晶體生長(zhǎng)爐控制柜和中頻加熱電源的開(kāi)發(fā)

1、晶體生長(zhǎng)爐控制柜和中頻加熱電源的開(kāi)發(fā)             晶體生長(zhǎng)爐控制柜和中頻加熱電源的開(kāi)發(fā)四川東風(fēng)電機(jī)廠有限公司彭加榮 馮安 李曉波    摘  要介紹JTL400A型晶體生長(zhǎng)爐電氣控制柜、KGPF250.32.5型中頻加熱電源的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)及應(yīng)用，特別是PLC控制的PWM直流伺服系統(tǒng)及專用移相觸發(fā)芯片TC787在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用。    關(guān)鍵詞 控制；中頻電源；逆變1前言  JTL400A型

2、晶體生長(zhǎng)爐電氣控制柜和KGPF250.32.5型中頻加熱電源是為JTL400A型晶體生長(zhǎng)爐配套使用的電氣控制柜和電源柜。通過(guò)其對(duì)JTL400A型晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)的晶體原料的加熱溫度進(jìn)行精確控制，并選擇合適的提拉速度和旋轉(zhuǎn)速度，再輔以特殊的生產(chǎn)工藝方法，使晶體的結(jié)晶在液面連續(xù)進(jìn)行，這樣，晶體就能夠連續(xù)生長(zhǎng)，直至達(dá)到要求的長(zhǎng)度。該產(chǎn)品主要適用于生產(chǎn)激光晶體和光學(xué)晶體。2JTL400A型晶體生長(zhǎng)爐電氣控制柜    主要由晶體提拉控制系統(tǒng)、晶體旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)、晶體生長(zhǎng)溫度控制系統(tǒng)和真空泵操作控制系統(tǒng)等幾部分組成。2.1主要性能指標(biāo)  晶體提拉速度/mm·h0

3、.310  晶體旋轉(zhuǎn)速度/r·min  晶體提拉行程/mm300  控制精度優(yōu)于1  控制溫度范圍/252500  (PID調(diào)節(jié)范圍11000)  控制溫度分辨率/±0.52.2控制原理  晶體提拉和旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)由PLC、PWM直流伺服放大器、直流伺服電動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)編碼器組成，其中旋轉(zhuǎn)編碼器為反饋系統(tǒng)。其控制原理是：由PLC的液晶顯示設(shè)定單元設(shè)定提拉速度或旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)的轉(zhuǎn)速反饋，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，經(jīng)PLC進(jìn)行PID運(yùn)算處理后控制PWM直流伺服放大器，再去驅(qū)動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)，使直流伺服電動(dòng)機(jī)能夠穩(wěn)

4、定地工作在所給定的提拉速度和旋轉(zhuǎn)速度上。由于采用了PLC數(shù)字控制技術(shù)和PWM伺服控制技術(shù)，該控制系統(tǒng)具有高自動(dòng)化、高可靠性、高精度、寬范圍速度控制調(diào)節(jié)等功能。見(jiàn)圖1。  溫度控制系統(tǒng)由2604型智能溫度控制儀和KGPF250.32.5型中頻加熱電源組成。2604型智能溫度控制儀是英國(guó)歐陸集團(tuán)(EUROTHERM)生產(chǎn)的一種高精度、高穩(wěn)定性的溫度/過(guò)程控制儀。它具有多種信號(hào)(如熱電偶)自由輸入，量程自由設(shè)定；軟件調(diào)零調(diào)滿度，冷端單獨(dú)測(cè)溫，放大器自穩(wěn)零，顯示精度高；時(shí)間過(guò)程加PID控制方式，控制速度平穩(wěn)，先進(jìn)的無(wú)超調(diào)自整定方式；多種信號(hào)輸出(如模擬量、開(kāi)關(guān)量)等功能。2.3PLC在控制系

