专利名称：一种可变频操作感应加热设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属材料的熔炼技术，特别提供了一种可变频操作感应加热设备。
感应加热设备广泛应用于金属材料及制品的熔炼、透热、热处理和焊接等工序，具有加热速度快，氧化层薄、金属烧损少、炉温容易控制等优点。传统的感应加热设备采用的是晶闸管中频电源，晶闸管为换流关断型器件，管子导通后，只能依靠外部换流电路使流过管子的电流下降至零，或使管子两端的电压反向而关断，因而将晶闸管用于感应加热装置时，除需设置启动电路和强制换流电路外，还由于晶闸管的关断时间长，开关损耗大，开关频率低及起动易失败等问题。其相应的逆变控制电路一般采用分离元器件或普通集成电路组成，对负载谐振频率的跟踪只能在固定的频率范围内进行，而且线路复杂、故障率高、维修困难。正是由于传统技术的固有的局限性(逆阻关断型器件，起动困难，不易应用在频繁启动场合)，因而设备不能满足现代金属热处理工艺的要求，如要提高材料均质化程度，则在熔炼过程中要求加热设备可变频操作，即高频熔炼，低频搅拌；研究材料冶炼新工艺，要求设备能工作在不同的频率范围等，这些要求传统加热设备很难满足。
本发明的目的在于提供一种可变频操作感应加热设备，其可以克服以上技术缺陷，实现熔炼过程中的可变频操作，以及不同频点熔炼等要求，可最大限度地满足现代金属热处理工艺的要求。
本发明提供了一种可变频操作感应加热设备，由电源和炉体两大部分组成，其中的电源部分由整流电路、滤波电路、逆变电路、负载顺序联结而成，负载通过逆变器控制电路与逆变电路相接，同时通过整流器控制电路与整流电路相接，其特征在于所述逆变电路为由V1、V2、V3、V4四个IGBT组成的逆变桥路，V1/V4和V2/V3由逆变控制电路分别控制交替导通，桥路输出通过中频变压器B加到感应负载L和补偿电容C组成的并联谐振电路上；所述逆变器控制电路的核心为89C51单片机，其以检测到的逆变电路输出的中频电压信号为输入信号，与输出的触发脉冲相位进行比较跟踪，其输出的触发脉冲通过IGBT驱动电路控制V1/V4和V2/V3交替导通。
此外，本发明还采用集成移相调控晶闸管模块ZLMK构成三相整流电路；整流控制电路由控制和保护两部分组成；三相电流互感器IM1、IM2、IM3的输出通过与P6电流限定值的信号比较放大，经二极管D17再与功率给定电位器P7输出在U30DTL084中进行信号合成构成控制电路部分，其输出接整流模块ZLMK的控制端以调节整流模块输出电压；中频电压互感器B的输出和功率给定电位器P7的输出通过异或门A1控制三极管T3的基极构成保护电路部分，T3的集电极与整流模块的控制端相联。
本发明中所述隔离变压器B为多抽头变压器。所述电容C可以通过中频接触器的触头切换而改变其容量。所述V1、V2、V3、V4的两端分别并联电阻RsCs构成RC阻容吸收电路。
具体地说，本发明各组成部分的相互关系见附
图1、图2。
三相交流电经过集成移相调控晶闸管模块ZLMK变成脉动直流电，经平波电抗器Ld滤波后变成平滑直流电，作为逆变器的恒流源；由IGBT(V1、V2、V3、V4)组成的逆变桥将直流电能转化为中频交变电能，并通过多抽头中频隔离变压器B送入LC(L为感应器线圈、C为补偿电容器)组成的并联负载中，这种方式只要改变变压器的抽头即可使同一台熔炼设备适应不同负载阻抗的要求，以达到最佳负载匹配。控制系统包括整流控制电路(见图3)和逆变控制电路(见图5)；整流控制电路实现电源的功率调节、截流截压和过流过压保护功能。逆变控制完成频率跟踪、脉冲触发和隔离驱动功能，因为用于熔炼的负载各不相同，熔炼过程中负载参数变化大，因而逆变控制电路应对负载谐振频率进行跟踪，使负载在熔炼过程中始终处于准谐振状态。
