（电力电子与电力传动专业论文）自然换流型并联补偿晶闸管中频电源.pdf

南开大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lp a r a l l e l i 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 fu n e a s yo s c i l l a t i o n a n di n v e r t i n gs u b v e r s i o n t h et r a d i t i o n a ls e r i e si n v e r t i n gc i r c u rh a st h ed i s a d v a n t a g e so fv o r a g ea c c u m u l a t i o ni nl o a d i nt h i s p a p e ran a t u r a l c o m m u t a t i o nh i 【g h p o w e rt h y r i s t o rm e d i u mf r e q - u e n c yp o w e rs u p p l yw i t hp a r a l l e l r e s o n a n ti sd e s c r i b e d i th a v eat h r e e p h a s ef u l l b r i d g er e c t i l y i n g c i r c u i tc o n s t i t u t e do ft w ot h r e e p h a s eh a l f - w a v er e c t i f y i n g c i r c u i tw i t ht h y r i s t o ra n dt w oc o n s t a n tc u r r e n ts o u r c ec o n s t i t u t e d o fr e a c t a n c ef i l t e rl d l ，l d 2a n dap a r a l l e lr e s o n a n ti n v e r t i n g c i r c u i t h e a t i n g i n d u c t o rla n dc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o rc i ，c 2c o m p o s et w oi n d e p e n d e n te a - c ho t h e rp a r a l l e lr e s o n a n tc i r c u i t w i t ht h ei n v e r t i n g t h y r i s t o rs w i t c h i n gb y t u r n s ，t h et w op a r a l l e lr e s o n a n tc i r c u i t c o m p l e t ei n d e p e n d e n t l ym e d i u mf r e q u e n c yc u r r e n t r e s o n a n c eo ft h e p o s i t i v eh a l f - w a v ea n dn e g a t i v eh a l f - w a v e t h ec u r r e n tr e s o n a n c em a k ei n v e r t i n gt h y r i s t o r st u r no f fs p o n t a n e o u s l y ，t h e d i s a d v a n t a g e so fi n v e r t i n g s u b v e r s i o ni nt h et r a d i t i o n a l p 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 yc a nb eo v e r c o m e d ，a n dt h er e l i a b i l i t yo fo s - c i l l a t i o ni s i m p r o v e d t h er e s o n a n tc a p a c i t o rc j ，c 2i s f e e dw i t hi n d e p e n d e n te a c ho t h e rc o n s t a n tc u r r e n ts o u r c ea n dv o l t a g ea c c u m u l