保定市武德电器制造有限公司
一、高频感应加热设备的应用领域
高频感应加热设备主要用于金属表面热处理，钢管焊接，金属熔炼等。
我厂生产的高频感应加热设备主要分为单回路和三回路两种形式。三回路指一槽振荡回路，二槽振荡回路和反馈回路。能稳定的振荡频率只有一个。电路调节较为方便，主要用于多品种，小批量钢管的焊接以及工作热处理。
单回路只有一个并联谐振回路，采用电容反馈，与三回路比较，线路简单，槽路电压高，效率高，能耗低。
为适应焊管形式，提高生产效率，节能降耗，大多采用单回路高频设备。
我厂高频设备采用可控硅调压，焊接功率调整方便。加热停止，可控硅自动封锁，整流变压器处于零电压状态，无空载损耗，同时也避免了整流变压器送电和停电时产生的涌浪电压，减少了对整流变压器及压敏电阻，硅桥及隔直电容的冲击。
我厂高频设备的槽路输出有鲜明的特点，即独立毗连式焊变电容柜。槽路电容和槽路电感工艺位置相互独立，具有一定的间隔，电气干扰和热辐射被隔离。它们距离又是最近，减少了振荡损耗。这样既省电又降低了槽路电器的损坏几率。
二、高频加热设备的工作原理
1. 工作原理介绍
工频电源（380V，50HZ）经过开关调压柜后，变为可调电压（0-380V，50HZ），经过整流变压器与硅堆后变为0-13.5KV的直流电压，作为电子管的工作电源。振荡槽路在电子管提供的能量补充下，将直流高压变换成高频高压，再经过焊接变压器变换成低压高频电源，最后通过感应圈，利用高频电流的感应作用，集肤效应，及邻近效应，使钢管开口两侧的电流密集，迅速熔化，经过挤压辊的挤压，熔接在一起，达到焊接目的。
- 调压电路
为了适应不同的焊接负载，要求进行功率调节。开关调压柜是完成功率调节的重要环节。核心部件调压板每隔60电角度发一组脉冲列，去触发相应的可控硅，使输出电压变为0-380V可调。采用单相同步琐相环技术，具有良好的稳压作用。其它方面参阅《调压说明书》。
- 电子管的灯丝电源
电子管的灯丝电阻在冷态与热态时电阻值相差很大（R冷：R热=1：13）。如果额定灯丝电压直接加上，在开始的瞬间就会有约十几倍额定灯丝电流的冲击电流通过灯丝，灯丝会由于大电流所引起的磁场力而变形，甚至损坏。因此额定灯丝电压不能直接加上。
电子管的灯丝供电采用谐振式磁饱和稳压器两级供电方式。启动时，先送半压，延时后再送全压。工作原理如图：
磁饱和稳压器的次级铁芯柱截面积约为初级的1/2。具有初级绕组和次级绕组外，还有一个谐振绕组套在次级铁芯柱上，与谐振电容一起产生大的谐振电流，通过铁芯。根据变压器原理，次级铁芯磁通量达到饱和程度后多余的磁通再也不能通过，从而达到稳压的目的。
D1 D2 30 31 F G
谐振绕组不并联谐振电容时为第一级供电（灯丝半压），并联谐振电容时为第二级供电（灯丝全压）。灯丝稳压器的稳压精度为±2%。
- 电子管阳极电源
开关调压柜的可调输出电压经过整流变压器升压和高压硅堆整流后，变为0-13.5KV的直流高压,作为电子管的阳极电源。直流高压经过表阻板降压后，作为调压板的负反馈信号，形成闭环系统，使阳极电压基本保持稳定。
- 电子管振荡电路
电子管振荡电路由电子管，LC选频电路及反馈回路组成。电容C和电感L都是储能元件，如图连接：假设电容C已经充好电，在开关K闭合的瞬间，电容器Ｃ中的电荷通过电感Ｌ释放。电容器Ｃ中的电荷释放完毕后，电感Ｌ中便储存了能量，形成了电能和磁能的相互转换，即电磁振荡。由于线路中存在一定的电阻，这种电磁振荡是阻尼振荡。为了使阻尼振荡成为等幅振荡，应在每一个振荡周期向振荡回路补一次能量。
K
C L
i
5.1电子管
电子管是一个真空三极管，由阳极Ａ，阴极Ｆ，栅极Ｇ组成。
阴极F：发射电子，保证管内电流流通。
栅极G：形状为网状或条形，能让电子通过，能控制从阴极流向阳极的电子流，实现电子管的开关作用。
阳极A：建立管内磁场，接收电子，形成阳极电流。
A
G
5.2考毕兹(COLPITTS)振荡电路 F
振荡回路由C1，C2及L0组成。C3，C4为反馈分压电容，V为电子管（如图）。反
馈电压取自电容C2，由于电容对高次谐波阻抗很小，于是反馈电压中的谐波分量小，输出
波形较好。由于反馈信号与输入信号的相位同向，所以又称自激放大器。栅极回路中串联一
只电阻R1（栅偏电阻），当电子管加上直流电压后，栅极回路无电压，无电流，所以栅偏压
为零，阳极电流形成，振荡开始。振荡开始后，反馈电压加到栅极，因此栅极回路中产生了
电流，流经栅偏电阻R1时产生栅偏电压（近栅极断为负），控制振荡。同时栅偏电阻还具
有稳定振荡强度的功能。这种方法称为自给栅偏压（或称栅漏电压）。
C5
L0
C3
C2 C1
R1 C4
F
三、电子管振荡器工作状态计算（FD935）
以电子管FD935S(400KW)为例。
|
灯丝 |
允许使用极限值 |
放大倍数 |
振荡功率 | ||||||
|
Uf |
If |
F |
Ea |
Iao |
Igo |
Pa |
Pgo |
µ |
Pout |
|
V |
A |
MHZ |
KV |
A |
A |
KW |
KW |
|
KW |
|
17.5 |
500 |
