（无线电物理专业论文）整流桥串联均压的自动控制设计.pdf

y 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 罗亟 学位论文作者签名： 骗辨 ， 一 解密时间： 7 年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 哔函日鬻 名 一 龆! 糙 簿 作键 文 幽 嚣一 倒。 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：盍越穿昂 昭年岁月 卜日 摘要 摘要 近些年，晶闸管中频装置得到了越来越广泛地应用。但无论是串联谐振或 者并联谐振中频电源电路，都存在着固有弊端。传统的串联逆变电路存在电压 累加的缺点：传统的并联逆变电路则存在临界阻尼，因此有起振困难、容易逆 变颠覆等缺点。 我们设计并实施了一种自然换流型并联补偿晶闸管中频电源电路，该电路 不存在电压累加，逆变晶闸管实现了自然换流，克服了传统逆变电路的弊端。 鉴于实际应用中需要增大功率和减小谐波的要求，我们在自然换流型中频电源 的基础上把整流桥进行了串联。该电路也出现了一个有待解决的问题，就是两 个整流桥串联的均压问题 本文对整流桥串联均压问题进行了深入的研究，提出了一种数字控制电压 跟随法，并在实验过程中获得了具体波形和数据，最终得到了一种串联整流整 流桥电压均衡的解决方案。改进后进行的实验结果证明该方法是非常可靠的。 将串联整流桥电压均衡控制电路应用于自然换流型并联补偿中频电源。可以得 到4 千k w 以上的功率，谐波大幅度减小，需要的平波电抗器也可以大为减小， 使中频电源在钢铁冶金领域内的应用必将进一步得到推广。 关键词：中频电源整流桥串联串联补偿均压 a b s t r a c t a b s t r a c t r e s e n ty e a r s ，m e d i u mf r e q u e n c yp o w e rs u p p l yw i mt h y r i s t o ri su s e dm o r ea n d m o r ew i d e l y b o t hp a r a l l e lr e s o n a n tm e d i u mf r e q u e n c yp o w e rs u p p l ya n ds e r i e s m e d i u mf r e q u e n c yp o w e rs u p p l yh a v et l l e i ro w ni n t r i n s i c d i s a d v a n t a g e s t h e c o n v e n t i o n a ls e r i e sr e s o n a n t c i r c u i th a st h e d i s a d v a n t a g e o f v o l t a g e a c c u m u l a t i o n p a r a l l e lc o m p e n s a t i o ni n v e r t i n gc i r c u i th a st h ed i s a d v a n t a g e so f u n e a s y o s c i l l a t i o na n di n v e r t i n gs u b v e r s i o nf o rt h ec r i t i c a ld a m p i n g w ed e s i g n e dan a t u r a lc o m m u t a t i o np a r a l l e lr e s o n a n tm e d i u mf r e q u e n c y p o w e r s u p p l y t h i sk i n do fc i r c u i th a sn oh i g hr e s o n a n tv o l t a g ea n di t si n v e r t i n gt h y r i s t o r s c o m m u t a t en a t u r a l l y t h ed i s a d v a n t a g e so ft h ec o n v e n t i o n a li n v e r tc i r c u i tc a nb e a v o i d e d f o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，h i g hp o w e ra n dl o wh a r m o n i cc o m p o n e n ti sn e e d ， w eh a v et w of u l lc o n t r o lr e c t i f i e r se o r m e c t e di ns e r i e s t h i sc i r c u i th