專利名稱：小型大功率開關(guān)逆變中、高頻磁感應(yīng)加熱設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種功率振蕩器，特別是一種小型大功率逆變中、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備。
目前在工業(yè)企業(yè)中使用的大功率中高頻電磁感應(yīng)加熱設(shè)備都是采用大功率的工頻變壓器以及其它大型的電器元件，如大電感、大電容、大功率電子管組成的，其體積龐大，設(shè)備沉重，安裝調(diào)試復(fù)雜，僅適用于固定場(chǎng)所，同時(shí)在設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的高壓，使它的安全性和可靠性降低。
本實(shí)用新型的目的在于提供一種可靠性和安全性高，且節(jié)能的小型大功率逆變中、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備。
本實(shí)用新型是用如下方式完成的小型大功率開關(guān)逆變中、高頻磁感應(yīng)加熱設(shè)備，它包括變壓器B1的次級(jí)并接感應(yīng)加熱器線圈L1，以及接于交流電源上的整流橋電路ZL1和濾波電客C1，其特征是由晶體管T1、T2、T3、T4的c、e兩端分別并接二極管D1、D2、D3、D4和電容C2、C3、C4、C5組成橋式逆變電路并接于整流電路ZL1的的輸出端，從橋式逆變電路輸出接變壓器B1的初級(jí)串接電客C8組成的諧振電路，由主控集成電路IC1輸出頻率可變、占空比固定相位、相差180°的兩路脈沖信號(hào)P1和P2至零壓開通驅(qū)動(dòng)集成電路IC2的輸入端，從零壓開通驅(qū)動(dòng)集成電路IC2輸出四路獨(dú)立的脈沖信號(hào)P11、P12、P13、P14分別接至晶體管T1、T2、T3、T4的控制極，脈沖信號(hào)P11與P14時(shí)序相同，P12與P13時(shí)序相同，晶體管T1、T2、T3、T4的c、e端分別接至零壓開通驅(qū)動(dòng)集成電路IC2的檢測(cè)輸入端。晶體管T1、T2、T3、T4是絕緣柵雙極型晶體管IGBT或林功率場(chǎng)效應(yīng)管。主控集成電路IC1的輸入端上接有調(diào)節(jié)電路TJ，調(diào)節(jié)電路TJ是由可調(diào)電阻構(gòu)成。
本實(shí)用新型小型大功率逆變中、高頻磁感應(yīng)加熱設(shè)備采用零電壓開通諧振逆變方法，使橋式逆變電路的晶體管T1～T4開通損耗消除，并使其關(guān)斷損耗減小，提高了設(shè)備工作的可靠性，高效節(jié)能。由于該設(shè)備電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，使其體積小、重量輕，便于移動(dòng)攜帶作業(yè)，同時(shí)它具有安全性高，無(wú)需調(diào)試，維護(hù)方便，加熱迅速，用途廣泛。


圖1是本實(shí)用新型電路原理圖。
圖2是主控集成電路IC1的原理框圖。
圖3是零壓開通驅(qū)動(dòng)集成電路IC2的原理框圖。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明參照?qǐng)D1，本實(shí)用新型小型大功率逆變中、高頻磁感應(yīng)加熱設(shè)備是由橋式逆變電路、感應(yīng)加熱器、主控集成電路IC1、零壓驅(qū)動(dòng)集成電路IC2等組成、橋式逆變即是將直流電通過(guò)開關(guān)執(zhí)行元件有序的通斷，轉(zhuǎn)換成一定頻率的交流電，通過(guò)變壓器B1傳輸電能的一種方法；本技術(shù)采用大功率電力電子器件——絕緣雙極型晶體管(簡(jiǎn)稱IGBT管)或大功率場(chǎng)效應(yīng)管作為開關(guān)執(zhí)行元件，采用零電壓開啟全橋變換結(jié)構(gòu)，在控制電路的操控下實(shí)行開關(guān)逆變過(guò)程，其技術(shù)結(jié)構(gòu)及原理敘述如下見(jiàn)圖1，由電網(wǎng)三相或單相工頻交流電380V或220V通過(guò)整流橋ZL1以及濾波電客C1直接整流獲得直流電