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L1C4CAPQ8R11RES2Q9R12RES2SCRSCRC5CAPQ10R14RES2C6CAPINDUCTOR2ABCSCRRQ11R24RES2Q12R25RES2Q13R26RES2SCRC9CAPSCRC10CAPSCRC11CAP 图3.2 三相全控整流电路
整流电路的组成见图3.2，图中Ld为滤波电感，Rd是电源负载的近似等效电阻。现对全控整流桥的工作过程进行分析。
三相桥式整流电路在正常工作时，控制电路按给定的控制角，依次按照T1-T2-T3-T4-T5-T6的顺序分别向六个晶闸管发出触发脉冲，脉冲的相位依次相差60度。晶闸管在承受正向压降且有触发脉冲的情况下导通，在承受反向压降的情况下关断。由于触发脉冲与三相电压配合，使整流电路在任何时候都有两个晶闸管导通，电源形成导电回路，负载上的电压即为两相之间的线电压。三相的线电压经过倒换，依次在一个周期内六次加在负载上，形成脉动的直流电压。由于滤波电感很大，在任何控制角下晶闸管的导通角都是120°[14]。 3.1.2 逆变电路的选择
逆变电路将直流电逆变成所需的交流电，提供给负载使用。当交流侧接到电网时为有源逆变电路，当交流侧直接和负载相连时为无源逆变。因课题要求交流输出直接接负载，所以这里是无源逆变。感应加热电源根据补偿形式分为两种，并联谐振式(电流型)电源和串联谐振式(电压型)电源。
并联谐振式电源采用的逆变器是并联谐振逆变器，其负载为并联谐振负载。通常需电流源供电，在感应加热中，电流源通常由整流器加一个大电感构成。由于电感值较大，可以近似认为逆变器输入端电流固定不变。交替开通和关断逆变器上的可控器件就可以在逆变器的输出端获得交变的方波电流，其电流幅值取决于逆变器的输入端电流值，频率取决于器件的开关频率。
串联谐振式电源采用的逆变器是串联谐振逆变器，其负载为串联谐振负载。通常需电压源供电，在感应加热中，电压源通常由整流器加一个大电容构
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成。由于电容值较大，可以近似认为逆变器输入端电压固定不变。交替开通和关断逆变器上的可控器件就可以在逆变器的输出端获得交变的方波电压，其电压幅值取决于逆变器的输入端电压值，频率取决于器件的开关频率。
串联谐振逆变器和并联谐振逆变器的差别，源于它们所用的振荡电路不同，前者是用L、R和C串联，后者是L、R和C并联；
(1)串联谐振逆变器的输入电压恒定，输出电流近似正弦波，输出电压为矩形波，换流是在晶闸管上电流过零以后进行，因而电流总是超前电压－φ角。
并联谐振逆变器的输入电流恒定，输出电压近似正弦波，输出电流为矩形波，换流是在谐振电容器上电压过零以前进行，负载电流也总是越前于电压 －φ角。这就是说，两者都是工作在容性负载状态。
(2)串联谐振逆变器在换流时，晶闸管是自然关断的，关断前其电流己逐渐减少到零，因而关断时间短，损耗小。在换流时，关断的晶闸管受反压的时间较长。
并联谐振逆变器在换流时，晶闸管是在全电流运行中被强迫关断的，电流被迫降至零以后还需加一段反压时间，因而关断时间较长。相比之下，串联谐振逆变器更适宜于在工作频率较高的感应加热装置中使用。
(3)串联谐振逆变器起动较容易，适用于频繁起动工作的场所；而并联谐振逆变器需附加起动电路，起动较为困难，起动时间长。至今仍有人在研究并联谐振逆变器的起动问题。
串联谐振逆变器晶闸管暂时丢失脉冲，会使振荡停止，但不会造成逆变颠覆。而并联谐振逆变器晶闸管偶尔丢失触发脉冲时，仍可维持振荡。
(4)串联谐振逆变器并接大的滤波电容器，当逆变失败时，浪涌电流大，保护困难。但随着保护手段的不断完善以及器件模块本身也有自带保护功能，串联谐振逆变器的保护不再是难题。
并联谐振逆变器串接大电抗器，但在逆变失败时，由于电流受大电抗限制，冲击不大，较易保护。
(5)串联谐振逆变器感应线圈上的电压和补偿电容器上的电压，都为谐振逆变器输出电压的Q倍。当Q值变化时，电压变化比较大，所以对负载的变化适应性差。流过感应线圈上的电流，等于谐振逆变器的输出电流。
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并联谐振逆变器的感应线圈和补偿电容器上的电压，都等于逆变器的输出电压，而流过它们的电流，则都是逆变器输出电流的Q倍。逆变器器件关断时，将承受较高的正向电压，器件的电压参数要求较高。
(6)串联谐振逆变器的感应加热线圈与逆变电源(包括补偿电容器)的距离较远时，对输出功率的影响较小。而对并联谐振逆变器来说，感应加热线圈应尽量靠近电源(特别是补偿电容器)，否则功率输出和效率都会大幅度降低。
综合比较串、并联谐振逆变器的优缺点，本设计决定采用电流型并联谐振逆变器。如图3.3。