a t i o ni se l i m i n a t e d ，t h eo v e r v o l t a g eo ft h et r a d i t i o n a ls e r i e sr e s o n a n tc i r c u i t i se l i m i n a t e d c o m p l e t e l y o nt h eb a s eo ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，ai n d u s t r i a l o p e r a t i o n a le x p e r i m e n t a b o u t4 t 2 0 0 0 k wo u t p u tp o w e ri sa c t u a l i z e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w t h em e t h o di se x c e l l e n ta n da v a i l a b l e t h em e t h o dg i v e sa s i m p l ea n dr e l i a b l eh i g hp o w e rt h y r i s t o rm e d i u m f r e q u e n c yp o w e rs u p p l y t h ea p p l yo ft h i sm e d i u mf r e q u e n c yp o w e rs u - p p l y i nt h ef i e l di sf a r t h e r i m p r o v e d k e yw o r d s i n v e r t i n g ；s e r i e s p a r a l l e lc o m p e n s a t i o n ；v o l t a g e c u r r e n tr e s o n a n c e ；m e d i u mf r e q u e n c yp o w e rs u p p l y 南开大学硕士学位论文 第一章研究背景 1 1 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。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。 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，此后即逐渐形成系列。最近几年，又开 展了研制频率更高的晶闸管变频装置的工作，并于1 9 8 0 年研制成了3 0 5 0 千赫、1 0 0 千瓦的超音频晶闸管变频装置。 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t 频率也不断在提升。串联型逆变器因其本身具有理想的调节功能，一套 电源可供熔炼、保温两炉同时运行，使作业效率提高，且无启动麻烦而倍受欢 迎a 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 自然换流型并联补偿晶闸管中频电源 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。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及成份容易控制，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 其根本，主要是现在的中频设备的单机容量不毹大型化，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。 1 2 负载电路 感应加热负载均为功率因数很低的感性负载( 一般为0 0 5 o 3 ) 。若不 设法补偿，就需要很大的电源容量。在感应加热中都采用电容器来补偿感应器 的无功功率，提高其功率因数，使电源仅供给有功功率。在采用晶闸管电路的 感应加热设备中，常用的有并联补偿、串联补 偿及串并联补偿。这样就组成了并联振荡回 路、串联振荡回路和串并联振荡回路。 1 2 1 并联振荡负载电路 u 将补偿电容器和感应器并联就组成串联 补偿电路，分析这种电路时把负载电感等效为 电感x 。与电阻r p 的并联时，这就组成了如图 图1 i 并联振荡负载电路 南开大学硕士学位论文 1 - 1 所示的并联振荡负载电路。将角频率为的正弦电压u 加到并联振荡电路 时，感应器的端电压u ，就等于电源电压u 。 电路的电流方程式为： c 毒+ 去懈，= u m l 凹一划 并联振荡电路的输入阻抗为 b 了u 。