a sap r o b l e m n e e d st ob es o l v e d p r e s s u r ee q u i l i b r a t i o n r e c t i f i e r sc o n n e c t e di ns e r i e sa r ei n v e s t i g a t e dd e e p l yi n t h i s a r t i c l e ，w ep u t f o r w a r dak i n do fd i g i t a lc o n t r o lv o l t a g ef o l l o w i n gm e t h o d ，w eh a v eg o t t e np r a c t i c a l w a v e f o r ma n dd a t ai ne x p e r i m e n t t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ts h o wt h em e t h o d w a se x c e l l e n ta n dr e l i a b l e t h ec o n t r o lc i r c u i tv o l t a g ee q u a l i z a t i o nu s e di nn a t u r a lc o m m u t a t i o np a r a l l e l r e s o n a n tm e d i u mf r e q u e n c yp o w e rs u p p l yw i t hs e r i e sc o n n e c t e db r i d g e sc a ng e t p o w e ro f4t h o u s a n dk i l o w a t t ，h a r m o n i cc o m p o n e n td e c r e a s ed e e p l ya n do n l yn e e da l i t t l er e a c t o rt h i sw i l lm a k em e d i u mf r e q u e n c yp o w e r s u p p l yt ob eu s e dw i d e l yi nt h e f i e l do fm e t a l l u r g yo fi r o na n ds t e e l k e yw o r d s ：m e d i u mf r e q u e n c yp o w e rs u p p l y r e c t i f i e r sc o n n e c t e di ns e r i e s s e r i e sc o m p e n s a t e v o l t a g ee q u a l i z a t i o n 目录 目录 第一章：研究背景 第一节中频电源的现状1 第二节晶闸管中频电源电路概述4 第三节自然换流型并联补偿晶闸管电源7 第二章：整流桥串联技术 第一节研究背景1 1 第二节主回路概述1 1 第三节整流桥串联技术的优势1 6 第三章：整流桥串联电压均衡的解决方案 第一节概述2 0 第二节i s 0 1 2 4 的工作原理及其供电电源2 1 3 2 1i s 0 1 2 4 的工作原理2 1 3 2 2i s 0 1 2 4 的供电电源2 3 第三节触发电路、隔离控制电路及其供电电路2 4 3 3 1 触发电路2 4 3 3 2 隔离放大电路和供电电3 0 第四节控制电路及其工作原理3 2 第五节整个电路及其工作原理3 4 第六节实验结果3 6 第四章：总结与展望4 3 参考文献44 致谢4 5 附录：电压表量程扩大4 6 个人简介4 9 i i i 第一章研究背景 第一章研究背景 第一节中频电源的现状 常用的感应加热中频电源设备有三种：中频发电机组、静止式电磁倍频器和 晶闸管中频装置。其中以用放电间隙产生中频电流的装置出现最早，但在感应 炉上应用极少，应用最广而又较早问世的是中频发电机组。中频发电机组早在 上世纪二十年代初期就应用于感应加热，直到大约1 9 6 6 年，在中频能源方面一 直占居统治地位。静止式电磁倍频器于上世纪初在国外出现，但直到上世纪五 十年代才被用于感应加热。由于种种原因，我国几乎没有发展这类感应加热电 源设备【l j 。直到1 9 5 8 年，世界上第一只晶闸管问世，欧洲各国才相继开始研制 晶闸管静止式变频器。它是一种将三相工频电源转变为单相中频电源的晶闸管 装置。1 9 6 6 年瑞土布朗鲍佛里( b b c ) 公司造出第一台功率7 5 0 千瓦、频率1 0 0 0 赫兹的晶闸管中频电源装置，并采用并联逆变线路，工作电压为1 4 0 0 伏。与此 同时，西德通用电器公司( a e g ) 公司也造出8 4 0 千瓦、5 0 0 赫兹的晶闸管中频电 源装置，并采用串联逆变线路，工作电压为3 0 0 0 伏。