L1INDUCTOR2D1DIODEIGBTD1DIODEIGBTC?R?RES2CAPL?INDUCTOR1D1DIODEIGBTIGBTD1DIODE
图3.3 逆变电路
3.2 控制电路的方案确定
控制电路关系着整个系统工作的稳定性和可靠性，是该产品品质好坏的重要凭证，所以控制电路的选择至关重要。
单片机具有集成度高，功能强，可靠性高，体积小，功耗低，使用方便，价格低廉等特点，在各个领域得到了广泛的应用和发展，目前己渗透到人们工作和生活的各个角落，几乎无处不在。单片机最早是以嵌入式微控制器的面貌出现的。在嵌入式系统中，它是应用最多的核心器件。在计算机主导工业生产并且日益走进家庭生活的今天，从家用电器、工业控制、医疗仪器到军事应用，到处都有单片机的存在。单片机具有强大的信息采集和处理能力，完全能够胜任该系统所需，所以本方案采用单片机作为控制电路的核心。
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为使整流电路正常工作 ,且能平稳调节输出功率 ,要求单片机能对晶闸管进行准确触发。因此，单片机必须确定出交流电压的零点，以此找到?=0°的点，进而判断?等于其它值时所对应的位置，这就需要一个过零检测电路，在每一个输入电压等于零的点都给单片机一个信号，供单片机判断使用[7]。
此外，当负载两端出现过电压或过电流的状况时，还需单片机能及时动作，保护负载，这就需要电压及电流互感器对负载电压和电流进行采集，经A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，以供单片机进行分析判断，决定是否动作。若没有出现过压或过流的情况，则单片机仍按原程序进行；若出现了过压或过流的情况，单片机接到信号以后停止对整流电路的触发，关断主电路，同时启动报警电路，提示用户已出现电压或电流故障，请采取相关措施[8]。
为了方便用户根据实际情况选择适当的输出功率，键盘显示电路也是必不可少的部分。这样，用户可以通过显示器知道当前输出功率的大小，判断是否有必要调节，如有需要，通过键盘就能方便进行，使得该产品更加人性化。
本次设计的主控制芯片ATP89C51是8 位80C51 单片机的派生产品，它们在完全保留80C51 指令系统和硬件结构的大框架外，进行了多方面的加强、扩展、翻新和创新，在最大限度地利用原有的结构的方方面面，可以说做到了淋漓尽致[10，14]。
ATP89C51由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，故本设计选用此芯片。 3.3 保护电路的选择
中频电源起动、运行过程中, 由于负载短路、逆变电路换流失败等原因易造成三相全控桥经直流平波电抗器短路,此短路电流既流经整流电路也经逆变电路,对整流、逆变部分的晶闸管形成威胁,为使中频电源可靠运行, 还必须使电流、电压准确地限定在允许值上。因此必须设置有效的保护电路。常用的中频保护电路有过电流保护电路、过电压保护电路、网侧短路保护及晶闸管的过电压保护等。 3.3.1 过压保护
在装置中可能发生的过电压有两种情况：外因过电压和内因过电压。外因
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过电压主要来自雷击或者是系统中的操作过程等外部原因，主要包括：操作过电压和雷击过电压。内因过电压主要来自装置内部的器件开关过程。主要包括换相过电压和关断过电压。过压的保护电路多种多样，目前比较常用的作法是在晶闸管两侧并接过电压阻容电路,利用电容两端电压瞬时不能突变的特征, 吸收过电压, 而电阻的作用一是阻尼LC 电路振荡, 二是限制晶闸管开通损耗和电流上升率。一般采用无感电阻。其连接方式见图3.4。
图3.4晶闸管过压保护
3.3.2 过流保护
当装置发生故障或运行不正常时，可能会发生过流。过流分为过载和短路两种情况。在中频熔炼炉使用中,晶闸管装置出现的误导通或击穿,或逆变失败,会导致流过整流元件的电流大大超过其正常工作电流,即产生所谓过电流。过电流保护的任务,就是当电路一旦出现过电流,能在元件未烧毁之前,迅速地把过电流现象消除.采用快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器是较常用的措施。这里选用快速熔断器作短路保护（见图3.5），过载保护用软件实现。当系统发生短路时，电流急剧增大，快速熔断器马上熔断电路断开。
图3.5 快速熔断器
3.3.3 水冷系统
实际的系统中冷却装置必不可少，中频感应炉一般采用水冷。水冷系统主
要由多路进出水管组成，分布在系统的各个部分，对系统进行散热。要经常检查水管是否扎节牢固，及时清洗水管内壁的水垢，以保证足够的水流量，对老化以及有裂纹的水管要及时更换，冷却水池的脏要及时清除，避免堵塞水管。