源，提供給橋式逆變電路，橋式逆變電路由T1--T4開關(guān)管(本技術(shù)采用IGBT管)組成兩個(gè)橋臂，T1--T4開關(guān)管分別對(duì)應(yīng)并聯(lián)有二極管D1--D4和電客C2--C5，形成一個(gè)完整的零壓開啟的全橋變換結(jié)構(gòu)，在T1、T2半橋臂并接由R1、C6組成的RC緩沖保護(hù)，在T3、T4半橋臂并接由R2、C7、D5組成的RCD緩沖保護(hù)電路，開關(guān)變壓器B1的初級(jí)與電容C8串聯(lián)作為全橋的負(fù)載，電路中互感器TEST1用于檢測(cè)逆變電流之大小，互感器TEST2串聯(lián)于直流回路中用于工作過(guò)程中的過(guò)流和故障過(guò)流保護(hù)，開關(guān)變壓器B1次級(jí)直接與感應(yīng)加熱器1連接，交流電流通過(guò)L1產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，通過(guò)感應(yīng)磁場(chǎng)，對(duì)金屬材料進(jìn)行加熱。
在主控集成電路IC1的控制下，由其輸出兩路頻率可變，相位相差180°、占空比固定的脈沖信號(hào)P1、P2，此兩路信號(hào)經(jīng)零壓開通驅(qū)動(dòng)集成電路IC2處理分解出四路獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)P11--P14，其中，P11與P14時(shí)序相同，P12與P13時(shí)序相同；P11、P14分別控制T1、T4開關(guān)管的通斷，而P12、P13分別控制T2、T3的通斷；本技術(shù)的關(guān)鍵在于T1--T4管在工作過(guò)程中處于零電壓自然開通，即T1--T4管的導(dǎo)通取決于P1或P2脈沖信號(hào)是否出現(xiàn)和P1或P2所對(duì)應(yīng)要驅(qū)動(dòng)的開關(guān)管T1、T4或T2、T3管ce兩端的電壓是否為零這兩個(gè)條件，當(dāng)P1出現(xiàn)，而且T1、T4管上的電壓為零時(shí)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路便會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)脈沖P11、P14使T1、T4管導(dǎo)通；此外，當(dāng)P1使消失P11、P14隨即消失，從而關(guān)斷T1、T4管；同理，T2、T3管的通斷則取決于P2脈沖以及T2和T4管ce間的電壓狀態(tài)。在圖1中的橋式變換結(jié)構(gòu)中，P1、P2脈沖以某一頻率和時(shí)序交換出現(xiàn)，并產(chǎn)生出相互對(duì)應(yīng)的P11、P14和P12、P13驅(qū)動(dòng)脈沖，設(shè)某一時(shí)刻P11、P14出現(xiàn)使T1和T4管導(dǎo)通，直流電源E(+)端施加于橋臂的a點(diǎn)，(-)端則與橋臂之b點(diǎn)相通，促使開關(guān)變壓器初級(jí)電流由前一時(shí)刻的b點(diǎn)向a點(diǎn)流動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)向由a點(diǎn)向b點(diǎn)流動(dòng)，此時(shí)開關(guān)變壓器初級(jí)等同一電感L和電阻R串聯(lián)，其值取決于輸出感應(yīng)器包括被加熱金屬在內(nèi)的電感量、輸出回路分布感抗和開關(guān)變壓器結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)參數(shù)等，從而在橋臂之間即a、b兩點(diǎn)之間形成一個(gè)LCR串聯(lián)諧振回路，在直流電源的驅(qū)使下，電流iab以LCR固有的規(guī)律變化，當(dāng)iab由b流向a轉(zhuǎn)向由a流向b并達(dá)到某一值時(shí)，在控制電路的控制下，使P1脈沖消失，從而使P11、P14脈沖消失，使T1、T4管關(guān)斷，由于感性負(fù)載電流不能突變，此時(shí)電流iab向T1、T4管并聯(lián)電客C2、C5充電，使C2、C5電客兩端之電壓亦即T1、T4兩管ce間之電壓由零(T1--T4管導(dǎo)通時(shí)ce間電壓約為2.5--3.5V，視為零)向直流電源E值變化，而T2、T3管并聯(lián)電容C3、C4電壓即T2、T3管ce間電壓則由E向零壓變化，當(dāng)變化至Uc2、Uc5＝1，Uc3、Uc4＝0時(shí)，由于續(xù)流二極管D2、D3之作用，C2-C5各電客的變化即停止，電流iab通過(guò)D2、串聯(lián)回路LCR、D3流向電源(+)端，電流變化規(guī)律取決于回路LCR參數(shù)。