从此，晶闸管中频装置就 逐渐取代了中频发电机组。此后，世界各国都在大力发展这类变频装置，到上 世纪七十年代初期，一些国家已完成晶闸管中频装置的系列化工作。频率为 1 5 0 - 1 0 0 0 0 赫的各种功率晶闸管中频装置已投入实际使用，并已研制成频率高 到6 0 千赫的小容量晶闸管变频装置，正在研制更高频率的晶闸管中频装置。 可控硅中频装置之所以发展如此之快，就在于它和中频发电机组相比有一 系列的优点： 1 ) 启动速度快。可控硅中频装置，无论容量大小，从启动到满载输出大约 只需要1 0 0 - 5 0 0 毫秒。而中频发电机组的启动时间却与容量有关，容量越大， 启动时间越长，一般都需要几十秒以上。 2 ) 容易停止。可控硅中频装置可以在几毫秒内关短；发电机组惯性大，至 少也需要几分钟才能停下来。 3 ) 可控硅中频装置的效率高，额定负载情况下，效率可达9 1 9 5 ，半载 状态下也有9 0 9 3 ；发电机组效率只有8 0 , - , 9 0 。 4 ) 可控硅中频装置空载损耗小，一般只有o 5 1 ，发电机组空载损耗较之 高l o 倍，一般为5 1 0 。 0 第一章研究背景 5 ) 功率因数调整方式不同。可控硅中频装置是通过频率自动跟踪负载变化， 连续自动调整的。发电机组的频率是固定的，一般通过切换电容实现断续调整， 既麻烦又不易达到理想。 6 ) 可控硅中频装置适宜作为要求频率变化大的负载的供电电源，发电机组 则适应不了。 7 ) 可控硅中频装置没有可旋转部分，无磨损件，维护费用低。发电机组则 需要定期更换磨损件，维护费用高。 8 ) 可控硅中频装置几乎没有噪音和震动，重量轻，无特殊安装基础，容易 迁移，容易制造，发电机组的噪音和震动都很大，重量约比可控硅中频装置重 一倍，需要特殊安装基础，迁移困难，制造工艺复杂，因此容易组成自动化程 度高的生产工艺系统。 9 ) 可控硅中频装置较发电机组容易实现各种自动控制，因此容易组成自动 化程度高的生产工艺系统。 我国在上世纪六十年代末期开始研究晶闸管中频装置，到1 9 7 1 年就制造出 了供感应加热用的晶闸管中频装置，此后即逐渐形成系n t l l 。 随着微电子工业的新进展，国产晶闸管中频电源发展迅速，单机容量不断 扩大，频率也在不断提高。中频电源的控制系统构成已从分立元件演变为全集 成器件构成。随着自动调节、电子保护、监控环节的性能提高，整机的可靠性、 稳定性及效率都有了改善。 电子工业的飞跃发展，给中频技术的推广应用带来了广阔的前景。中频电 源广泛用于熔炼、透热、淬火、烧结、焊接等工业领域口1 。我们研制的晶闸管中 频电源主要用途是金属的熔炼，我国是世界第一钢铁大国，我国的钢铁行业这 几年呈蓬勃发展的趋势。我国的炼钢设备主要是传统的高炉炼钢，虽然产量不 错，但高质量钢材的产量较低。而感应熔炼的优点就是工人工作条件好，效率 高，熔液中合金元素烧损少，成份容易控制，因此产品质量高，且容易熔化各 种高级合金钢。因此，通过发展中频冶炼技术，可以在一定程度上提高钢铁质 量，便于炼制特种高级合金钢，并减少钢铁行业的污染和能源损耗，还可以改 善钢铁工人的工作环境，有较高的经济价值。随着国外几家大型的感应加热设 备公司进入中国，更提高了国内中频电源行业的竞争。但现在的整个中频电源 领域，存在着一定的技术难题。首先是中频电源的设备复杂，成本高，在感应 熔炼炉中熔液表面温度低，存在电磁搅拌，不利于高温造渣工艺的熔炼。但究 第一章研究背景 其根本，主要是现在的中频设备的单机容量不能大型化，现在国内出现的现有 设备中，单机容量最大做到十吨炉，不能满足大型化生产的需要。为此，克服 中频电源的技术难题，提高中频电源的单机容量，降低中频电源的成本，提高 其可靠性和效率，是现今钢铁行业迫在眉睫的事。 第二节晶闸管中频电源电路概述 晶闸管中频电源是一种将三相工频( 5 0 h z ) 交流电转变为单向中频交流电 的装置。晶闸管变频电路可以分为两大类：交一交变频电路和交一直一交变频 电路，前者的特点是将5 0 h z 的工频交流电直接变成频率为f 的中频交流电，没 有直流中间环节。这种变频电路的优点是效率较高，但电路复杂，目前应用极 少。交一直一交变频电路的特点是有直流中间环节，通过整流电路先将工频交 流电整流成直流电，再通过逆变电路将它变成频率为f 的交流电。逆变电路输 出的中频电能，通过感应线圈施加到负载上，进行感应加热。按照逆变电路和 负载电路的不同组合，晶闸管中频电源电路又可分为并联逆变电路、串联逆变 电路、串并联逆变电路、倍频式逆变电路和时间分割式逆变电路等。其中并联 逆变电路和串联逆变电路是基本电路下面就简单介绍一下这两种电路。 1 2 1 并联逆变电路 图1 1 为并联逆变中频电源主电路原理图，图中a 部分为晶闸管组成的三相 桥式全控整流电路( 简称整流桥) ，它将正弦的工频交流电整流成脉动的直流 电l l d ，可以调节直流电压u d 来调节负载电流。图中b 部分为直流中间电路， 它是由一个储能电感组成，它把5 0 h z 工频网络和中频网络隔开，并把直流电流 h 滤成平滑的波形。