2.5 真空管（电子管）高频感应加热电源

真空管高频感应加热电源在高频率，甚至超高频率、大功率方面有着优势国内生产的电源频率达到2.4MHz，功率为600kW；在可靠性、稳定性方面也是具有明显优势的；加之“三相交流调压—三相高压硅整流—真空管高频振荡—负载”的一机化设计，新型元器件的采用（如陶瓷振荡管、陶瓷盘式电容器作为槽路电容等），使得真空管高频感应加热电源与固态感应加热电源并存。当然，耗能大、体积大、属高压设备，危险性高是它的缺点。正因为如此，在某些领域已被MOSFET或IGBT固态感应加热电源所代替。但是，由于它的优势使得真空管高频感应加热电源在现在还具有一定的生命力，实际应用中用户可以根据需要加以选择。

2.5.1 真空管高频感应加热电源的组成

真空管高频电源采用交—直—交变频结构。通过三相交流调压电路、阳极变压器升压、高压硅整流（6脉波），或两组高压硅整流（12脉波），将工频交流电压变换成电压可调的高压直流电压；经高频大功率真空管产生自激振荡输出高频功率给高频负载回路。

真空管高频感应加热电源的组成见图2-43，图中为12脉波高压整流。

由图2-43看出，与老式产品的结构相比，没有了充汞闸流管调压电路，取而代之的是三相交流调压电路和高压硅整流，这就是新型真空管高频感应加热电源的一机化结构。三相交流电源经三相交流调压器的调压供电给阳极变压器再经三相高压硅（堆）整流输出直流高压给真空管高频振荡器，产生高频电流使高频负载在很短的时间内被加热到很高的温度，从而完成淬火、焊接等热处理工艺。输出功率的大小可以用以下两种办法来进行调整：

图2-43 真空管高频感应加热电源的组成

1）调整真空管阳极电压的大小来改变输出功率。阳极电压的调整是靠改变三相交流调压器的调节角α来实现的，α角的改变就使调压器输出的三相交流电压的有效值改变，从而改变阳极变压器的输出电压，进而改变真空管阳极电压的大小。

2）进行匹配调节。对于三回路真空管高频振荡器，可以通过调节“耦合”与“反馈”来实现；对于单回路高频振荡器，可以通过调节“反馈”来实现。

2.5.2 三相交流调压器

三相交流调压器主回路的接线形式有多种，在高频感应加热设备中，常采用三相三线制Y形接法和内、外三角形接法，电路分别如图2-44、图2-45、图2-46所示。这里介绍三相三线制Y形接法的交流调压电路，图2-44中，由晶闸管VT₁、VT₃、VT₅、VT₄、VT₆、VT₂组成三相交流调压电路，u_A、u_B、u_C是三相交流电源的相电压，u_a、u_b、u_c是三相交流调压电路的三相输出电压，即三相负载R端的三相相电压。三相交流电源相电压为

图2-44 三线三相制接法

图2-45 内三角形接法

图2-46 外三角形接法

三相交流调压电路中，晶闸管VT₁和VT₄、VT₃和VT₆、VT₅和VT₂反向并联，各晶闸管门极的触发脉冲，同相间两管（如VT₁、VT₄）的触发脉冲要互差180°，三相间的同方向晶闸管（如VT₁、VT₃、VT₅）门极的触发脉冲要互差120°。六只晶闸管门极触发的相序是VT₁、VT₃、VT₅，触发相位依次滞后120°VT₄、VT₆、VT₂的触发又分别滞后于VT₁、VT₃、VT₅180°。这样，触发相位自VT1到VT6相邻两管之间，依次滞后间隔为60°。α＝0°时的触发脉冲，π／3间隔内的导通管及波形如图2-47所示。α角都是从相电压由负变正的零点处开始计算的，这一点与三相桥式可控整流电路不同。由图中的导通管看出，每个时刻都有三只管导通。VT₁和VT₄、VT₃和VT₆、VT₅和VT₂晶闸管对可由单管组成，也可用双向晶闸管，后者采用得较多。图2-48所示为三相交流调压器电路框图，虚线框是典型的单片微机的基本系统，它完成三相交电压的相位鉴别输出相位同步的6个触发脉冲去控制晶闸管的导通，改变输出电压给定就可以改变晶闸管的导通角α，从而改变输出电压。判定来自交流过电流检测电路的输出信号，如过电流，则封锁晶闸管的触发脉冲，从而切断主回路。