知巧i ， ，1 、 c o s 妒2 丽r p 并联振荡电路工作在完全补偿谐振状态时，电源电压u 与电源电流，同相位 故蛾c 一_ i ：0 c o o l 由此得谐振频率c o o 为 f i 。2 、瓦 谐振时的电源电流厶为 ，。：，：旦 谐振时的电路输入阻抗而为 z o = z = c o s 口=丽 谐振时，电容器中的电流七为 i c ：( d o c u = e o o c r p u ：q i c r 鱼鉴垫亟型茎壁i ! 堡曼囹要主塑皇塑 一 谐振时，电感中的电流五为 卜杀= 舌等哦 式中 q = = 壬 ( - o n l 由此可知，并联振荡电路工作在国= 谐振状态时，输入阻抗为纯电阻， 电源只供给有功电流厶。而并联槽路感应器和电容器中的电流都相当大，均 为输出电流的o 倍。因此，并联振荡电路又称为电流谐振电路。 实际上晶闸管变频电路要求负载成容性才能正常工作，因此并联振荡负载 电路的工作频率， = 2 矿) 要稍高于串联谐振频率五( 五= 2 矾) ，频率越高， 超前功率因数角越大，负载阻抗越小，电源电流越大。 1 2 2 串联振荡负载电路 将补偿电容器和感应器串联就组成串联补偿电 路，把负载电感等效为电感x s 与电阻r s 的串联时， 这就组成了如图l 一2 所示的串联振荡负载电路。将 角频率为的正弦电压u 加到串联振荡电路时，感 应器中的电流打就等于电源电流。 一 电路的电压方程式为： 图1 - 2 串联振荡负载电路 l u = u c + u + u 月= ，( 一j + + 彳5 ) 凹 = ，( + j c o l 一，土) 0 3 c 电路的输入阻抗z 为 z ：导：+ ，( 越一与 j 整个电路的功率因数为 c o s 妒两r v 串联电路在完全补偿、串联谐振状态时，c ，沈，故有 ， 1 1 越。磊 o j = o j 02 瓦 式中= 2 矾，为谐振时的电源角频率。 谐振时的输入阻抗z 为 z = r s 谐振时的电路电流而为 ，。；：旦 谐振时电路的功率因数c o s 为 c o s 西= ；：= = 兰= = = = = = 1 7 ，胁+ ( c o l 一上) ： y钾 电路谐振时，电容上的电压u c 为 ：上，o ：上旦：q u 电路谐振时，感抗上的电压巩为 u l ：工。：c o 。l u ：q u 式中9 ：型：上 通常把谐振时电路中任一电抗与电阻之比称为振荡电路的品质因数，所以q 即为振荡电路的品质因数。 由此可知，当串联振荡电路谐振时，电源电压全部加在电阻上，而串联电 容的端电压和电感两端的电压觇数值相等方向相反，均为电源电压的q 倍，因此，串联谐振又称为电压谐振。在中频感应加热中q 值变化较大，感 应器电压或者电容器电压比电源输入电压大许多倍。 实际上晶闸管变频电路要求负载成容性才能正常工作，因此串联振荡负载 电路的工作频率厂( c o = 2 ，n 要稍低于串联谐振频率厶( = 2 # 0 ) ，频率越低， 超前功率因数角越大，负载阻抗也越大。 自然换流型并联补偿晶闸管中频电源 1 3 晶闸管中频电源电路概述： 晶闸管中频电源是_ 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厂的中频交流电， 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，再通过逆变器电路将它变成频率为，的交流电。它具有 电路简单，调试方便，运行可靠，效率可达9 0 以上的等优点，目前国内外 应用较多。 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，下面就详细介绍一下这 两种电路。 1 3 1 并联逆变主电路 图1 3 为并联逆变中频电源主电路原理图，图中a 部分为晶闸管组成蠹勺 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 直流电妇，可以调节直流电压瑚来调节负载电流。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 流历滤成平滑的波形。图中c 部分为由4 只晶闸管组成的单相桥式逆变电路， 将直流电流历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。 各处波形如图1 3 所示。 1 、工作过程分析： t = 0 时，给晶闸管s c r l 、s c r 4 加上触发脉冲，s c r i 、s c r 4 导通，此 时经电感l d 滤波后的直流电流历经s c r l - - l c 并联电路一s c r 4 形成通路， 电容器c 充电的极性为上正下负。当t = t 2 时，蛳仍为正值。