图中c 部分为由4 只晶闸管组成的单相桥式逆变电路，将 直流电流i d 逆变为交流方波中频电流i o ，并将它送入负载电路( 图中d 部分) 。 负载电路由感应线圈和补偿电容器组成的并联振荡电路对工件进行加热。 2 第一章研究背景 _ - 一厂一厂! l d ；酞 ：jl一lj l s 1s 2 r1，一 ，1 _ ，夕一歹 门 lo ， = 、 = ， z 争t f 夕 厂1r ! u 0 f f厂一 写3 s 4 l l一k一 批地 栅“舢 图1 1 并联逆变主电路原理图 逆变电路输出的中频电流的频率，受负载振荡电路控制，略高于并联振荡 电路的谐振频率。中频电流f 。中含有明显的基波和谐波，接近谐振频率的基波流 入并联振荡电路时，振荡电路呈现很大的阻抗，比基波频率高几倍的谐波电流 通过并联振荡电路时，振荡电路呈现很小的阻抗，所以方波中频电流i 。通入并联 振荡电路负载时感应器负载电压“。实际上接近正弦波形【3 1 。 目前广泛应用于金属熔炼、锻件透热的晶闸管中频感应加热电源大多采用 并联补偿逆变电路，并联补偿型中频电炉的炉体电压相对较低，且不随负载变 化，对负载的适应能力强，运行安全。然而，并联补偿逆变器有其先天固有的 缺点：起振困难、易逆变颠覆h 1 。这是因为并联补偿型中频电源的输出阻抗r 越 小，越不易发生振荡；而对于中频电源的输出功率p = u 2 r ，r 越小，输出功 率p 越大。然而r 越小，负载电路越向临界阻尼和过阻尼状态靠拢。可见，输 出功率越大，越不易发生起振，并联补偿逆变电路存在的这对矛盾，造成了并 联补偿型中频电源的起振困难，也造成了中频电源功率难以大型化的困难。目 前国内制造的并联补偿型中频电源的功率一般在1 0 0 0 k w 以下，国外制造的并 联补偿型中频电源的功率一般3 0 0 0 k w 以下。这说明了在并联补偿型中频电源 第一章研究背景 的起振问题上遇到了难以逾越的困难。另一方面，其导通的s c r l 和s c r 4 不能 自行关断，只有通过触发另一桥臂的s c r 2 和s c r 3 ，利用补偿电容c 上的残余电 压对s c r l 和s c r 4 反向放电，才能将其强迫关断；同样s c r 2 和s c r 3 也要靠触 发s c r l 和s c r 4 来强迫其关断。这就要求负载电路必须工作在谐振状态，属于 欠阻尼的情况。此外，并联补偿型逆变器的四只晶闸管在换流的过程中必然出 现同时导通的情况。一旦并联补偿电容c 上的电荷储量不足，或换流时间选择 不当，都有可能导致逆变颠覆。这种问题还会严重影响并联补偿型逆变器的起 振成功率。而且，中频电源输出功率越大，问题越严重。所以并联补偿中频电 源的普及受到了功率不能大幅度提高的限制。 1 2 2 串联逆变电路 图1 2 串联逆变中频电源主电路原理图 图1 2 为串联逆变中频电源主电路原理图。 图中第一部分为晶闸管组成的三相桥式全控整流电路( 简称整流桥) ，它 将正弦的工频交流电整流成脉动的直流电u d ，可以调节直流电压l l d 来调节负载 电流。图中第二部分部分为直流中间电路，它有一个滤波电感l d 和滤波储能电 容c d 组成，它把工频网络和中频网络隔开，由于电容很大，它两端基本上是平 滑的直流电压u d ，此电容是在逆变电路( 图中第三部分) 还没有工作前电容器 就储能建立的电压，以便于启动逆变电路。图中第三部分部分为单相桥式串联 逆变电路，它将直流电压u d 逆变为中频方波电压u o ，并将它加到负载电路( 图 4 第一章研究背景 中d 部分) ，d 1 d 4 是为使负载电流连续和不使晶闸管承受过高反压的二极管。 负载电路是由感应线圈和补偿电容组成的串联振荡电路，对工件进行感应加热。 逆变电路输出的中频电压的频率，受负载振荡电路控制，略低于并联振荡电路 的谐振频率。中频电压材。中含有明显的基波和谐波，接近谐振频率的基波电压 加到串联振荡电路时，振荡电路呈现很小的阻抗，比基波频率高几倍的谐波电 流通过串联振荡电路时，振荡电路呈现很大的阻抗，所以方波中频电压加到串 联振荡电路负载时，感应器负载中流过的电流实际上接近正弦波形【3 】。 2 、串联补偿逆变中频电源的特点： ( 1 ) 直流端可采用不控整流线，线路简单，直流端功率因数高，对电网波 形影响也比较小。 ( 2 ) 电源启动容易跚，其输入端并联的大电容c 在启动前就积聚了很多能量， 启动时，c 的瞬间放电能使串联振荡回路保持一定的电流，以保证建立自激信 号和主电路的环流，无需增加储能的启动电路。 ( 3 ) 逆变晶闸管实现了自然换流，保证了逆变电路的起振成功率，同时晶闸 管的开关损耗比较小，逆变电路的工作频率可以比并联逆变电路高。 ( 4 ) 电流为正弦波，开关损耗比较小，并且晶闸管上d z d t 小，对于晶闸管的 d z d t 要求也不高晦。 ( 5 ) 串联补偿逆变电路有电压累加1 ，谐振电容上的电压每半周期都有一个 叠加过程，直到逆变回路工作于稳态。