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中頻感應加熱電源用于各種金屬材料及五金工具、機械零部件感應熱處理（淬火、退火、回火），局部或整體透熱、熔煉、熱鍛、熱鐓、釬焊和燒結等。 早期SPWM中頻電源多采用分立器件構成，系統中的振蕩器、比較器、死區發生器、驅動等需要十分謹慎的調節，且可靠性不高，現在這種方案已很少采用；后來出現了單片集成SPWM控制器，如HEF4752V等，將振蕩器、比較器、運放等集成于單片IC內部，大大簡化了系統設計，系統可靠性也大為提高；隨著高速單片機和低價位DSP的出現，數字化中頻電源開始廣泛使用，與此同時還出現了可編程數字化SPWM發生器，如SA83等，進一步簡化了系統設計，提高了系統可靠性。但是所有這些控制方案在構成一個完整的電源系統時都需要至少三路隔離電源，電源體積很難進一步減小。因此，筆者開發研制出一種基于TCA785芯片的三相全控橋整流電路作為中頻電源，其主電路原理如圖1所示，在現場使用中收到了良好的效果。 圖1 三相全控整流橋電路原理圖 TCA785移相觸發器簡介 TCA785是德國西門子公司開發的第三代晶閘管單片移相觸發集成電路，與原有的KJ系列或KC系列晶閘管移相觸發電路相比，它對零點的識別更加可靠，輸出脈沖的齊整度更好，而移相范圍更寬，且由于其輸出脈沖的寬度可人為自由調節，所以適用范圍更廣。 TCA785芯片為雙列直插式16引腳大規模集成電路，如圖2所示，其引腳5為同步電壓輸入端，通過不同的電阻可接不同的同步電壓，當接200kΩ電阻時，同步電壓可直接接220V，在應用中，需接保護作用的正反向并聯的二極管限幅電路；引腳9為鋸齒波電阻連接端，電阻阻值決定引腳10上電容C10的充電電流和引腳10鋸齒波電壓的高低，其應用范圍為3～300kΩ；引腳10為鋸齒波電容Cl0連接端，其應用范圍在500pF～1F ；引腳11為輸出脈沖移相控制直流電壓輸入端，在其有效范圍0.2V～( Vcc-2)V內連續變化時，輸出脈沖的相位可在 0°～180°間連續變化；引腳14、15 為輸出脈沖端，該兩端可輸出寬度變化、相位互差180°的脈沖，脈沖寬度受引腳12外接電容值控制。 圖2 TCA785芯片 5、10、14和15幾個主要引腳的輸入、輸出波形如圖3所示。 圖3 部分引腳的輸入、輸出波形圖 TCA785移相觸發器的主要參數包括：電源電壓8～18V或±（4～9）V，移相電壓范圍0.2～( Vcc-2) V，輸出脈沖最大寬度180°，最高工作頻率10～500Hz，最大負載電流400mA，輸出脈沖高、低電平Vcc和0.3V。 TCA785移相觸發器在中頻電源上的應用 針對目前中頻電源所使用的三相半控橋整流電路在使用中出現的一些問題，如觸發脈沖丟失和過電流燒毀晶閘管等故障，在對現有中頻電源系統做了可靠性分析之后，對三相全控橋電路采用TCA785移相觸發器設計實現，該電路在應用中可靠性有了很大提高。 1 觸發控制電路 圖4是利用TCA785移相觸發器構成的觸發控制電路，圖4中僅給出了一只TCA785觸發兩只晶閘管的電路原理圖，應用相同的三套電路便可構成三相全控整流橋電路，通過引腳復用可實現雙窄脈沖方式觸發。雙窄脈沖方式由于驅動脈寬窄，因而可以有效地減小驅動用脈沖變壓器體積，防止磁芯飽和。為了增強觸發能力，可靠觸發大功率晶閘管，對TCA785的輸出進行了放大，并且采用了脈沖變壓器隔離，使主電路與控制電路完全分開，增強了抗干擾能力。 