在P1消失后，通過(guò)控制輸出P2脈沖，輸入至驅(qū)動(dòng)電路IC2中，為驅(qū)動(dòng)T2、T3管作準(zhǔn)備，由于T1、T4管的關(guān)斷促使T2、T3管兩端(ce間)電壓向零壓變換，當(dāng)達(dá)到前述的Uc2、Uc4＝0時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路滿足了零壓開啟的條件，而自動(dòng)輸出P12、P13驅(qū)動(dòng)脈沖，使T2、T3管處于開通狀態(tài)，促使逆變電流由原來(lái)的a點(diǎn)流向b點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)化為b點(diǎn)流向a點(diǎn)，其變化規(guī)律依然按LCR回路固有規(guī)律進(jìn)行，其原理與T1、T4管開通、關(guān)斷時(shí)相同。由此可見(jiàn)，通過(guò)有序的開通關(guān)斷T1、T4和T2、T3，便能在橋a、b間負(fù)載上獲得交流電流，并通過(guò)開關(guān)變壓器變換給次級(jí)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流供給感應(yīng)加熱器。
上述的開關(guān)逆變過(guò)程是在主控集成電路IC1與驅(qū)動(dòng)集成電路IC2有機(jī)配合下實(shí)現(xiàn)的，圖2為主控集成電路IC1原理方框圖。主控集成電路IC1為MCC9500主，控集成電路IC1與橋式逆變電路、驅(qū)動(dòng)集成電路IC2的連接方式見(jiàn)圖1，該電路負(fù)責(zé)向驅(qū)動(dòng)電路IC2發(fā)出兩路頻率可變、占空比固定、相位相差180°脈沖信號(hào)P1、P2，同時(shí)接收由外圍電路T5送來(lái)的給定電路信號(hào)，接收由TEST1電流傳感器送來(lái)的逆變電流(與輸出感應(yīng)加熱電流成比例)信號(hào)，接收由TEST2傳感器送來(lái)的故障過(guò)流信號(hào)，接收由TK1—TK3溫度繼電器送來(lái)的過(guò)熱信號(hào)，接收由外圍程序電路送來(lái)的啟動(dòng)與停止信號(hào)等。如圖2所示，主控集成電路IC1的主要功能是通過(guò)閉環(huán)負(fù)反饋調(diào)節(jié)輸出頻率可調(diào)脈沖來(lái)達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定，由TEST1送來(lái)的與輸出感應(yīng)電流相對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)，經(jīng)反饋電路FK處理后送入比較器BJ中與給定GD的電流信號(hào)進(jìn)行比較，其誤差值經(jīng)電壓頻率轉(zhuǎn)換電路YP產(chǎn)生某一頻率脈沖信號(hào)，該脈沖通過(guò)脈沖調(diào)節(jié)電路MT產(chǎn)生兩路相序相差180°占空比固定的脈沖信號(hào)，經(jīng)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路QD輸出，即P1、P2。并由P1、P2產(chǎn)生相應(yīng)的P11、P12、P13、P14使逆變橋能有序工作，從而獲得一定的逆變電流，如此閉環(huán)調(diào)節(jié)，而獲得所需輸出感應(yīng)電流并使系統(tǒng)工作穩(wěn)定。為使逆變回路啟動(dòng)后能夠進(jìn)入正常的零壓開通逆變狀態(tài)，主控電路IC1設(shè)置了第一脈沖啟動(dòng)電路MQ，即每次啟動(dòng)逆變電路工作時(shí)，該電路能保證脈沖調(diào)節(jié)電路MT輸出的第一個(gè)脈沖P1或P2是一個(gè)完整的脈沖，為驅(qū)動(dòng)電路啟動(dòng)逆變主回路創(chuàng)造條件。