若在此时触发晶 闸管s c r 2 、s c r 3 ，则电容器c 上的电荷便有三个放电回路：通过s c r i - - s c r 4 南开大学硕士学位论文 一一 - l dj l k姒 一l一l一 l - ： s 1s 2 l a ，1 【 。7 - = 上l 幻 ； “。 ，1 姒4 | l i 厂一 - 一 f - 7 3 l一l一l 也k 图1 - 3 并联逆变主电路原理图 放电、通过s c r 2 - - s c r 3 放电及负载线圈l 放电，并且通过晶闸管的放电回 路的阻抗最小，占其主要成分。并联逆变器是恒流源供电，故触开s c r 2 、s c r 3 晶闸管之后，电源电流主要流过s c r l 、s c r 3 和s c r 2 、s c r 4 两组晶闸管， 故流过晶闸管s c r l 、s c r 4 的电源电流反而减小。对晶闸管s c r l 、s c r 4 ， 流过其的电流有电源的电流，还有电容c 的放电电流，且其方向相反。当电容 c 上有足够的能量时，其放电电流大于电源的充电电流，迫使通过s c r i 、s c r 4 的正向电流迅速减少到零而关断，流过s c r 2 、s c r 3 的电流则迅速由零增加 到白，直流电流厶经s c r 2 一l c 并联电路- - s c r 3 形成通路。与此同时，t t o 反 向，c 上的电压极性变成上负下正。当t = t 5 时，的仍为反向，若在此时触发 s c r l 、s c r 4 ，则电容器c 上电压会迫使s c r 2 、s c r 3 关断，电流i d 又一次 变成正向流动，u 0 和c 上电压亦恢复为上正下负。这样，只要交替地触发s c r l 、 s c r 4 和s c r 2 、s c r 3 ，就会在负载两端得到图1 - 4 所示的中频电压珈和电流 i o 。 自然换流型并联补偿晶闸管中频电源 i s c ll l 、4 通 s cr 2 ，3 通 l 。 s (：r 2 3 s (：r 14 孓j 。 ， ，一、 l ，一 、 蛉 t 、| 弋 l 茹 一b， 圹t 5 1 7 i ，卢 一 f - 、 f - 1 、 、 。 。 - 一 l 厂广j ，7 ； ll i 一1 ；一 上 ： ； ： i i 一 ： 争 r一r l 侈 图l - 4 并联逆变电路各点波形 中频电流如为交流方波，含有明显的基波和谐波成分，接近谐振回路固 南开大学硕士学位论文 有振荡频率的基波电流通过并联振荡电路时，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入并联振荡时，振荡电路呈现很小的阻抗，所以方 波中频电流i d 通入并联振荡电路负载时，感应器负载电压蛳实际上接近正弦 波形。换流电感l k 的作用在于限制换流速度，以使电路的幽出值小于晶闸管 的允许值。由于换流电感l k 的限制，换流过程不可能瞬时完成，而需在一定 时间( t 2 一t 3 ，即，角期间) 内逐渐完成。在重叠角y 期间内，s c r l s c r 4 全部 导通，相当于逆变器处于暂时短路状态。 应该指出，换流过程是逆变器工作的关键，实现不了换流往往是造成逆变 失败的重要原因。由前述可知，只有当蝴为正值时触发s c r l 、s c r 4 ，才能 使s c r 2 、s c r 3 关断，实现换流。而且在换流终止( t = t 3 ) 以后，u d 仍应在一段 时间( t 3 一t 4 ，即期间) 内保持正值，以使原先导通的s c r l 、s c r 4 继续承受 反电压，使它们内部结上的载流子复合，以恢复阻断能力。( 余裕角) 必须 大于晶闸管所要求的关断时间，并留有一定的余量，使晶闸管能可靠地关断。 这就要求i o 超前蜘，也即逆变电路输出的中频电流的频率，工作在稍高于 谐振( 负载) 回路的固有频率，因此，负载电路必需处于容性状态，谐振回路处 于过补偿的情况。 2 、并联逆变电路的优缺点 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。 图1 - 5 并联补偿型中频电炉负载的等效电路 自然换流型并联补偿晶闸管中频电源 并联补偿型中频电炉存在着不易起振及容易逆变颠覆的缺点，原因如f ： 并联补偿型中频电炉负载的等效电路如图i 一5 所示： 其中r 为炉体的等效电阻( 亦即中频电源的负载电阻) ，c 为补偿电容 而l 为炉体的电感。由基尔霍夫电流定律： i s = t h + t c + il 该电路满足的微分方程为： 争+ 去鲁十去卜去 m ， 万+ 丽百+ 瓦。一面o “。 这是二阶线性常系数微分方程，在附录中专门介绍了这类方程的解，我们直接 引用其结果。