5、統(tǒng)中的作用  PLC以結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、組態(tài)靈活、自診斷性能先進(jìn)、編程功能強(qiáng)、調(diào)試維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。    PLC在系統(tǒng)中承擔(dān)PID運(yùn)算和控制，由顯示設(shè)定單元給出的給定信號(hào)和旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的反饋信號(hào)送入PLC，經(jīng)PLC進(jìn)行精確的PID運(yùn)算，發(fā)出控制信號(hào)去控制PWM伺服放大器，該信號(hào)經(jīng)PWM伺服放大器放大后，再去驅(qū)動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)。  由此可見(jiàn)，PLC在該控制系統(tǒng)中起著控制核心的作用。3KGPF250.32.5型中頻加熱電源    它屬于KGPF(S)系列中頻加熱電源中的

6、一種，是一種靜止變頻裝置，利用可控硅將三相工頻交流電變成單相中頻交流電來(lái)滿足中頻加熱的需要(圖2為其系統(tǒng)框圖)，對(duì)各種負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于晶體生長(zhǎng)、煅造、冶煉、精密鑄造、熱處理、焊接、彎管等領(lǐng)域。3.1主電路工作原理  中頻加熱電源主電路(圖3)的工作原理是將三相50Hz交流電經(jīng)過(guò)三相全控整流橋V1V6整流成電壓可調(diào)的脈動(dòng)直流，再通過(guò)平波電抗器G將脈動(dòng)的直流電濾波變成光滑平穩(wěn)的直流電送到單相逆變橋V7V10，最后通過(guò)逆變橋?qū)⒅绷麟娮兂蓡蜗嘀蓄l交流電供給負(fù)載。負(fù)載部分是由感應(yīng)加熱線圈L及補(bǔ)償中頻電容器C組成的并聯(lián)振蕩電路。該電路對(duì)負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠。  電源的輸

7、出頻率是由LC并聯(lián)振蕩電路的諧振頻率決定的。由于逆變橋的觸發(fā)脈沖同步信號(hào)取自負(fù)載回路，所以在負(fù)載回路參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，逆變橋輸出頻率也能相應(yīng)變化，起到自動(dòng)調(diào)頻作用。  該裝置通過(guò)調(diào)節(jié)整流橋的觸發(fā)角來(lái)改變整流橋的輸出電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)電源的輸出功率的目的。3.2控制電路  由整流移相觸發(fā)控制電路、逆變觸發(fā)控制電路、電源和保護(hù)電路等幾部分組成。這里只對(duì)整流移相觸發(fā)控制電路和逆變觸發(fā)控制電路進(jìn)行介紹。3.2.1整流移相觸發(fā)控制電路  它由給定、電壓反饋、電流反饋、綜合放大、同步、移相觸發(fā)、電壓及電流限制和保護(hù)等幾個(gè)單元電路組成。給定可以是手動(dòng)電位器給定，也可以是由2604型智

8、能溫度控制儀自動(dòng)給定。給定信號(hào)和反饋信號(hào)在綜合放大單元經(jīng)PI運(yùn)算后，形成控制電壓Uk。該控制電壓在移相觸發(fā)單元形成觸發(fā)脈沖，再去控制可控硅的開(kāi)通時(shí)刻，使整流橋輸出可變直流電壓。    整流移相觸發(fā)控制電路中的移相觸發(fā)電路采用了TC787高性能可控硅三相移相觸發(fā)集成電路。TC787是采用獨(dú)有的先進(jìn)IC工藝技術(shù)設(shè)計(jì)的單片集成電路，可單電源工作，亦可雙電源工作，主要適用于三相可控硅移相觸發(fā)和三相功率可控硅脈寬調(diào)制電路，以構(gòu)成多種調(diào)速或變流裝置。它具有功耗小、功能強(qiáng)、輸入阻抗高、抗干擾性能好、移相范圍寬、外接元件少等優(yōu)點(diǎn)，而且裝調(diào)方便、使用可靠。因此，TC787可廣泛應(yīng)用