感应线圈和谐振电容工作电压比较高畸1 ， 因此需要较多的谐振电容，而且感应炉线圈匝间电压过高，很容易引起匝间放 电，严重时击穿用于冷却的水冷空心线圈，造成炉毁人亡的安全事故。 _ ( 6 ) 串联补偿中频电源对负载变化的适应性较差，当负载电路的q 值变化时， 负载电路中电容和电感上的电压变化都很大，而且当触发电路暂时处于不正常 工作状态时( 如丢失脉冲) ，逆变电路立即停振。相反，并联逆变电路因负载 电路本身构成闭合振荡回路，在发生上述情况而逆变桥封锁时，负载端仍能继 续维持振荡，因而可靠性较好。串联谐振电路将出现电流断续，感应线圈上的 电流突然变化为零，谐振电容上的电压不能突变，其上的高压直接加到晶闸管 的两端，所以对串联谐振晶闸管的耐压性能和d u d t 要求高。 ( 7 ) 整流桥输出的脉动直流电经过平波电抗厶和平波电容e 滤波后，形成 恒压源，对串联谐振逆变桥供电。当逆变颠覆时，即四个桥臂同时导通，直流 侧的大电容将迅速向逆变晶闸管释放能量造成了很大的威胁，极有可能损坏晶 第一章研究背景 闸管，故晶闸管的保护方法比较困难。 综上所述，串联补偿逆变中频电源的应用受到了限制，其仅适用于需要频 繁启动，容量不是很大的场合【3 j 。 第三节自然换流型并联补偿中频电源电路结构 前期我们实验室研制成功了一种简单、可靠、适用于金属熔炼的大功率晶 闸管中频电源电路，克服已有中频技术所存在的问题，使中频电源在本领域内 的应用进一步得到推广。该方案是一种“采用自然换流的并联补偿型大功率晶 闸管中频电源”，本开发研究项目所设计的电路解决了并联补偿逆变电路和串 联补偿逆变电路所存在的严重问题，有效的克服了逆变颠覆、起振困难和过电 压带来的危险问题，从而使晶闸管中频电源大功率化和特大功率化可以实现。 如图1 3 所示为自然换流型并联补偿晶闸管中频电源电路的基本结构图 s ls 3- s 5 l d l s 7 j 一 一 一 z ，_ 一 l一kk d l 】 l = c l 夕 匕j d 3 a - - _ - ，、+ 、+ 、+ 、一 g l 、一di l 一 i i 6 a c f厂一f 一 一= c 2 1s 8 klj - 一l【 】 s 4s 6s 2d 2l 越 7 d 4 ，一 图1 3 自然换流型并联补偿晶闸管中频电源原理 电路由三相全控整流桥、平波电抗厶、谐振电容c 1 、c 2 、隔直电容c 、炉 体电感l 、两只晶闸管s c r 7 、s c r 8 构成的单向半桥整流桥以及续流二极管d 1 、 d 2 、d 3 、d 4 组成 平波电抗厶足够大，输出恒定的电流，d ，提供恒流源供电。 隔置电容c 远大于谐振电容c 1 、c 2 ，它的作用是阻断直流，防止续流二极 管d 3 、d 4 与晶闸管s c r 7 、s c r 8 形成短路状态。 其特征为：包括由整流晶闸管s 。s 。组成的两组三相半波合并而成的晶闸 管全控整流桥及平波电抗器l d 。、k 构成的两个恒流源和一个并联谐振逆变回路。 具体连接是：通过整流晶闸管s 。、s 。、s 。输出的正半波脉动直流连接到平波电抗 6 第一章研究背景 器l d 。的一端，l d 。的另一端分别连接谐振电容c 。的一端和逆变晶闸管s ，的阳极， s 。的阴极与另一只逆变晶闸管s 。的阳极相连接并成为该中频电源向外输出中频 电的一个输出端点b ；通过整流晶闸管s 。、s 。、s 。输入的负半波脉动直流连接到 平波电抗器k 的一端，k 的另一端分别连接谐振电容c 。的一端和逆变晶闸管s 。 的阴极；电容c 。的另一端和电容c ：的另一端一同与输入电源变压器的零线相连 接并成为该中频电源的另一个输出端点a ；在该中频电源的两个输出端点a 和b 之间接有电容c 和炉体线圈l 。电路中的直流部分还给其正向和反向的三相半波 整流桥各增设一只续流二极管d ，和d 。，其中d 。的阴极连接在正向三相半波整流 器的正电输出端，d 。的阳极与电源变压器次级零线相连接；d 。的阴极也与零线相 连接，d ：的阳极连接在负向三相半波整流器的负电输出端。其逆变晶闸管s ，、s 。 还可分别附加反并联续流二极管d 。和d 。，其中d 。的阴极连接s ，的阳极，而d 。 的阳极连接s ，的阴极，d 。的阴极连接s 。的阳极，而d 。的阳极连接s 。的阴极。 续流二极管d 3 和d 4 有两个作用： 其一是阻止晶闸管整流桥拉逆变。这样做的好处是当整流桥负载发生剧烈 变化时( 比如，中频电源起振时) 整流桥的输出电压比较稳定，从而保证了中 频电源有更高的起振成功率。因为逆变桥起振时，我们希望输出功率逐渐增加 而不是一开始就大功率起振。为此，整流桥的触发角度比较靠后，输出电压比 较低，此时，整流桥可能处于拉逆变工作状态( 即交流电压过零时，因为感性 负载的作用，整流晶闸管没有关断，整流桥输出负电压) ，如果负载是感性变 化的，会造成整流桥的拉逆变角度不同，从而使整流桥输出电压不稳定，并且 输出电压平均值比较小。我们并联续流二极管，当直流电压为正时，续流二级 管承受反压而关断；当电源电压过零并变负时，负载电感的作用使续流二极管 两端产生正压而导通，使整流桥输出电压不会变负，保证了整流输出电压的稳 定性。 