本发明采用全新的频率跟踪技术，对任何负载都可自动完成从它激启动到自激运行的全过程，而负载始终处于准谐振状态。其原理是根据并联逆变器为电流型(恒流源)逆变器，IGBT的栅极触发脉冲必定与逆变器输出的中频电流同相位，因而通过检测中频电压信号，采用定时原则，使中频电压始终滞后中频电流固定时间，使系统运行在接近谐振状态(偏容性)，即可实现频率跟踪。即开机后首先由MCU发出合适的固定频率脉冲驱动信号，系统由他激启动，建立中频电压信号，随着功率的增加，当中频电压达到设定值之后，MCU就可检测到中频电压信号，并与触发脉冲的相位进行比较，当滞后时间太长(超过设定时间范围)说明系统偏容性太大，应降低触发脉冲的频率，而当滞后时间太短，说明系统偏感性，因而应增高触发脉冲的频率，MCU通过不断地检测、判断并修正，就可以始终跟踪负载谐振频率的变化。
本发明具有下述特点①采用集成移相调控晶闸管模块构成三相整流电路。
②采用自关断器件IGBT(绝缘栅双极晶体管)组成逆变桥路。
③以MCU为核心构成逆变控制电路，自动完成从它激启动到自激运行的全过程。
④相应的频率跟踪功能可以自动地工作在不同的频段，在不同频段又可自动地跟踪负载谐振频率的变化。
⑤以异或门电路为核心构成逆变器及感应负载工作状态监测及保护系统。
⑥采用多抽头隔离变压器输出中频功率，可以调节负载阻抗，适应不同的感应负载，以达到最佳负载匹配，输出最大功率。
⑦采用自动切换补偿电容器方式以改变谐振频率，实现熔炼过程中的可变频操作。
⑧采用并联谐振的方式组成负载谐振槽路。
⑨MCU可编程控制，自动完成熔炼操作的全过程，适用于自动化连续生产。
总之，本发明由于采用以上技术手段，新型的感应熔炼设备可通过切换补偿电容器，改变隔离变压器的抽头适应于不同的感应负载，达到一机多用的目的，即金属可在不同的感应频率下熔炼，通过对比试验，可以找到最佳的冶炼工艺条件；而对同一负载，通过切换补偿电容器可使用不同的频率进行感应熔炼，达到高频熔炼，低频搅拌的目的，即通过高频熔炼，可以快速加热，以减轻氧化、减小烧损，通过低频搅拌，提高材料的均质化程度。在任何情况下，逆变控制电路都能跟踪负载谐振频率的变化，使负载在加热过程中始终处于准谐振状态。
下面通过实施例详述本发明。
附图1为本发明主电路框图。
附图2为本发明逆变原理图。
附图3为本发明整流控制电路。
附图4为本发明整流控制原理图。
附图5为本发明逆变控制电路。
附图6为本发明逆变控制电路。
附图7为本发明逆变控制电路。
附图8为本发明IGBT驱动电路。
附图9为本发明逆变控制电路。
附图10为本发明工作状态信号显示。
实施例选用SIEMENS公司75A,1700V IGBT模块构成逆变器，隔离驱动电路选用MITSUBISHI公司的M57962L研制成功5KG感应熔炼设备。
熔化时输出直流电压为500V，直流电流为54A，输出功率为27KW，高频熔化时负载的谐振频率为5681HZ，熔化时间为9min；低频搅拌时负载的谐振频率为2143Hz，低频搅拌时由于电动力的挤压作用，坩埚内熔体上下急剧翻腾，熔体液面出现明显的驼峰。
图1为主电路框图三相工频交流电能经整流电路整流后变成脉动直流电，经滤波电路滤波后变成平滑的直流电，送入逆变器；由逆变控制电路控制，逆变器将直流电逆变成中频交流电能，加到负载上，实现感应加热的目的。