附录中研究的方程是 口堡+ 6 查+ 既：d d f z 出 与( 1 1 ) 式对比，两式中的变量和系数的对应关系是 z 训c ，t - + t ，d 付壶 口+ l ，6 上，c 付土 代ll c 这时方程( 1 1 ) 的阻尼度为 1 f 肛丽1 石 此微分方程的解可分三种情况讨论： ( 1 ) 当旯 1 ，即r 三丢时，此微分方程的解为实数解，该电路不产生振 荡，属于过阻尼的情况。 ( 2 ) 当 圭吉时，此微分方程的解为虚指数解，该电路产生本 征振荡，属于欠阻尼的情况。 ( 3 ) 当五= 1 ，即足= 圭j 砉时，属于临界阻尼的的情况。 当r 很小，属于( 1 ) 的情况时，电路根本不存在振荡解，这说明并联补 o 南开大学硕士学位论文 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 - 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，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。比如德国o t t o j u n k e r 公司生产的3 8 0 0 k w5 吨并联补偿型中频炉在冷炉条件下的起振时间竞 长达3 个小时，这充分说明了他们在并联补偿型中频电源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 i 和s c r 4 不能自行关断，只有通过触发另一桥臂 的$ 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。 1 3 ，串联逆变主电路 图卜6 为串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 直流电鼬，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c 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c 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。各处波形如图1 - 6 所示。 1 、工作过程分析 自然换流型并联补偿晶闸管中频电源 厂一 ff l d 牿材2 1 一l一ll j i l ，l ， = 严 珈l c d =卜 l k 如孙 一 fz - 一 f 秆料鼍 一lll _ 图1 6 串联逆变主电路原理图 当t = 0 时，给晶闸管s c r l 、s c r 4 加上触发脉冲，s c r l 、s c r 4 导通， 此时经电感l d 和储能电容c d 滤波后的直流电压u d 经s c r l - - l c 串联电路一 s c r 4 形成通路，令谐振频率近似等于去，即a 兰。，= c o o = 去，这 时电容器两端电压“。和负载电流i 。的表达式为： “。= u a ( 1 一c o s c o o t ) + “。o ( 卜2 a ) i o = 兰s i n c o o f + f o l ( 卜2 b ) l “。i 。分别为晶闸管开始导通前一瞬间的电容电压和负载电流。 公式( 1 - 2 ) 只适于s c r i 、s c r 4 导通的情况，若是s c r 2 、s c r 3 导通，则 式中的各项之前应加“一”号。例如，在表达式中，应在“。和之前加 “一”号。根据( 1 - 2 ) 式，s c r l 、s c r 4 开始导通时( 即仁0 ) ，如果“。和i d ，等 于零，则随着时间增长，和而各按余弦和正弦规律变化。到f = 厅时，“。 壹墅奎兰堡主堂焦堡苎 一5 弋尹弋厂。 l s c r2 3s l：蠢1 4 几1 l j ，一j ，一、 t 0 ? j t 3 ，卜。，7 。卜、。 t lt 2 j 1 、，。4 l 弋 弋， 一一 l i v、 d 1 ，4 通d 23j疆 ： 图1 7 串联逆变电路中相应各点波形 达到最大值2 u d ，极性为上正下负。电流i o 降到零，s c r l 、s c r 4 自然关断。 若s c r 2 、s c r 3 尚未触发，则负载电流间断。若如图1 - 6 中所示在逆变晶闸 管s c r l s c r 4 加上反并联二极管d l d 4 ，当s c r l 、s c r 4 电流为零自然 关断时，补偿电容c 通过二极管d 1 、d 4 放电，使负载电流反向( 如图l 一7 ) ， 此时由电容c 供给负载电流，直到s c r 2 、s c r 3 触发导通，于是负载反方向 接到电源上，又再一次由电源供给负载电流，补偿电容c 将反方向充电。这 自然换流型并联补偿晶闸管中频电源 样来，负载电流就连续了，负载电流就类似正弦波。