9、于三相半控、三相全控、三相過(guò)零等電力電子、機(jī)電一體化產(chǎn)品的移相觸發(fā)系統(tǒng)，為提高整機(jī)壽命、縮小體積、降低成本提供了一種更加有效的新途徑。在TC787的內(nèi)部(圖4)集成有3個(gè)過(guò)零和極性檢測(cè)單元、3個(gè)鋸齒波形成單元、3個(gè)比較器、1個(gè)脈沖發(fā)生器、1個(gè)抗擾鎖定電路、1個(gè)脈沖形成電路、1個(gè)脈沖分配器及驅(qū)動(dòng)電路。其工作原理可簡(jiǎn)述為：經(jīng)濾波后的三相同步電壓通過(guò)過(guò)零和極性檢測(cè)單元檢測(cè)出零點(diǎn)和極性后，作為內(nèi)部3個(gè)恒流源的控制信號(hào)；3個(gè)恒流源輸出的恒值電流給3個(gè)等值電容Ca、Cb、Cc恒流充電，形成良好的等斜率鋸齒波，鋸齒波形成單元輸出的鋸齒波與控制電壓Uk比較后取得相交點(diǎn)，該相交點(diǎn)經(jīng)集成電路內(nèi)部的抗干擾鎖定電路鎖

10、定，保證相交唯一穩(wěn)定，使相交點(diǎn)以后的鋸齒波或移相電壓的波動(dòng)不影響輸出；該相交信號(hào)與脈沖發(fā)生器輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)脈沖形成電路處理后變?yōu)榕c三相同步信號(hào)相位相對(duì)應(yīng)且與移相電壓相適應(yīng)的脈沖信號(hào)送到脈沖分配器及驅(qū)動(dòng)電路；假設(shè)系統(tǒng)未發(fā)生過(guò)電流、過(guò)電壓或其他非正常情況，則加在引腳5禁止端的信號(hào)為低電平時(shí)，脈沖封鎖功能無(wú)效，此時(shí)脈沖分配電路根據(jù)用戶在引腳6設(shè)定的狀態(tài)完成雙脈沖(引腳6為高電平)或單脈沖(引腳6為低電平)的分配功能，并經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)電路功率放大后輸出。3.2.2逆變觸發(fā)控制電路  逆變脈沖形成電路的同步信號(hào)取自中頻電源負(fù)載的電壓信號(hào)和電流信號(hào)的合成，從而保證了逆變橋輸出頻率的穩(wěn)定，同時(shí)也起到

11、自動(dòng)調(diào)頻的作用。設(shè)備在起動(dòng)方式上采用電流調(diào)節(jié)跟蹤式零壓起動(dòng)方式，簡(jiǎn)化了起動(dòng)電路，運(yùn)行操作簡(jiǎn)單方便。逆變觸發(fā)整形電路采用集成電路555，具有高輸入阻抗和比較強(qiáng)的輸出電流能力，可驅(qū)動(dòng)功放管進(jìn)行觸發(fā)脈沖放大，功放電路部分采用強(qiáng)觸發(fā)電路。  由于在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中大量地采用集成電路(如TC787、555等)，以及在起動(dòng)方式上采用零壓起動(dòng)，使得控制電路更加簡(jiǎn)單，操作方便，設(shè)備體積減小，成本降低，并提高了設(shè)備整機(jī)壽命。4結(jié)束語(yǔ)  JTL400A型晶體生長(zhǎng)爐電氣控制柜運(yùn)用了PLC、PWM直流伺服系統(tǒng)、2604型智能溫度控制儀，KGPF250.32.5型中頻加熱電源運(yùn)用了TC787等集成電路及零壓?jiǎn)?dòng)方式，使得整個(gè)系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、可靠性高、控制精度高、寬范圍的速度控制及溫度控制調(diào)節(jié)等功能。  JTL4