3 負(fù)載振蕩回路
  從表1可知，中頻爐負(fù)載為cos值很低的感性負(fù)載。為提高功率因數(shù)，有效利用電源容量，采用中頻電容器補(bǔ)償無功功率，這樣便組成了振蕩回路。
  根據(jù)補(bǔ)償形式，可分為串聯(lián)振蕩回路和并聯(lián)振蕩回路。
3.1 串聯(lián)振蕩回路
  (1)串聯(lián)振蕩回路如圖3所示。

圖3 串聯(lián)振蕩回路

  由圖3，可得：

  當(dāng)電路出現(xiàn)諧振時(shí)，

  由此可見，在諧振時(shí)，電源電壓U全部加在電阻上，而串聯(lián)電容兩端電壓UC和電感端電壓UL其值相等，方向相反，均為電源電壓的Q倍，因此，串聯(lián)諧振為電壓諧振。
  (2)串聯(lián)振蕩回路的頻率特性
  根據(jù)上述分析，我們可得到串聯(lián)振蕩回路的阻抗和電流：

  假定L、C和r值不變(Q為常數(shù))時(shí)，在輸入電壓U條件下，可繪制Z與I隨ω的變化情況，如圖4。

圖4 串聯(lián)振蕩的頻率特性

  從圖4可知，當(dāng)ω=0時(shí)，由于容抗的阻擋，I=0。當(dāng)頻率逐漸增大而容抗逐漸變小，感抗逐漸增大，電流也逐漸增大，回路呈容性。當(dāng)ω=ω0時(shí)，電路處于諧振狀態(tài)，電流達(dá)到最大值，UC=UL=QU，回路為純電阻負(fù)載。當(dāng)ω繼續(xù)增大，因容抗小于感抗，電流下降，此時(shí)回路呈感性。
  上述分析可用表2和圖5來綜合描述。

表2

(a)          (b)          (c)

圖5 矢量圖

  如果考慮L、C和r的變化情況，此時(shí)：

  由此，可得到不同Q值下回路的諧振曲線變化情況，如圖6所示。

圖6 幾種Q值下的諧振曲線

  由圖6可知，串聯(lián)振蕩電路中參數(shù)變化對(duì)頻率的影響，完全體現(xiàn)在Q值上。
  對(duì)晶閘管中頻電源串聯(lián)逆變器，需要它的負(fù)載為容性，其超前功率因數(shù)角為20°～45°，為獲得容性負(fù)載，中頻電容必須過補(bǔ)償，即工作頻率必須低于諧振固有頻率ω0。
  在中頻機(jī)組供電情況下，要特別注意補(bǔ)償電容器問題，千萬不能使機(jī)組“自激”，以免損壞電機(jī)絕緣。此時(shí)，除了負(fù)載補(bǔ)償外，還應(yīng)考慮中頻發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻抗等。
3.2 并聯(lián)諧振回路
  (1)并聯(lián)諧振回路如圖7所示。

圖7 并聯(lián)振蕩回路

  考慮Lr，則

  當(dāng)電路諧振時(shí)，

  式中：

  由此可知，在諧振時(shí)負(fù)載阻抗為純等效電阻負(fù)載，電源僅供給有功電流I0。在振蕩回路中的電流很大，為輸出電流I0的Q倍，因此并聯(lián)諧振為電流諧振。
  (2)并聯(lián)振蕩回路的頻率特性
  根據(jù)分析串聯(lián)振蕩回路的方法，我們同樣可以得出并聯(lián)振蕩回路頻率特性相類似的結(jié)果。
  在Q值不變(即電路L、C和r不變)條件下負(fù)載阻抗Z、I與頻率的關(guān)系如圖8所示。

圖8 并聯(lián)振蕩的頻率特性

  電路在不同頻率時(shí)的特性見表3和圖9。

表3

(a)          (b)          (c)

圖9 矢量圖

  根據(jù)回路阻抗

  當(dāng)Q值變化時(shí)，則通頻帶變大或縮小。Q值降低，通頻帶增大；Q值增大，通頻帶縮小。
  對(duì)晶閘管中頻電源并聯(lián)逆變器，必須運(yùn)行在超前角30°左右，因此，負(fù)載跟串聯(lián)振蕩回路一樣也為容性，但工作頻率ω應(yīng)大于負(fù)載振蕩回路的固有頻率ω0。
  對(duì)中頻機(jī)組供電情況，為有效利用電源裝置的容量。一般希望運(yùn)行在負(fù)載的諧振頻率接近于機(jī)組的固有頻率(固定頻率)，但由于在加熱過程中負(fù)載參數(shù)隨溫度變化而改變，因此，需要通過不斷改變電容器C值來調(diào)節(jié)負(fù)載諧振頻率ω0和功率因數(shù)cos。

4 負(fù)載在加熱過程中的變化
  中頻爐負(fù)載在加熱過程中的變化受多方面因素影響，反映在負(fù)載振蕩回路中的參數(shù)變化相當(dāng)復(fù)雜，詳細(xì)分析是比較困難的。這里就實(shí)際運(yùn)行中的幾個(gè)典型參數(shù)變化情況作簡要說明。
  通過前面的分析可知，中頻爐負(fù)載實(shí)際上應(yīng)由感應(yīng)器，被加熱工件和補(bǔ)償電容器三部分組成，如圖7所示。被加熱工件有磁性材料(如鐵等)和非磁性材料(如銅等)之分。不同性質(zhì)的工件對(duì)溫度變化的反應(yīng)是不一樣的。對(duì)非磁性工件而言，其在加熱過程中導(dǎo)磁率(μ=1)不變，則電感Ls也幾乎不變，而電阻rs則隨溫度升高而增大。對(duì)磁性工件來說，加熱過程中溫度變化所引起的電參數(shù)變化非常復(fù)雜，圖10示出了鐵磁材料ρ和μ的溫度變化曲線。由圖10可知，在磁性變態(tài)點(diǎn)之前，電阻系數(shù)ρ和導(dǎo)磁率μ均在變化，一般稱這種狀態(tài)為冷態(tài)。當(dāng)工件溫度達(dá)到磁性變態(tài)點(diǎn)以上時(shí)，ρ和μ均趨于穩(wěn)定，這種狀態(tài)稱為熱態(tài)。冷態(tài)加熱開始時(shí)，μ幾乎不變，即Ls也幾乎不變，此時(shí)電阻rs隨ρ的上升而增大，當(dāng)溫度接近磁性變態(tài)點(diǎn)時(shí)，導(dǎo)磁率μ有明顯下降，這不僅使Ls急劇減小，同時(shí)由于滲透深度的迅速增大，因此rs也減小。

圖10 磁性材料ρ和μ溫度變化曲線

  在C和ω均為不變條件下，負(fù)載阻抗Z隨溫度的變化參見圖11。

圖11 負(fù)載阻抗溫度變化曲線

  由圖11可知，冷態(tài)阻抗小，熱態(tài)阻抗大，這就是晶閘管中頻熔煉設(shè)備為什么熱爐起動(dòng)容易，冷爐起動(dòng)困難的原因。
  圖11所示的負(fù)載阻抗變化規(guī)律，對(duì)我們分析負(fù)載電路特性非常有用。根據(jù)這種特性，我們可以在電源設(shè)計(jì)時(shí)采取措施，實(shí)現(xiàn)恒功率輸出，還有頻率自動(dòng)跟蹤，功率因數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)等。