图2-47 α＝0°时的触发脉冲-导通管-三相调压波形

图2-48 三相交流调压器电路框图

对于高频感应加热设备生产厂来说，三相交流调压器是设备一体化设计的内容之一。对于改造老式的真空管高频感应加热设备，可以购置三相交流调压器产品（见表2-15）。

表2-15 三相交流调压器产品

2.5.3 高压硅堆三相整流器

真空管高频感应加热电源的高压整流，过去采用的是充汞闸流管整流装置从20世纪80年代初开始，逐步被高压硅（堆）三相整流器所代替。高压硅三相整流器比闸流管整流装置具有节电效果明显、使用寿命长、容易维修与维护、不易机械损伤等优点。图2-49所示为单只桥臂的电路。图中，VD₁～VD_N是硅整流二极管；RY₁～RY_N是Zn_O压敏电阻（MYL系列），它的作用是，当整流二极管由正向导通转为反向阻断而产生换向过电压时，吸收此过电压；R₁～R_N是均压电阻图2-50所示为高压硅三相整流电路，图中，RY₁、RY₂、RY₃组成三角形接法，它接在阳极变压器的输出端。其作用是吸收操作过电压（阳极变压器初级合闸与拉闸时产生）和大气过电压（雷电时产生），RY4的作用是吸收故障过电压（直流侧突然短路或断路时产生）。高压硅三相整流器的型号及电气参数见表2-16。

图2-49 单只桥臂电路

图2-50 高压硅堆三相整流电路

表2-16 高压硅堆三相整流器的型号及电气参数

2.5.4 真空管高频振荡器

振荡器的作用是将直流电能转换为高频交流电能，通过感应器传输给金属工件以完成高温加热。

1.振荡电路

（1）三回路振荡电路 图2-51所示为一个具有三回路振荡器的高频感应加热电源的电路，只画出了三相交流电源、三相交流调压器、阳极变压器、高压硅堆三相整流器、真空管高频振荡器和高频负载的主电路，省去了栅极回路真空管的灯丝供电电路，以及三相交流调压器的触发电路与低压控制电路。L_z是高频阻流圈，C_G是隔直流电容器，它们完成交直流回路的分离。真空管VE是换能元件，其阳极供电为并联供电方式；电感L₁、L₂，电容器C₁、C₂与TP₀和C，共同组成三回路的振荡电路；电感L₂和L_g是反馈环节，此环节是完成自激振荡必不可少的，调节其间的耦合度就可以实现反馈调节。这种振荡电路的结构具有三个谐振频率，但可靠运行的只有一个频率，故称为三回路振荡电路老式的真空管高频感应加热电源设备GP100-C₃是典型的三回路振荡电源。

图2-51 真空管三回路感应加热电源

（2）单回路振荡电路 该种电路比三回路振荡电路要简单，传输电路少输出效率较高，没有了耦合环节，故是无“耦合”调节，只有“反馈”调节真空管单回路振荡电路如图2-52所示。

（3）双频振荡电路 这种电路能够产生两种频率的振荡，以满足不同热处理工艺的要求：一种是超音频频率（30～50kHz），另一种是高频频率（200～300kHz）。其电路如图2-53所示，实际上是两个独立的单回路振荡电路，它们是靠位置1和2的切换来实现超音频或高频振荡的。

2.真空管振荡器的工作状态

大功率真空管振荡器的工作状态，主要是以栅流大小和有无来分类的，并以栅流对阳流之比、栅极电压最大值对阳极电压最小值之比，以及阳极电压基波最大值对阳极直流电压之比来衡量。当栅流比阳流小至可以忽略不计时，这种工作状态称为小栅流状态或欠电压状态；当栅流较大，且占真空管阳极电流相当大一部分时，则称为大栅流状态或过电压状态；介于两者之间的状态称为临界状态。栅极反馈电压过小，会出现欠电压状态；栅极反馈电压过大，则会出现过电压状态。它们都会使振荡功率、阳极效率降低，它们不是我们所要求的状态。