其二是当整流桥突然停止工作时( 如主回路发生故障，紧急情况下封锁整 流桥) ，平波电抗器上的电流将发生断续，d 3 和d 4 可以分别给相应的平波电抗 器厶续流，避免了厶因突然电流中断而产生极高的自感电动势，从而保护了三 相全控整流桥的六只晶闸管不被瞬时高电压击穿。 对于传统的串联或并联逆变电路，我们一般根据负载线圈与补偿电容的连 接方式来判断逆变电源的并联或串联补偿特性，但对于半桥逆变电路来说，不 能用传统的方法来判断，在此情况下判断其补偿特性的依据是看它是恒流源供 7 第一章研究背景 电还是恒压源供电，恒压源供电是串联补偿，恒流源供电是并联补偿。对于此 电路，由于平波电抗器l d 。、k 的存在，所以是恒流源供电，所以此电路属于并 联补偿电路。在图1 3 中，电容c 的容量远大于c 。和c 。，炉体线圈l 与补偿电容 c 。和c ：构成并联谐振回路，l c 串联回路的谐振频率远小于l c 。或l c ：回路的谐 振频率。负载电路工作在l c 。和l c ：回路的谐振点附近，远离l c 串联回路的谐 振点，在电容c 。或c ：放电的过程中，电容c 的容抗z = 1 肋c 可以忽略不计，电 容c 对于交变电流来说等效为通路，因此电容c 在电路中起到隔直流通交流的 作用。通过整流晶闸管s 。、s 。、s 。输出的正半波脉动直流电和整流晶闸管s 。、s 。、 s 。输出的负半波脉动直流电分别经电抗器l d 。、k 滤波，成为平滑的直流电流， 分别在电容c ，、c 。上储能，在c 。上形成上正下负的电压u 。，在c 。上形成上正下 负的电压u 晓，触发逆变晶闸管s ，负载回路中的逆变电流i 。的流经为 g + 专岛一三专c 专g 一，建立并联振荡，这一过程形成负载电流的正半波，当 电流i 。为零时，逆变晶闸管s ，关断；触发逆变晶闸管s 。，逆变电路输出电流 i 。的流经为c 2 + 一c 一一最专g 一，建立并联振荡，这一过程形成负载电流的 负半波，当电流i 。为零时，使逆变晶闸管s 。关断。随着s ，和s 。的交替导通，这 两个并联回路分别完成正负半波的中频电流谐振。逆变晶闸管s ，和s 。自然关断， 所以此电路属于自然换流型并联补偿晶闸管中频电源电路。 一、自然换流型并联补偿中频电源电路的换流过程是通过自然换流实现的， 在一只晶闸管停止工作以后，才触发另外一只晶闸管。由于不存在强迫换流， 因此也就不存在临界阻尼影响起振的情况，电路的起振没有困难。 二、因为电路引入了零线，而且采用恒流源供电，使电容c 1 、c 2 不同时工 作于谐振状态，因此不存在电容电压累加，解决了串联补偿电路感应线圈匝间 电压过高的问题。 三、电容c 1 和c 2 的充电电压大部分通过晶闸管反向放电了，通过续流二 极管的电流很少，这就代表反馈给电网的虚功电流很少，大大的提高了有效功 率的发挥。 也就是说，自然换流型并联补偿中频电路不但集合了串联和并联补偿电路 的优点，而且没有它们的缺点，符合工业冶金大型化的需要，这是自然换流型 并联补偿中频电源电路的优势所在f 7 1 。 第二章整流桥串联技术 第二章整流桥串联技术 第一节研究背景 我们所设计的自然换流型大功率中频电源在天铁实际运行中遇到以下几 个问题： 1 ) 我们中频电源设备的整流装置的直流输出电压大约4 0 0 v ，输出电流大约 2 5 0 0 a ，所以中频感应加热电源的输出功率约1 0 0 0 k w ，市面上很多中频电源的功 率已经达到几千千瓦，例如襄樊世科电气专业生产的中频电源成套设备，其功 率可达5 0 0 0 k w ，频率o 5 8 k h z ，所以我们有待于进一步提高功率，以提高生 产效率。 2 ) 目前，直流用电量占据总发电量的比重相当大，整流装置交流侧会产生大 量谐波，会引起电网的严重污染。交流谐波的危害性很大，主要有：( 1 ) 使公用 电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低了发电、输电及其用电设备的效率， 大量的3 次谐波流过中线时会使线路过热甚至引发火灾。( 2 ) 谐波影响各种电 器设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、 噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘 老化，以致损坏。( 3 ) 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从 而使谐波放电，使上述的危害大大增加，甚至引起严重事故。( 4 ) 谐波会导致 继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。( 5 ) 谐波会 对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢 失，使通信系统无法正常工作陋1 。