見(jiàn)圖2，為使系統(tǒng)可靠的工作，在主控集成電路IC1電路的輸入端還接有多種保護(hù)電路，TEST2傳感器用于監(jiān)測(cè)直流電源輸出電流是否超過(guò)允許值，若發(fā)生此種情況，證明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，TEST2輸出一信號(hào)進(jìn)入主控集成電路IC1中的故障電路GZ中，并通過(guò)保護(hù)電路對(duì)脈沖電路進(jìn)行關(guān)閉，達(dá)到故障保護(hù)的目的，由TEST1送來(lái)的反饋電流信號(hào)，除進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)外，同時(shí)亦輸?shù)街骺仉娐稩C1中過(guò)流保護(hù)電路GL中，以保證系統(tǒng)工作不過(guò)載，在設(shè)備中的主要發(fā)熱元件T1--T4及B1旁設(shè)置了溫度繼電器TK1--TK3，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)熱情況時(shí)，TK1--TK3輸出一信號(hào)進(jìn)入主控電路IC1的過(guò)熱保護(hù)電路GR中使系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)閉，在三相輸入工作方式中，還設(shè)置了缺相保護(hù)電路QX；此外，還設(shè)置了水壓保護(hù)電路SB，當(dāng)水壓不足時(shí)，通過(guò)該電路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)閉。
圖3為逆變橋開關(guān)管T1--T4的零壓開通驅(qū)動(dòng)集成電路IC2，驅(qū)動(dòng)集成電路IC2采用DC9的0，其接收主控集成電路IC1的P1、P2脈沖信號(hào)，并分解出P11--P14四路獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)脈沖對(duì)T1--T4管進(jìn)行開通和關(guān)斷，在前述的主回路開關(guān)逆變，原理中已說(shuō)明，逆變橋臂中的T1--T4管在驅(qū)動(dòng)電路IC2的操作下是處于零電壓開通、強(qiáng)迫關(guān)斷的工作方式，但是在逆變橋啟動(dòng)之前，T1--T4管兩端(ce間)電壓皆不為零，無(wú)法實(shí)現(xiàn)零壓開通并進(jìn)入逆變狀態(tài)，為解決這一矛盾，在圖3所示的驅(qū)動(dòng)電路中的其中兩路驅(qū)動(dòng)電路DR1、DR4(專為驅(qū)動(dòng)T1、T4管)中，設(shè)置了第一脈沖強(qiáng)制(非零壓)開啟驅(qū)動(dòng)功能，如圖3所示，，DR1電路由高速光耦器OPT、脈沖整形MZ、零壓判別LYP，脈沖驅(qū)動(dòng)MQD以及第一脈沖強(qiáng)制啟動(dòng)電路DYM等組成，正常工作時(shí)，P1脈沖經(jīng)高速光耦OPT傳輸至脈沖整形電路MZ獲得一脈沖并輸至零壓判別電路LYP，當(dāng)T1兩端(ce間)電壓為零時(shí)，零壓判別電路LYP允許脈沖輸出并通過(guò)驅(qū)動(dòng)而獲得驅(qū)動(dòng)脈沖P11，當(dāng)P1消失時(shí)，P11自然消失，從而實(shí)現(xiàn)零壓開通，強(qiáng)迫關(guān)斷過(guò)程，但在開始啟動(dòng)之前，第一脈沖強(qiáng)制啟動(dòng)電路DYM輸出一控制信號(hào)可直接控制零壓判別電路LYP允許脈沖信號(hào)直接通過(guò)，而不受T1管兩端電壓狀態(tài)控制，當(dāng)P1第一個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，便可直接通過(guò)零壓判別電路LYP而獲得P11