由于s c r l 、s c r 4 截 止时，电容c 上的电压为2 u d ，极性为上正下负。因此，s c r 2 、s c r 3 导通时， 公式( 1 2 a ) 中的“就等于一2 u d ，这样，当负载电流降到零时，u 。达到4 u d ， 极性为上负下正，s c r 2 、s c r 3 自然关断。隔一些时间后，又触发s c r l 、s c r 4 开始下一个循环，这时的“印等于4 u d ，工作波形如图1 - 7 所示。每完成一次 循环，电容两端电压都在原有的基础上增加电源电压的两倍，其原因就在于有 储能元件l 。l 和c 形成串联谐振，“c 值最终将为无穷大。当然，这是没有 电阻时的理想情况，实际上必定存在负载的等效电阻r 。因此，比终值将不是 无穷大，而是某一稳定值。 中频电压咖为交流方波，对其作傅里叶展开，含有明显的基波和谐波成 分，其基波频率近似为谐振频率，对l c 串联谐振回路来说，其阻抗在串联谐 振频率下最低，工作频率越偏离谐振频率，其阻抗越高。接近谐振回路固有振 荡频率的基波电压通过并联振荡电路时。振荡电路呈现很小的阻抗，比基波频 率高几倍的谐波电压通入串联振荡时，振荡电路呈现很高的阻抗，所以方波中 频电压u 0 加到串联振荡电路时，感应器负载中流过的电流岛实际上接近正弦 波，主要表现出电压基波频率的性质。 由以上分析可知，在基本的串联逆变电路中，要求流过负载电流的位相超 前于负载两端电压的位相，即负载电路处于容性状态，晶闸管才能自然关断。 也即逆变电路输出的中频电流的频率厂，工作在稍低于谐振( 负载) 回路的固有 频率，谐振回路处于欠补偿的情况。因此逆变电路工作频率为 ，= 去j 去一等，略低于l c 谐振回路的谐振频率，= 去j 去，电路成容性。 1 3 2 串联逆变电路的优缺点 晶闸管中频感应加热炉有的也采用串联补偿逆变电路。该电路的优点是逆 变晶闸管可以自然关断：不存在起振困难，适用于需要频繁启动的场合；电流 为正弦波，开关损耗比较小在负载端功率因数和元件关断时间相同的条件下， 其工作频率可比并联逆变电路高：然而，串联补偿逆变电路存在的固有缺点是 电压累加造成负载线圈上的电压很高；对负载变化的适应性较差，当q 值变化时，负载电路中电容和电感上的电压变化都很大：负载电路与逆变电路 南开大学硕士学位论文 串联，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。 整流桥输出的脉动直流电经过平波电抗k 和平波电容c t 滤波后，形成恒 压源，对串联谐振逆变桥供电。此类设备的恒压源供电模式决定了u n = 恒定常 数。s c r l 、s c r 4 和s c r 2 、s c r 3 两组晶闸管轮流导通，由于流过补偿电容c 和 炉体电感l 的电流方向不同，即为交变电流，电容c 和电感l 就形成串联谐振。 由上面的分析可知，每完成一次循环，补偿电容两端电压都在原有的基础上增 加电源电压的两倍，如此循环往复，电压逐步累加，最终形成电压谐振，即j u 。【= iu 。i = q u 。其中u 。是中频电源的输出电压，q 是l c 串联谐振回路的品质 因数。 下面从理论上分柝一下电压累加造成的过压问题 我们首先对如图卜8 所示的简单串联 负载电路进行计算分析。将电源简化为电 压为u 。的恒压源，把负载线圈等效为电感 l 与电阻r 的串联。在该电路中，设通过 负载的电流为i 。，电容c 上的电压为“。， 初始条件为“。= 0 ，f 0 = o 。 晶闸管s ，、s ；导通时，即负载工作的 第一个半波，由基尔霍夫电压定律： l 掣圳卅扣( i ) 西山 对( 1 _ 3 ) 两边做拉普拉斯变换， l s i ( s ) + 脚) + 石1 地) = u ( d ) 化简得： 郴) 2 t u d i 巧s = s + i 心+ 一l c 对施s 2 + 争l 去= 。 s i 歹 ) u dk 坠 s i j。7 图1 - 8 串联负载等效电路 ( 1 - 3 ) 令i o ( t ) = a e “，l ( s ) = a e “可得 ( 卜4 ) 2 4 自然换流型并联补偿晶闸管中频电源 当等去时，方程( 1 1 4 ) 由两个实数解，此时，方程( 1 3 ) 的解为 衰减解，r l c 回路不能形成振荡，不能满足工作需要。因此，我们令娶 c - 4 c i ( 如图2 2 ( 1 ) 所示) ，c 1 通过放电回路放电，由于负载电感l 上的电流不能突变， 在谐振电容刚开始放电时负载电感感应左负右正的感生电压，抑制电流的上 升，当放电电流达到最大值时，谐振电容c ，上的电压趋于零。在谐振电容的 放电电流开始减小时，同样由于电感上的电流不能突变，负载电感上产生一 个左正右负的感生电压使电流继续维持，这时谐振电容上的电压过零后继 续放电，谐振电容上的电压改变极性，最终谐振电容c l 上形成上负下正的电 压。