并且随着开关电源设备功率的增大，整流装置 所产生的谐波更加严重，对电网的干扰也随之加大国3 ，所以迫切需要我们减小谐 波。 3 ) 因为整流桥输出的直流电压脉动比较大，所以用于滤波的电抗器非常大， 有两个大约3 2 m h 的电抗器，所以整流桥装置也有待于进一步改进，以减轻平 波电抗器的重量。 4 ) 因为交流输入侧的交流电流脉动比较大，交流输入侧的电源滤波比较麻 l o 第二章整流桥串联技术 烦，有待进一步改进。 一 为了减小三相整流器输入的总谐波含量、提高系统的电磁兼容性，一种常 见的方法是将整流电路进行移相多重联结。在一个电源周期中整流输出电压脉 波数越多，则输出电压中的谐波阶次越高，谐波幅值越小，同时整流装置的交流 电流中的谐波频率越高，谐波电流幅值越小归3 。鉴于以上种种原因，在自然换流 型并联补偿晶闸管中频电源的基础上将整流桥串联，可以同时达到大幅度提高 输出功率、减小交流谐波、减小滤波电抗器和简化交流输入侧电流滤波装置的 目的。 第二节主电路概述 现在将两组三相全控整流桥串联滤波后再接到逆变电路，如图2 1 所示【9 】 1 0 1 。 图2 1 整流桥串联电路 变压器的三个绕组绕在同一个铁芯上，两个次级线圈的匝数相等，初级接 成，次级分别接成和y 形因为线电压和相电压存在着如下关 系：虬6 = 虬一u b = 3 u 。l 3 0 ，即线电压超前相电压3 0 。，如图2 2 所示。形接 线的那个次级绕组线电压应比y 形接线的绕组相电压大，等于它的3 倍。加到整 流桥上的分别是三角形接线的变压器次级绕组线电压和星形接线的绕组的线电 第二章整流桥串联技术 压，由于两个次级绕组的匝数是相等的，所以加在两个整流桥上的输入电压的 大小是相等的。但是由于y 形绕组相电压和形绕组的线电压是同相位，所以 两个整流桥的输入电压相差3 0 0 。 图2 2 三相交流电相电压和线电压相位关系图 两组整流桥输出的电压其相位彼此差3 0 0 ，如果两个触发脉冲的触发角相同 由于电压相移的结果，在负载上将产生带有小量十二次谐波脉动的整流电压如 图2 3 所示 1 l 】： 1 2 第二章整流桥串联技术 1 日 、i计灯瞵渊国! ? 楸忪 ， i l t 一。u 砭 i l l l 匿l l l 、广呻妒叩八、八厂虬 llll llll ili flll l g l t k fll i l 图b l 1 lll1 如 lll|lil 夺； ： ：l ： 椿功旷影狮 l? ， ：图c ?1 g 眯 - 。、 - - 一 一 。、 h 、一、，。、， 、 _ - ， ：! 礁 l 强 l 厂。、厂、小 l l l l l l 陵ll l ： ll 囡7 十 ，_ 、，- 、牛 li l ，、，- 、_ 、，十一 l l 姝 ll ll li l l 。ll l i l ilil i iii m t 园 图2 3 十二相整流电压波形图 1 3 第二章整流桥串联技术 工作原理：参看图2 4 所示两路整流桥输入电压波形图和两路整流桥上的1 2 支 可控硅的触发脉冲示意图2 5 。 、 u a u c 丙f 7 叮x 哩 炎蕃，7 i i 、。 i u c! i 刍j 。 吻 x 7 m 浙 0 、u g k l 6 ) o 、u g k 2 1 ) o 和u g k 2 6 0 ，与此对应，a 相和a 相电压最高，b 相 和b 相电压最低，故元件互。、t 1 。、t 2 。、t 2 。导通，其余8 支处于断态，线电压u 柚 通过五。、t 1 。，线电压u ab 通过t 2 。、t 2 。串联后加到负载上，产生负载电流，上 述情况持续雯jo j t = 岛为止，当o t 岛时，u 西2 0 ，互：导通，其端压突降为零， 使互。立即关断，第一路整流桥变为由u c 通过正。和互：与另一路整流桥的输出电 压串联后加到负载上，再过3 0 0 ，第二路整流桥的由正，导通变为正，导通，再过 3 0 0 ，第一路整流桥的由互，导通变为互，导通，以后每隔3 0 。重复以上的现象，上 下两路整流桥的上下两组元件各按1 3 5 和2 4 6 的次序相间导通，同一组 中相邻两元件每隔1 2 0 0 产生一次转换，即每一元件的的导通角是1 2 0 0 ，跟单整 流桥工作时完全相同，只是两路整流桥上相对应的元件导通的时刻均相差3 0 0 ， 如图5 6 所示。i s 】合成电压中最低次谐波频率为1 2 f , 谐波幅值占的分量比六相 整流时要小得多。 第三节整流桥串联的优势 1 ) 提高功率： 六相整流的直流输出电压n 2 3 ： ：= 专臣口压而：s i n c o t d ( c o t ) 3 = 半吲州詈圳( 扣训 冗 3 = 墨丝u 宰2c o s 三c o s 口 第二苹整流桥串联技术 ：坐u 2c o s 口( 2 1 ) 十二相整流的直流输出电压： z 2 三孽2 口压助：咖删( 咖三1 争而：s i n ( 刎+ 融刎 3 3 + 。i 励2s i n ( c o t 一罢) d ( 】 2 + “ o - ：= 昙孽口压西：s i n 删( + i 1 孽压西 d ( 卅3 2s i n ( c o t + 3。