图2-52 真空管单回路振荡电路

图2-53 真空管双频感应加热电源振荡电路

临界状态是我们要求的状态。调整振荡器时，只要阳流／栅流＝4～7（有的振荡管为5～10），则认为振荡器已处于临界状态。为此，对于三回路振荡器要进行“耦合”与“反馈”调节；对于单回路振荡器，只能进行“反馈”调节。当振荡器处于临界状态时，就可以获得某个阳压值下的最大功率输出。

3.真空管振荡器的效率

真空管振荡器有如下两种概念的效率：

（1）真空管的阳极效率 它表明在直流电源供给振荡器的直流功率中，有多少被变换成高频振荡功率（基波功率）。

（2）输出效率 它表明高频振荡功率经过高频传输电路等多种因素的损耗后，直流功率中有多少功率被负载所吸收，显然输出效率小于阳极效率。效率常以百分数表示。真空管阳极效率的理论值为78％，输出效率为40％～45％举例：U_a＝12kV，I_a＝12A，则直流输入功率＝12kV×12A＝144kW；取阳极效率＝70％，则振荡功率＝144kW×70％≈100kW；取输出效率＝45％，则负载吸收的功率＝144kW×45％≈65kW。单回路振荡器的输出效率比三回路振荡器的要高些。

4.真空管高频感应加热设备的型号及系列产品

几种真空管高频感应加热设备型号的命名方法如图2-54所示。表2-17列出了部分真空管高频、超音频感应加热装置的主要技术参数。

图2-54 几种真空管高频感应加热设备型号的命名方法

表2-17 真空管高频、超音频感应加热装置的主要技术参数

（续）</ID 1>

2.5.5 老式真空管高频感应加热装置的技术改造

为了节能，充汞闸流管调压装置必须被三相高压硅堆整流器所代替。为此在三相交流电源与阳极变压器的输入端之间，要安装三相交流调压器。根据电气参数要求，参照表2-15选择三相交流调压器；参照表2-16选择三相高压硅堆整流器。

2.5.6 真空管高频感应加热设备的安装、调试与维护

1.高频设备间的要求与安装

（1）机房 真空管高频感应加热装置要有单独的机房，以避免其他热处理设备的油烟及腐蚀气体影响电气设备。机房应通风良好，淬火机床上方最好有抽气管道，以排出油烟及水气。机房温度应保持15～25℃，照明充足，室内宽敞明亮，动力线与照明线应分开。

（2）供电 应设置单独的配电柜，以避免因跳闸而影响其他设备的正常运转。进入室内的三相电源线与配电柜之间应串接电源滤波器，以防止高频电磁波沿电源线辐射，对其他电子设备产生干扰。

（3）屏蔽 为防止高频电磁波向空间辐射，机房顶棚、门窗、墙壁应用0.5mm厚钢板或5mm×6mm的铁丝网进行屏蔽。屏蔽网板应埋入地下30mm块与块之间应有良好的电气接触。

（4）接地 设备、机房屏蔽网板、水管、电源线铁管都应可靠接地。设备的接地电阻应不大于4Ω，接地线截面积不小于25mm2，或用2mm×25mm扁钢接地。不宜采用自然接地体，应在室外采用人工接地体，即在地下2.5m处埋入角钢，或圆钢等，接地的连接线与机体应可靠接触。

（5）供水 要求水压能达到0.12～0.2MPa，水的硬度不大于0.017g／L，水的电阻不小于4kΩ／cm³。在水质差的地区，应采用内部循环的蒸馏水冷却装置并定期检查和更换。真空管阳极的冷却水管，必须要有足够的绝缘长度和绝缘性能，以防绝缘击穿。

（6）安装程序 将各部件安装在规定位置上，连接线路，整个设备进行清洁除尘。按规定，安装真空管于阳极水套上，真空管切忌倒置、碰伤或使用金属器具安装。真空管与水套间垫以橡胶圈，然后用手四周均匀地拧紧碟形螺母。

