连接，用于将直流电逆变成交流电。⑤负载振荡器。与逆变桥电路的输出端连接，用于产生单相高频交流电。⑥整流控制电路。用于控制三相全桥整流模块的整流工作。⑦信号采集电路。对逆变桥电路的输出端进行电流检测和电压检测。⑧逆变控制电路。将检测到的电流信号作为初始信号，将检测到的电压信号作为反馈信号，经过处理后用于控制逆变桥电路。⑨信号反馈电路，将检测到的电流信号和电压信号与工频电流信号叠加后分别反馈给控制保护电路、整流控制电路和逆变控制电路。逆变器件采用绝缘栅较晶体管I G B T，这种器件有自关断能力，其开关过程只受栅较驱动电压控制，高电平维持开通，低电平保持阻断，是一种压控开关器件，只需提供高低电平即可以控制晶体管的导通和关断，因此由控制线路产生一组方波脉冲，经过相位调整及功率放大电路传输至晶体管的驱动脉冲板，来控制IGBT晶体管的导通和关断。

　　由于驱动脉冲的频率随负载振荡器的固有频率变化，并始终保持一致，因此驱动脉冲的相位与振荡器的振荡电流的相位一致。同时通过检测振荡器振荡电压信号，形成一路脉冲信号，与驱动脉冲的前一级信号进行相位比较，产生相位差信号经调整运放反馈电路，传输至脉冲形成电路，调整输出脉冲的频率，保持振荡器的振荡电流和电压的相位稳定，以保证逆变的效率稳定。因此振荡回路的启动不需要另备启动回路，由整流回路提供直流电压即可发生反应振荡回路，控制回路检测并跟进保持振荡。

　　（3）串并联负载分析 倍压式串并联负载等效电路分析如图2所示。

　　负载品质因数Q＝25～30；这种电路是在并联谐振回路上的改进，一般情况下，C1为并联无功补偿电容器，L为熔炉负载线圈，这两部分直接并联形成谐振回路时，线圈两端的电压等于逆变输出电压。如果在负载线圈支路串联补偿电容器C2，补偿一部分无功功率，补偿后仍需要保持电感性，这时线圈两端的电压和电容两端的电压会产生一定的相位差，形成一个线圈两端电压升高的效果。负载回路等效电路电压、电流矢量分析。

　　矢量分析解析的公式在许多参考书中有描述，这里不再详述。

　　经验公式为：UL ≈ UH[1＋（C1/C2）]

　　UL为 电 感 电 压 ，UH为 逆 变 回 路 输 出 中频电压，C1为并联补偿电容，C2为串联补偿电容。

　　并联谐振回路中C2和L是一种串联关系，因此在C2上会累计一部分直流电荷，需要采取清理措施，本台设备运行中在C2两端并联斜通电感LT，可以清理直流成分，此措施简单可靠。

　　熔炉部分的线圈由矩形导电纯铜管多圈绕制而成，是一个电感，芯部中间有打结炉衬料隔离，一般情况下打结完成后带打结坩埚进行烘炉或加入一部分需熔化的金属材料进行烘炉，坩埚和要熔化的金属材料都是磁性材料，在温升过程中许多参数都会有变化，特别是对线圈的电感量有直接的影响，会导致电压、电流的相位关系发生变化。熔化过程中，负载的固有频率也有很大的变化范围，重载和轻载的频率变化范围有的可以达到固有频率的1.5倍，由于工作过程中负载不能进行调整，因此需要中频电源有较宽的跟进范围，并且在不同负载情况下都能正常启动。晶体管电源的频率特性和负载特性可以有效地满足此类负载的特殊需求。

　　3.熔铝炉（1t）参数验证计算实例数据：

　　中频电源额定功率PH＝600k W；

　　中频额定电压UH＝750V；

　　熔炉线圈直径DL＝900mm；

　　熔炉线圈高度HL＝820mm；

　　熔炉线圈匝数WL＝9匝；