中频电源运行原理和无源逆变技术分析

邓杨

摘 要 本文将依据中频感应加热技术原理与其技术装备的运行状况，对中频电源运行原理和无源逆变技术的应用进行分析。

【关键词】中频电源 无源逆变技术

1 中频电源及其运行原理的概念与应用

中频电源实质上是静止变频装置，具有将三相工频电源变成单项中频交流电的功能，且具有应用范围广、附在适应能力强的特点。中频电源又可用于中频感应加热炉，它能够通过整流和滤波以及逆变过程将50Hz的工频交流电变成1kHz～8kHz的中频电流，可以说是电力电子技术的无源逆变典例。中频电流可产生磁场，置于磁场的工件在楞次定律下产生热效应，从而被加热到所需要的温度。在集肤效应下，工件表层的高密度电流可以将电能转化为热能，当工件表层的温度升到一定高度，就能实现工件表层的加热。工件表层跟工件内部的电流密度差随着电流频率的增高而变大，加热层也会随之变薄。当工件加热层的温度超过了其临界的温度后就会快速冷却下来，从而实现金水材料的表面淬火的目的，且工件内部的物理性质不会因为其表面淬硬而发生变化。使工件获得其特有性能的方法除了表面淬火之外，还可以进行化学热处理。中频感应电路，即中频电源还被应用于金属垂熔工艺，让粉末状的金属成型，比如钼等稀有金属采用中频电源进行粉末冶金等等。

2 中频电源的系统性构成及其运行原理

2.1 电感滤波电路和三项桥式全控整流概念及应用

中频电源的主电路所采用的系统结构是“交流—直流—交流”的交换系统，共有电感滤波、三相全控桥整流和并联逆变电路三部分组成。其交换系统结构运行过程是整流器使用三相桥式全控整流电路在输出脉动直流电时，通过大电感滤波变换成恒流输出，从而达到并联逆变器电流源输入的要求。滤波电感能偶是整流桥连续输出直流电流，因为电流纹波变小，对此分析时可将整流桥所输出的电流看成平直电流。而滤波电感除此外还有另一种作用，即对中频电流进入工频电网起限制性作用，能够隔离高次谐波。而当无源逆变电路在逆变时失败，滤波电感可以对浪涌电流起到限制作用，以逆变器短路方式进行保护。

三项桥式全控整流所输出的直流电压，在通过电感滤波时负载直流电压。因为电感滤波的时候，电流不能突变，该电源对于后续负载而言具备了电流源的性质特点。所以，后续逆变器所供电源可视其为电流源。滤波电感能够使整流桥所输出的直流电流呈现连续性，同时还会减小电流纹波，因此可将整流桥所输出的电流当做平直电流。而滤波电感还有另外一个作用，即对中频电流形成限制作用，使中频电流无法进入工频电网，对高次谐波有隔离作用。同时，如果无源逆变电路在逆变时失败，滤波电感则可对浪涌电流形成限制作用，从而有效保护逆变器。

2.2 中频电源运行原理

中频电源的装置，是使把三相工频交流电的整流变为直流，通过电抗器进行平波之后，形成一恒定直流电源，然后再通过单相逆变桥将直流逆变成为一个单相中频交流的装置。同时，这一单项中频交路具有一定频率，可为感应线圈与谐振电容器形成的负载提供电流，并联接成为谐振电路。中频电源可分为负载电路、逆变电路、整流电路和整流控制电路等部分。其中，整流电路是采用晶闸管把三相工频交流电通过整流滤波变为直流电，并为逆变电路供给能源。而整流电路通常使用三相全控桥式整流。逆变电路，是由改换晶闸管通断顺序来把整流后的直流电能输出中频交流电能，且中频交流电能需满足工作需要的频率。整流控制电路工作过程为：从电源处获得同步电压信号，通过转换电路而产生同步的锯齿波，然后对其进行整型移相，然后，通过分频电路、锁相形成相位互差为60°的双脉冲，按照一定顺序触发晶闸管。对触发脉冲时间进行控制，调节整流桥的晶闸管导通角，从而改变直流电压，进而调节功率。集成的触发电路可分为数字与模拟两大类。其中模拟是集成锯齿波触发脉冲的电路元件集成，比较常见的有KJ和KC系列，而TCA785、TC788和TC787等应用较为广泛，而在实际中的使用问题也比较多。近几年来数字式的集成触发电路的使用也比较常见，其主要原理是把计数器电路计数脉冲的溢出当做触发信号。而触发信号移相是通过变换计数脉冲频率来达到目的。因此，整流触发控制电路可谓是中频电源装置关键部分，同时，也是十分复杂而容易发生问题需要重视的那一部分。

3 中频电源逆变器的理论基础

电路并联谐振概念是无源逆变电路理论基础。在电容与电感并联电路中，如果电容大小变化使得输入电流和电路负载两端电压同相位之时，即负载电阻将由电源输出的电能全部消耗，负载成为了电阻性，此时，这一电路便产生了并联谐振。当电路产生并联谐振的时候，正是并联电容对于感性负载所作出的安全补偿，因而电源不需要为负载供给无功功率，而只需要为负载回路供给电阻需要的全部有功功率。在此时，电路输入的总电流量最小，两个分支电流通常比电路输入的总电流大，因而，并联谐振又可称之为电流谐振、在电路产生并联谐振的时候，电容支路与电感支路中有会极大的电流流过，很容易导致电气设备烧毁或者使得各个支路的熔断器发生熔断现象。因而，在设计电路时要对各分支的电流影响做综合考虑。

4 结语

综上所述，中频电源应用范围广，对各式负载的适应能力很强。中频电源主要被应用于金属淬火、熔炼、回火、透热、焊接和热处理等。中频电源运行原理等概念较为抽象，可通过典型实例理解掌握，加深对其工作原理的掌握。而使用中频电源前，要对中频电源工作原理和中频电源装置主要的性能参数做一个充分了解，在中频电源器件如IGBT等使用过程中需注重定期维护与日常保养，定期清理其中的杂物灰尘类等。

参考文献

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作者单位

湖南劳动人事职业学院 湖南省长沙市 410126