图2为逆变原理图ABC三相电经整流模块ZLMK整流后，经滤波电感Ld滤波后变成恒定的直流电流源。四个IGBT(V1、V2、V3、V4)组成逆变的四个桥臂，由逆变控制电路分别控制V1/V4和V2/V3交替导通，就将直流电变成中频交流电，并通过中频变压器B加到电感L(感应负载)、电容C组成的并联谐振电路上。补偿电容C的容量可通过中频接触器的触头进行切换，以实现可变频操作。V1、V2、V3、V4的两端并联的电阻Rs、电容Cs用于构成RC阻容吸收电路，以吸收IGBT关断时由于线路上的寄生电感造成的浪涌电压。SCR和R组成放电回路，当发生异常情况(如逆变停止)时启动，以便泄放滤波电感Ld中储存的电能，防止逆变器件IGBT因过电压而损坏。
图3为整流控制电路框图调节功率给定电位器可以调节整流模块的输出直流电压，从而调节逆变器的输出功率。当电流互感器输出信号低于电流限定值时，二极管D17截止，构成开环控制系统，输出功率线性增加。当电流互感器输出信号高于电流限定值时，二极管D17导通，构成闭环控制系统，限制输出电流的增加。
图中异或门A1的功能是防止逆变器件损坏或输出感应器短路而设置的保护电路。当功率设定值超过给定阈值电压(比较器A输出高电平)，而中频电压互感器尚未超过启动中频电压设定值(比较器B输出低电平)时，经异或门电路判断后输出高电平经保持电路后，通过三极管关断整流模块控制信号，使其输出电压为零；设置二极管D7，是为了防止因中频电压互感器输出信号的波动而造成的误判，当比较器B输出低电平时二极管D7导通，将比较器A的输出强制拉为低电平(其输入信号不起作用)，而当比较器B输出高电平时，二极管D7截止，这时，比较器A只有输出高电平，即中频电压应超过设定值，才能正常启动(异或门输出低电平，三极管T3截止)，而当比较器A的输出为低电平时(逆变器件损坏或输出感应器短路等异常情况)，异或门输出高电平，三极管T3导通，从而关断控制信号。
图4为整流控制原理图三相电流互感器输出信号经二极管D10-D15整流，电容C22、电阻R45滤波后变成平滑的直流信号。由P3取样再经R51、R52、R53、C24、C25构成的RC滤波电路送到TL084A-3脚，TL084A接成电压跟随器起隔离作用，其1脚输出接TL084B反相端6脚，其同相端5脚接电流限定电位器P6，经TL084B比较运算后，由7脚输出信号并经二极管D17送到TL084D的12脚。而功率调节电位器P7电压信号经TL084C隔离驱动后，由8脚输出电压信号经R59、R60分压后同时送到TL084D的12脚，经加法运算后通过R63输出控制信号加到整流模块2脚控制端，调节整流输出电压。
二极管D18、电位器P5用于限定控制信号电压幅值或整流模块输出电压。
比较器LM339D用于监测过流信号，其输出端2脚接U29-NE555的2脚，U29-NE555接成触发器以构成信号保持电路，其3脚输出经二极管D16加到三极管T3的基极。
中频电压互感器输出信号经B5整流、电容C14电阻R35、R36滤波后输出的直流信号送到比较器LM339A-7脚，与6脚设定电压比较后经1脚输出电平信号到异或门CD4030A-1脚，同时经过二极管D7进到2脚；功率给定电位器信号送到比较器LM339B-11脚，与10脚给定电压比较后经13脚输出电平信号到异或门CD4030A-2脚，经逻辑判断后，由3脚输出电平信号到CD4030B-6脚，5脚接固定高电平，使CD4030B构成反相器，4脚输出的电平信号送到NE555的2脚，NE555接成触发器构成信号保持电路，保持信号由3脚输出。异常情况时，3脚输出高电平，通过R64、T3关掉整流控制信号。
图5为逆变控制电路框图控制系统以单片机为控制核心完成频率跟踪、产生逆变控制信号、补偿电容自动切换、故障信号处理、输入信号处理、输出信号显示等功能。
图6为逆变控制电路图6中U21-LM339为电压比较器，其反相端6脚接地。电压互感器检测到的正弦电压信号经R21加到比较器的同相输入端7脚，反并联的两个二极管D2、D3用于限制输入电压幅值。经比较后由1脚输出方波电压信号，经U23光耦6N137光电隔离转换后输入电片机89C51的14脚，用于频率跟踪及驱动信号的同步信号。