以驅(qū)動(dòng)T1管強(qiáng)制導(dǎo)通，同時(shí)，P1脈沖使第一脈沖強(qiáng)制啟動(dòng)電路DYM在延時(shí)數(shù)微秒后自動(dòng)失效并一直保持下去，直至系統(tǒng)工作停止，此時(shí)DR1電路完全變成零壓開啟狀態(tài)，同理，DR4與DR1電路工作原理相同，實(shí)現(xiàn)對(duì)T4管的開能和關(guān)斷，P1的第一個(gè)脈沖出現(xiàn)，使T1、T4導(dǎo)通，逆變橋進(jìn)入逆變狀態(tài)，P1消失，T1、T4關(guān)斷，并為T2、T3零壓導(dǎo)通創(chuàng)造條件，為了保證每次啟動(dòng)的成功，P1的第一個(gè)脈沖必須是一完整的脈沖，這就是圖2所示主控集成電路IC1設(shè)置第一脈沖啟動(dòng)電路的原因。圖3驅(qū)動(dòng)集成電路IC2中DR2和DR3由高速光耦合器OPT、脈沖整形MZ、零壓判別LYP、脈沖驅(qū)動(dòng)MQD電路組成。分別驅(qū)動(dòng)T2、T3管通斷，除不具備第一脈沖強(qiáng)制開通功能外，其工作原理與與DR1、DR3正常工作原理相同，在此不再?gòu)?fù)述。
除上述核心電路外，本設(shè)備還設(shè)置了感應(yīng)電流、頻率顯示電路XS，工作狀態(tài)顯示電路ZT、外圍程序控制電路，感應(yīng)電流調(diào)節(jié)電路TJ，水冷卻保護(hù)開關(guān)SK等，并具有啟動(dòng)、停止及輸出調(diào)節(jié)接口，可供與其它儀表和自控元件相駁接。
權(quán)利要求1一種小型大功率開關(guān)逆變中、高頻磁感應(yīng)加熱設(shè)備，它包括變壓器B1的次級(jí)并接感應(yīng)加熱器線圈L1，以及接于交流電源上的整流橋電路ZL1和濾波電客C1，其特征是由晶體管T1、T2、T3、T4的c、e兩端分別并接二極管D1、D2、D3、D4和電客C2、C3、C4、C5組成橋式逆變電路并接于整流電路ZL1的的輸出端，從橋式逆變電路輸出接變壓器B1的初級(jí)串接電客C8組成的諧振電路，由主控集成電路IC1輸出頻率可變、占空比固定、相位相差180°的兩路脈沖信號(hào)P1和P2至零壓開通驅(qū)動(dòng)集成電路IC2的輸入端，從零壓開通驅(qū)動(dòng)集成電路IC2輸出四路獨(dú)立的脈沖信號(hào)P11、P12、P13、P14分別接至晶體管T1、T2、T3、T4的控制極，脈沖信號(hào)P11與P14時(shí)序相同，P12與P13晨序相同，晶體管T1、T2、T3、T4的c、e端分別接至零壓開通驅(qū)動(dòng)集成電路IC2的檢測(cè)輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述加熱設(shè)備，其特征在于晶體管T1、T2、T3、T4是絕緣柵雙極型晶體管IGBT或大功率場(chǎng)效應(yīng)管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述加熱設(shè)備，其特征在于主控集成電路IC1的輸入端上接有調(diào)節(jié)電路TJ，調(diào)節(jié)電路TJ是由可調(diào)電阻構(gòu)成。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種功率振蕩器，它克服了現(xiàn)有高頻電磁感應(yīng)加熱設(shè)備體積龐大可靠性差的缺陷，它是由經(jīng)整流電路輸出接由晶體管分別并接二極管和電容組成的橋式逆變開關(guān)電路輸出接變壓器原邊串接電容組成的諧振電路，由變壓器B副邊接電磁感應(yīng)加熱線圈，由主控集成電路輸出兩路脈沖信號(hào)至零壓開通驅(qū)動(dòng)電路分解輸出四路兩組時(shí)序的脈沖信號(hào)至主晶體管控制極，晶體管的c.e兩極分別接至驅(qū)動(dòng)電路的檢測(cè)輸入端。它適用于電磁感應(yīng)加熱。
文檔編號(hào)H02M7/521GK2251856SQ9523810
公開日1997年4月9日 申請(qǐng)日期1995年11月23日 優(yōu)先權(quán)日1995年11月23日
發(fā)明者韋小貴, 韋偉平 申請(qǐng)人:韋小貴, 韋偉平