1）使用2500V绝缘电阻表检查，真空管的阳极对地绝缘电阻应大于200MΩ（要断开阳极电压表的降压电阻）。如果阳极水套已有水，此绝缘电阻一般为50～100kΩ。真空管的栅极对地绝缘电阻应大于20MΩ。

2）接好全部冷却水路，罐形陶瓷电容器灌注变压器油，经过仔细检测后才能调试。

2.调试

（1）水路试验 在断电情况下，检查各路水管的连接是否稳妥，然后通水试验。在水压从0.12MPa到0.2MPa逐步升高的过程中，重点要观察各水路是否有漏水或渗水现象。

（2）控制电路的调试 只让低压电路接通，而高压电路断电。为此，断开阳极变压器低压侧与三相交流电源之间的连接线。将星形接法的三个220V灯泡（假负载），接在三根线的断头处并做好绝缘。关好设备机门，接通电源总闸向设备供水，进行控制电路的调试。

1）调节三相交流调压器的电压调节旋钮，观察三个220V灯泡的亮度是否均匀变化到最亮。

2）真空管通电以前，必须先开水冷系统。接通真空管一级灯丝电压后，要停30～60s，再接通二级灯丝电压，灯丝启动电流不能超过额定值的150％。观察按钮、指示灯、灯丝电压表等是否正常。对于初次使用或停机两周以上的真空管需要加半压预热10～15min；全压接通30min后，才能接通高压投入使用对于经常使用的设备，一级灯丝电压与二级灯丝电压之间，只需停30～60s就可以了。

3）观察其他按钮、指示灯的动作情况是否正常。

（3）保护电路的试验 在控制电路正常通电情况下进行下面的试验：

1）降低水压，使水压继电器动作，所有的指示灯应熄灭，所有指示表应归零。

2）检查门开关是否正常。只要有一扇门未关严，主电路和加热电路都会自动停止。

3）过电流继电器的动作检查。采用人为的办法，使触头闭合与断开，观察保护功能是否正常。

（4）高压电路试验 还原阳极变压器低压侧与三相交流电源之间的连接线按正常操作顺序接通低压控制电路。从低到高调节阳极电压，阳极电压表指示应平稳上升到13kV左右。注意：如果从高到低调节阳极电压，由于振荡器的隔直流电容器（图2-51中的CG）的影响，阳极电压的下降非常的迟钝，而高压电路又的确是正常的。此影响是由于CG充电快而放电慢的缘故。对于高频设备来说，这种现象还不太严重；但对于超声频设备来说，这种现象就相当严重。

（5）感应加热试验 在淬火变压器的二次侧接上感应器并通水，感应器内放入工件，按说明书的操作顺序做好加热准备，接通加热，分别调节阳极电压反馈，以及耦合（三回路高频振荡器才有），看是否正常。

（6）陶瓷振荡管 陶瓷与金属封接处的温度不得超过250℃。

（7）停机 停机过程是开机与加热的逆过程，特别要注意断电后，冷却系统至少应保持10min。

3.维护

真空管高频感应加热设备投入生产运行后，其维护工作比较重要。及时维护可以防止事故的发生，并可使设备发挥更高的效率。

（1）日常维护

1）经常清扫设备内的元器件，特别是高压器件，如真空管、高压瓷屏及槽路电容器等。

2）检查频繁动作的元器件，例如：接触器触头的闭合与分离状况，接线有无松动。

3）检查水冷系统有无漏水和堵塞现象，真空管回水温度是否超过允许值。

4）检查各个安全开关是否可靠。

5）设备的环境温度最好保持在20～25℃。

（2）定期维护

1）定期更换槽路电容器内的变压器油，并检查卡箍是否保持良好的接触。

2）根据使用情况及水质，定期清洗真空管阳极的水垢。清洗时，可将真空管从水套中取出，使用10％的稀盐酸溶液清洗真空管阳极，直到水垢被清洗干净，再用清水冲洗后装入水套。使用稀盐酸溶液清洗时，不要把酸溶液浇到法兰盘的上部，只清洗下部。取出与装入时，只准拿住法兰盘，不准拿玻壳。

3）定期用纱布擦拭接触器、继电器触点上的痕迹，以保证吸合时有良好的导通状态。

4）定期检查接地电阻是否符合要求。