25 |
15 |
42 |
10 |
200 |
9.8 |
30 |
407 |
Uf:灯丝电压 If:灯丝电流 Ea:阳极电压 Iao:阳极电流
Igo:栅极电流 Pa:阳极耗散功率Pgo:栅极耗散功率f:振荡频率
- Ea(阳极电压)，Eg（栅极负偏压），Uamin（阳极最小电压），Iamax（阳极峰值电流）的参数选择。
Ea取13.5KV。
Eg=2x13.5/30=900V，取800V。
Uamin=(1-ξ)xEa=(1-0.89)x13500=1500Vξ:阳压利用系数，取0.89。
Iamax=CxPout/Ea=4.8x407/13500=144.7A对于丙类工作状态，C取4.8。
- PQ负载线
工作线是电子管在射频周期内各级电流电压变化的轨迹。P点是电子管在射频周期内Uamin和Iamax在恒流曲线上的交点。Q点是电子管的直流高压Ea和栅极负偏压Eg在恒流曲线上的交点。此时阳极电压最大，阳极电流为零。PQ两点的连线即为工作线。FD935S恒流曲线图及艾马克电子管特性计算器如下图：
A
阳极电流 B
栅极电流
Ug(v) C
D
60
1200 P 40
1000 180 E
140
400 120 F
200 Ua(kv)
0 40
-400 5
-600
2 6 10 Q 14 O G
3．工作状态计算（参考文献：发射管实用手册）
把艾马克电子管特性计算器正面朝上放在恒流曲线上，并使计算器上的“导向线”与PQ工作线保持平行。逐步移动计算器，使OG线通过工作线的Q点，OA线通过工作线的P点（注意导向线与工作线始终保持平行）。分别找出OA OB OCOD OE OF各线与PQ工作线的交点。这些交点就是电子管射频周期内阳极电流和栅极电流的瞬时值。列表如下：
|
|
公式中代号 |
阳极电流瞬时值（A） |
栅极电流瞬时值（A） |
|
OA |
A |
142 |
62 |
|
OB |
B |
138 |
48 |
|
OC |
C |
128 |
32 |
|
OD |
D |
102 |
8 |
|
OE |
E |
38 |
0 |
|
OF |
F |
0 |
0 |
按切菲公式计算直流分量和基波分量
(1)阳极直流分量
Iao=(0.5A+B+C+D+E+F)/12=(0.5*142+138+128+102+38+0)/12=40A
(2)阳极基波分量
Ia1=(A+1.93B+1.73C+1.41D+E+0.52F)/12
=(142+1.93*138+1.73*128+1.41*102+38)/12=68A
(3)栅极直流分量
Igo=(0.5A+B+C+D+E+F)/12=(0.5*62+48+32+8)/12=9.9A
(4)栅极基波分量
Ig1=(A+1.93B+1.73C+1.41D+E+0.52F)/12=(62+1.93*48+1.73*32+1.41*8)/12=18.44A
(5)输入功率
Pin=Ea*Iao=13500*40=540KW
(6)振荡功率
Pout=Ua*Ia1/2=ξEa*Ia1/2=0.89*13500*68/2=408KW
(7)阳极耗散功率
Pa=Pin-Pout=540-408=132KW
(8) 效率
ηa=Pout/Pin=408/540=75%
(9)阳极负载阻抗
Roe=Ua/Ia1=ξEa/Ia1=0.89*13500/68=177Ω
(10)栅极激励功率
Pgd=Ug*Ig1/2=(Ugmax+Eg)*Ig1/2= (800+800)*18.44/2=14.75KW
(11)栅极直流功率
Pgo=Eg*Igo=800*9.9=7.9KW
(12)栅极耗散功率
Pg=Pgd-Pgo=14.75-7.9=6.85KW
从计算结果可以看出，工作状态计算符合要求，根据实际经验是可以实现的。在实际工作中，由于焊接负载的不同，电子管的各项实测参数与计算值有偏差。焊接负载重（厚壁管子）时，焊接功率就会更好的体现出来。
高频地线的制作
高频设备要求有独立可靠的接地，且在主机柜附近。接地电阻≤4Ω。接地形状为正
三角行，称为三角接地。最好作地基时予埋，方法如下：
三根接地线为1″镀锌钢管或50X50X5的角钢，长度≥2500毫米，成正三角行
排列，每两根相距2500毫米，三根接地线之间用50X5的扁钢连接（满焊），最后由一点引出地面，引出线亦为50X5的扁钢。
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同步信号 |
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CPU |
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给定信号 |
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脉冲形成 |
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反馈信号同步信号 |