3 + 口；而2s i n ( c o t z ) d ( c o t ) i”0 3 - - 鱼万u 2 c o s 哼7 1 + 口) 一c o s 弓刀+ 口) 】+ - v 2 c o s 呼+ 口) 一c o s ( 三+ 口) + 等吲州三圳一号万圳 = 坐7 幸2 c o s 至3c o s 口+ 圣7 笪 u ： c o s ( 竺3 + 口) 一c o s ( 三3 万+ 口) ( 2 2 ) zl 、，。、 。，j一 由式2 2 和式2 3 可知，十二相整流的直流输出电压是六相整流直流输出 电压的两倍。 由尸2 百u 可知，双整流桥串联的中频电源输出功率将增大为原来的4 倍。 这样我们天铁的自然换流型并联补偿中频电源的输出功率就可以达到4 千k w 。 2 ) 提高功率因数： 三相全控整流电路的单相输入电压为： u = 弓争陋n 研一 s ；n 5 研一专s i n 7 耐+ 六s i n 9 耐+ 去s i n ，刎一杏s t n 7 耐， = 竽n 叫+ 了2 , 8 萎( _ 1 ) 扣行研 ( 2 4 ) ”6 k 一! 这时的基波因数：= 告= 三0 9 5 4 9 ( 2 5 ) 式中：u 为基波电压有效值，u 为总输入电压有效值。 定义功率因数为基波因数和位移因数( 基波功率因数) 之积： 五= , u c o s a = 导c o s a = - - 。c o s a 0 9 5 4 9 c o s a ( 2 6 ) 1 6 第二章整流桥串联技术 式中：口为触发延迟角 采用两个全控整流桥串联的1 2 脉波波整流电路的总输入电压为： u = 兰笋陋n 研+ 六s t n ，刎+ 去s i n ，3 研+ 去s m 2 3 研+ 去s m 2 5 刎， = 笪y 竽。塾矿扣研 万 。万1以 1 2 脉波整流器功率因数为：五= c o s 口= 等c o s 口。9 8 8 6 c o s 口 可见，采用1 2 脉波整流器可以获得更高的功率因数n 4 副。 3 ) m 脉波整流电路的输出电压的谐波分析( 如图2 6 所示) ： 图2 6 口= 0 0 时，m 脉波整流整流电压波形图 将纵坐标选在整流电压的峰值处， 达式为：u d o = j c o s ( o r ( 2 7 ) ( 2 8 ) 则在一万m 万m 区间，整流电压的表 ( 2 9 ) 对该整流输出电压进行傅立叶级数分解，得出： 划d o + 塾c o s 删= u d o 【1 _ 蚤等研 式中，k = l 乜3 ( 2 1 0 ) f 1 u d 。= 4 2 u 2m 万s i i l 吾， b n = - 2 c 。o s k l n u n d 。 万朋 一1 为了描述整流电压。中所含谐波的总体情况，定义电压纹波因数为u 。中 谐波分量有效值u r 与整流电压平均值。之比： 7 。：i u r ( 2 1 1 )“ o j 厂一一 其中：u r = 研= u 2 一u d 。 1 7 第二章整流桥串联技术 而：u = u ( 2 1 2 ) 电压纹波因数式：以：瓦ur：1+罢xsin 2 xm 2 c 2 。3 ) 表2 1 不同脉波数m 时的电压纹波因数值表 m23 6 1 2o o 九( ) 4 8 21 8 2 74 1 8 0 ，9 9 4 o 口= 0 饥时整流电压的谐波有如下规律： ( 1 ) m 脉波整流电压u d 。的谐波次数为m k ( k = 1 ，2 ，3 ) 次，即m 的倍 数次。 ( 2 ) 当m 一定时，随谐波次数增大，谐波幅值迅速减少， 次) 谐波是最主要的，其他次数的谐波相对较少。 ( 3 ) m 增加时，最低次谐波次数增大，且幅值迅速减小， 速下降 1 1 】【1 2 1 。 表明最低次( m 电压纹波因数迅 并且我们可以得出两个整流桥串联后的电压纹波因数是三相全控整流桥电 压纹波因数的：i 0 9 9 4 】i c l 0 0 ：2 3 8 ，不到原来的 。 4 1 84 另外，从输入电压的表达式中( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 可以看出，1 2 脉波整流 的主要谐波为1 l 、1 3 次谐波，与6 脉波整流相比，有效地消除了5 、7 次谐波1 。 4 ) 输出电压、电流脉动减小，平波电抗器重量减轻 1 l 】。 通常采用电压脉动系数s 。来衡量电压脉动的情况，其定义为输出整流电压 中最低频率的交流分量幅值u 跏与整流电流平均值u d 之比，即s 。= 等等 【d u d 。= 面2 _ ms i nx _ _ ，吃= 一2 e 开o s k x 。，吃中的n 用m 代换， 第二章整流桥串联技术 将。代入6 中得： f s 1 1 1 一 = 饥一箐。一西z 乎幸志 泣1 4 ) 所以多相整流的电压脉动系数【1 1 】为： 面，旦木三一 7 沏+ 1 ) ( m 一1 ) 瓯2 昔2 i 一= 嘉 泣 2 玑旦 相数不