圖4 由TCA785構成的觸發脈沖發生電路 控制電路的工作原理是: 三相全控橋的整流采用正弦波同步、移相整流方式，其移相控制端，有一個較小的直流低電壓控制范圍VT (實際值0.8～6.9V) 與晶閘管的導通角區域(三相整流時為 0°～120°) 一一對應；輸出經過整流和中間控制電路后去調節這一直流移相電平VT， 來控制整流輸出電壓從0～315V全程可調，TCA785對環境溫度的適應性較強，可用于較寬的溫度范圍 （-25℃～+85℃）。 直流電平移動控制電路如圖5所示，是非常適合于對TCA785的引腳11進行調節和控制的電路，由于來自司鉆的交流電（0～24V）經整流后的直流電平其可調范圍并不是正好對應于0°～120°的移相范圍，因此利用圖5所示的直流電平移動電路可以方便地進行移相角度限制和匹配，即調節滑動變阻器RP15，可以使直流電平VT的范圍整體向上移動或向下移動，即在晶閘管導通角不變的情況下使α角同時向前或向后移動。而對RP17的調節，如果增加其阻值，則使直流電平VT向上移動，即限制了它的最大值，亦即限制了α的最大值。而對RP16的調節，如果增加其阻值，則使直流電平VT向下移動，即限制了它的最小值，亦即限制了α的最小值。因此移相范圍的界定由此電路可方便的調節和控制，即使在調試時由于電路的參數選擇不太恰當以致對α的大小限制不好協調控制時，可通過調節TCA785的引腳9外接的可變電阻來控制其內部所產生的鋸齒波的斜率，二者兼顧，即可滿足要求。 圖5 直流電平VT移動電路 2 TCA785移相觸發器應用應注意的問題 TCA785移相觸發器采用負邏輯工作方式，即給定電壓增加，輸出脈沖的控制角增大，可控硅導通角減小，如果欲使輸出電壓隨給定成正比變化，在設計電路時應該考慮反相一次。 TCA785移相觸發器控制電壓VT范圍的確定應該利用示波器嚴格調節，必須受限幅電路的約束，不能讓它的上、下限值與鋸齒波沒有交點，否則可控硅的工作將失控，具體參數的整定依賴于實驗數據和現場經驗。 電源進線電壓的相序問題，在設計三相全控橋整流電路時，應該著重考慮電源的相序問題，如果設計不當，就會損壞晶閘管或導致電路無法正常工作，同步變壓器的選擇及應用要與主回路整流變壓器配套使用方可實現同步，一般主回路整流變壓器使用Δ/Y-11點鐘，避免三次諧波流入電網，同步變壓器的使用要與之相配合進行選擇，圖6分別給出了該電源中使用的整流變壓器和同步變壓器原、副邊的相序關系，但要考慮TCA785的引腳5所接R3、C5對同步信號相位的影響，最好在設計時就使R3、C5對相位的影響為60°的整數倍，以方便同步變壓器的選擇，這一點很重要。 圖6 整流變壓器（左）和脈沖變壓器（右）原副邊電壓向量圖 負載的影響，如果電源的阻性負載過重時(在實際應用中電阻僅4Ω，額定電流達85A，尖峰電流達120A以上)，由于需要大量的有功功率，致使整流進線電流的峰值急劇增大，導致在電源進線電阻上產生的壓降與輸入正弦波電壓疊加后送到同步變壓器的輸入端，作為同步信號送給TCA785的引腳5，通過示波器觀察發現，該疊加電壓在過零點附近存在顫抖現象，出現很多的毛刺，從而導致芯片10引腳鋸齒波斜邊也發生顫抖，輸出驅動脈沖隨之也會產生移相，結果引起進線電流劇烈變化，在平波電抗器上引起強烈振動，整流變壓器的噪聲在α角較大時也很大，甚至對電網造成沖擊，解決辦法是在電源的進線端加裝額定電壓降為8.8V的進線電抗器，這些現象消失，同時對電網的污染大為減小。 結語 將TCA785移相觸發器應用于中頻加熱感應電源上，使之性能大大提高，減少了維修工作量，降低了成本，具有相當的經濟效益和社會效益，在冶金領域中有著十分廣闊的應用前景。 |
