基于TCA785移相觸發(fā)器的中頻感應(yīng)加熱電源

中頻感應(yīng)加熱電源用于各種金屬材料及五金工具、機(jī)械零部件感應(yīng)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(jié)等。

早期SPWM中頻電源多采用分立器件構(gòu)成，系統(tǒng)中的振蕩器、比較器、死區(qū)發(fā)生器、驅(qū)動(dòng)等需要十分謹(jǐn)慎的調(diào)節(jié)，且可靠性不高，現(xiàn)在這種方案已很少采用；后來出現(xiàn)了單片集成SPWM控制器，如HEF4752V等，將振蕩器、比較器、運(yùn)放等集成于單片IC內(nèi)部，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可靠性也大為提高；隨著高速單片機(jī)和低價(jià)位DSP的出現(xiàn)，數(shù)字化中頻電源開始廣泛使用，與此同時(shí)還出現(xiàn)了可編程數(shù)字化SPWM發(fā)生器，如SA83等，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)可靠性。但是所有這些控制方案在構(gòu)成一個(gè)完整的電源系統(tǒng)時(shí)都需要至少三路隔離電源，電源體積很難進(jìn)一步減小。因此，筆者開發(fā)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(xiàn)場(chǎng)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(fā)器簡(jiǎn)介

TCA785是德國(guó)西門子公司開發(fā)的第三代晶閘管單片移相觸發(fā)集成電路，與原有的KJ系列或KC系列晶閘管移相觸發(fā)電路相比，它對(duì)零點(diǎn)的識(shí)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(diào)節(jié)，所以適用范圍更廣。

TCA785芯片為雙列直插式16引腳大規(guī)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(dāng)接200kΩ電阻時(shí)，同步電壓可直接接220V，在應(yīng)用中，需接保護(hù)作用的正反向并聯(lián)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(yīng)用范圍為3～300kΩ；引腳10為鋸齒波電容Cl0連接端，其應(yīng)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(nèi)連續(xù)變化時(shí)，輸出脈沖的相位可在   0°～180°間連續(xù)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(gè)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(fā)器的主要參數(shù)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(fù)載電流400mA，輸出脈沖高、低電平Vcc和0.3V。

TCA785移相觸發(fā)器在中頻電源上的應(yīng)用

針對(duì)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(xiàn)的一些問題，如觸發(fā)脈沖丟失和過電流燒毀晶閘管等故障，在對(duì)現(xiàn)有中頻電源系統(tǒng)做了可靠性分析之后，對(duì)三相全控橋電路采用TCA785移相觸發(fā)器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，該電路在應(yīng)用中可靠性有了很大提高。

1 觸發(fā)控制電路

圖4是利用TCA785移相觸發(fā)器構(gòu)成的觸發(fā)控制電路，圖4中僅給出了一只TCA785觸發(fā)兩只晶閘管的電路原理圖，應(yīng)用相同的三套電路便可構(gòu)成三相全控整流橋電路，通過引腳復(fù)用可實(shí)現(xiàn)雙窄脈沖方式觸發(fā)。雙窄脈沖方式由于驅(qū)動(dòng)脈寬窄，因而可以有效地減小驅(qū)動(dòng)用脈沖變壓器體積，防止磁芯飽和。為了增強(qiáng)觸發(fā)能力，可靠觸發(fā)大功率晶閘管，對(duì)TCA785的輸出進(jìn)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(qiáng)了抗干擾能力。

圖4  由TCA785構(gòu)成的觸發(fā)脈沖發(fā)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(gè)較小的直流低電壓控制范圍VT (實(shí)際值0.8～6.9V) 與晶閘管的導(dǎo)通角區(qū)域(三相整流時(shí)為  0°～120°) 一一對(duì)應(yīng)；輸出經(jīng)過整流和中間控制電路后去調(diào)節(jié)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(diào)，TCA785對(duì)環(huán)境溫度的適應(yīng)性較強(qiáng)，可用于較寬的溫度范圍 （-25℃～+85℃）。