U23光耦TLP521-4、U24A-C电压比较器LM339及其辅助电路用于三相电缺相保护。
图7中U6为EEPROM芯片X25045、U7为WATCHDOG芯片DS1302。单片机89C51的P0.0-P0.3端口输出IGBT控制信号，分别经6N137光耦U9-U12隔离驱动后加到逆变器的四个IGBT桥臂(V1、V2、V3、V4)上。U13光耦TLP521-2用于检测IGBT过流信号，其信号加到U8的12脚。
图8中M57962为IGBT集成驱动电路，其13和14脚为信号输入端，5脚为信号输出端，通过电阻R4加到IGBT的G极，1脚通过快恢复二极管D1接到IGBT的C极，8脚为过流信号输出端。
图9中单片机89C51的P2.0-P2.2端口输出显示信号，经U16D-F驱动器74LS07驱动后，经U17-19光耦6N137隔离驱动后输出；P2.4端口经U16A驱动器74LS07驱动、U20光耦TLP521-2隔离驱动后，用于驱动中频接触器，进行电容器切换。U14、U15光耦用于输入隔离。
图10中MAX7219为串口八位LED显示驱动器，其1脚为串口数据输入端，13脚为时钟输入端，电阻R1用于控制LED的驱动电流。其D0-D8脚接LED数码管的位控制端，其SA-SG接LED数码管的段控制端。显示部分的D0-D7为LED数码管，其中D0-D3为时间显示，D4-D7为频率显示；D8-D13为LED故障指示灯。
权利要求
1．一种可变频操作感应加热设备，由电源和炉体两大部分组成，其中的电源部分由整流电路、滤波电路、逆变电路、负载顺序联结而成，负载通过逆变器控制电路与逆变电路相接，同时通过整流器控制电路与整流电路相接，其特征在于所述逆变电路为由V1、V2、V3、V4四个IGBT组成的逆变桥路，V1/V4和V2/V3由逆变控制电路分别控制交替导通，桥路输出通过中频变压器B加到感应负载L和补偿电容C组成的并联谐振电路上；所述逆变器控制电路的核心为89C51单片机，其以检测到的逆变电路输出的中频电压信号为输入信号，与输出的触发脉冲相位进行比较跟踪，其输出的触发脉冲通过IGBT驱动电路控制V1/V4和V2/V3交替导通。
2．按照权利要求1所述变频感应加热设备，其特征在于采用集成移相调控晶闸管模块ZLMK构成三相整流电路；整流控制电路由控制和保护两部分组成；三相电流互感器IM1、IM2、IM3的输出通过与P6电流限定值的信号比较放大，经二极管D17再与功率给定电位器P7输出在U30DTL084中进行信号合成构成控制电路部分，其输出接整流模块ZLMK的控制端以调节整流模块输出电压；中频电压互感器B的输出和功率给定电位器P7的输出通过异或门A1控制三极管T3的基极构成保护电路部分，T3的集电极与整流模块的控制端相联。
3．按照权利要求1或2所述变频感应加热设备，其特征在于所述隔离变压器B为多抽头变压器。
4．按照权利要求1或2所述变频感应加热设备，其特征在于所述电容C通过中频接触器的触头切换而改变其容量。
5．按照权利要求1或2所述变频感应加热设备，其特征在于所述V1、V2、V3、V4的两端分别并联电阻RsCs构成RC阻容吸收电路。
全文摘要
一种可变频操作感应加热设备,电源部分由整流电路、滤波电路、逆变电路、载顺序联结而成,其特征在于:所述逆变电路为由V
文档编号H05B6/02GK1300176SQ99122629
公开日2001年6月20日 申请日期1999年12月14日 优先权日1999年12月14日
发明者李东华, 姜志民, 刘炳东, 李兴华 申请人:中国科学院金属研究所