直流電平移動(dòng)控制電路如圖5所示，是非常適合于對(duì)TCA785的引腳11進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制的電路，由于來自司鉆的交流電（0～24V）經(jīng)整流后的直流電平其可調(diào)范圍并不是正好對(duì)應(yīng)于0°～120°的移相范圍，因此利用圖5所示的直流電平移動(dòng)電路可以方便地進(jìn)行移相角度限制和匹配，即調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器RP15，可以使直流電平VT的范圍整體向上移動(dòng)或向下移動(dòng)，即在晶閘管導(dǎo)通角不變的情況下使α角同時(shí)向前或向后移動(dòng)。而對(duì)RP17的調(diào)節(jié)，如果增加其阻值，則使直流電平VT向上移動(dòng)，即限制了它的最大值，亦即限制了α的最大值。而對(duì)RP16的調(diào)節(jié)，如果增加其阻值，則使直流電平VT向下移動(dòng)，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(diào)節(jié)和控制，即使在調(diào)試時(shí)由于電路的參數(shù)選擇不太恰當(dāng)以致對(duì)α的大小限制不好協(xié)調(diào)控制時(shí)，可通過調(diào)節(jié)TCA785的引腳9外接的可變電阻來控制其內(nèi)部所產(chǎn)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(dòng)電路

2 TCA785移相觸發(fā)器應(yīng)用應(yīng)注意的問題

TCA785移相觸發(fā)器采用負(fù)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(dǎo)通角減小，如果欲使輸出電壓隨給定成正比變化，在設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)該考慮反相一次。

TCA785移相觸發(fā)器控制電壓VT范圍的確定應(yīng)該利用示波器嚴(yán)格調(diào)節(jié)，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(diǎn)，否則可控硅的工作將失控，具體參數(shù)的整定依賴于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)。

電源進(jìn)線電壓的相序問題，在設(shè)計(jì)三相全控橋整流電路時(shí)，應(yīng)該著重考慮電源的相序問題，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，就會(huì)損壞晶閘管或?qū)е码娐窡o(wú)法正常工作，同步變壓器的選擇及應(yīng)用要與主回路整流變壓器配套使用方可實(shí)現(xiàn)同步，一般主回路整流變壓器使用Δ/Y-11點(diǎn)鐘，避免三次諧波流入電網(wǎng)，同步變壓器的使用要與之相配合進(jìn)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(guān)系，但要考慮TCA785的引腳5所接R3、C5對(duì)同步信號(hào)相位的影響，最好在設(shè)計(jì)時(shí)就使R3、C5對(duì)相位的影響為60°的整數(shù)倍，以方便同步變壓器的選擇，這一點(diǎn)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(fù)載的影響，如果電源的阻性負(fù)載過重時(shí)(在實(shí)際應(yīng)用中電阻僅4Ω，額定電流達(dá)85A，尖峰電流達(dá)120A以上)，由于需要大量的有功功率，致使整流進(jìn)線電流的峰值急劇增大，導(dǎo)致在電源進(jìn)線電阻上產(chǎn)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(hào)送給TCA785的引腳5，通過示波器觀察發(fā)現(xiàn)，該疊加電壓在過零點(diǎn)附近存在顫抖現(xiàn)象，出現(xiàn)很多的毛刺，從而導(dǎo)致芯片10引腳鋸齒波斜邊也發(fā)生顫抖，輸出驅(qū)動(dòng)脈沖隨之也會(huì)產(chǎn)生移相，結(jié)果引起進(jìn)線電流劇烈變化，在平波電抗器上引起強(qiáng)烈振動(dòng)，整流變壓器的噪聲在α角較大時(shí)也很大，甚至對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，解決辦法是在電源的進(jìn)線端加裝額定電壓降為8.8V的進(jìn)線電抗器，這些現(xiàn)象消失，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)的污染大為減小。

結(jié)語(yǔ)

將TCA785移相觸發(fā)器應(yīng)用于中頻加熱感應(yīng)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(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，在冶金領(lǐng)域中有著十分廣闊的應(yīng)用前景。