当谐振电容的放电电流减小到零时，逆变晶闸管s 7 关断。在这个过程中 隔直电容c 的充电极性为左负右正。 第二阶段：逆变晶闸管s 7 关断后，如果不加续流二极管，等待逆变晶闸 管s 8 触发导通，开始下半周的工作，这时负载电路的电流断续。若加上续流 二极管d 卜d 2 ，当回路中的电流过零s 7 关断时，因为这时谐振电容c 。的充 电极性为上负下正，隔直电容c 的充电极性为左负右正，c l 及c 开始向电感 l 及电源放电，放电回路为c ? 斗c _ + _ d 1 斗c i ( 如图2 2 ( 2 ) 所示) ， 流过负载回路的电流反向，这时有电流流过负载电感，防止了负载回路中的 电流断续。 第三阶段：给逆变晶闸管s 8 加上触发脉冲，s 8 导通后，负载电流从d 转移到s s a 由于谐振电容c 2 的充电极性为上正下负，故c 2 的放电回路为 c ；- - - c - 4 l 斗s 。甘c ；( 如图2 2 ( 3 ) 所示) 。这个过程与过程是完全 鱼签堡鎏型茎壁! ! 堡曼塑篁塑皇塑 一 一样的，只是电流位相差1 8 0 0 。 第四阶段；逆变晶闸管s g 关断时，这时谐振电容c 2 充电极性为上负下 正，隔直电容c 的充电极性为左负右正，c 2 及c 开始向电感l 及电源放电， 放电回路为c j 寸d 2 斗上_ 上寸c ；( 如图2 - 2 ( 4 ) 所示) 。这个过程与过 程是完全一样的，只是电流位相差1 8 0 0 。 续流二极管d 2 完成续流后，逆变晶闸管s 7 开始导通，重复上述过程。 过程一与过程四组成了负载电流波形的负半周，过程二与过程三组成了负载 叶- l 、 s 7 c 电 ，了 【j d i j 异髻j _ h 卜 c 肄、 s 8 i， j d 2 图2 - 2 主回路的工作过程 卜l s 7 c 1 t _ ) 【】 d l l 异 l i 也一、 ij c 举? 、 1 s 8 j 1 一， d 2 电流波形的正半周。在一个周期内负载电流就为拼接成的类似正弦波的电流 波形。 从以上分析可知：c i l ( 或者c e l ) 的电流谐振可以使s 7 ( 或者s 8 ) 自 南开大学硕士学位论文 然关断，克服了传统的并联补偿中频电源易发生逆变颠覆的弊病，提高了起 振可靠性。由于零线的存在，一组三相全波整流桥分为两组独立的三相半波 整流桥，整流出的脉动直流电经平波电抗器l d l 、l d 2 滤波后成为两组相互独 立的恒流源，分别给谐振电容c l 和c 2 供电，c l 和c 2 上的电压彼此不发生累 加，根除了传统的串联谐振中的电压累加问题。 a b c - 一厂一 厂l d s 7 s l s j k s ! l t ：c l 了 j =d l l = = ：c d -一f 一f 量 s 8 s j k s 。 s ! 2 c 2， 【j - 7 d 2 图2 - 3 半桥串联逆变电路 2 4 与半桥串联逆变电路的比较 图2 3 所示是一种传统的半桥串联补偿逆变电路，整流桥输出的脉动直 流电经过平波电抗l d 和平波电容c d 滤波后，形成恒压源，对串联谐振逆变 桥供电。c 1 、c 2 为匹配电容，逆变晶闸管s 7 或s 8 在获得控制信号之前，c l 、 1 c 2 已被充电到直流电压的一半，即u 。= 2 = 妄l o 。当触发s 7 时，逆变电 路输出电流f 的流经为：c 呻s ，斗l _ c i ，建立串联振荡；同时，c 2 的 充电电流流经为：l d 斗s ，- + l 寸c ：。这一过程建立负载电流的正半波。当 屯改变方向时，存储在电容器c l 、c 2 中的电能通过二极管放电。d l 导电时 则s 7 承受反压使之关断。d l 截止后，s 8 被触发导通，c 2 的放电路径为： c ；一s 呻l 斗c j ；同时，c 】充电：l d 斗c l _ l 寸s 8 。这一过程建立负 载电流的负半波。图2 - 4 为其主要波形。 该电路的优点是逆变晶闸管可以自然关断，不存在起振困难。然而，串 联补偿逆变电路存在的固有缺点是电压累加造成的过高压问题。此类设 自然换流型并联补偿晶闸管中频电源 备的恒压源供电模式决定了 u c 】+ u c 2 = 恒定常数，所以当c l 放电后，u c l 降低( 甚至变成负 电压) ，导致u c 2 升高，而c 2 放电后又会反过来导致u c l 的进 一步升高。如此循环往复，电压 逐步累加，最终形成电压谐振， 即1u c l l = 1u c ：l = lu l i = q u a b 。其 中u a b 是中频电源的输出电压， q 是l c 串联谐振回路的品质因 数。 而本设计方案采用恒流源 供电，逆变晶闸管可以自然关 断，不存在起振困难，由于谐振 电容c 。和c 2 由两组独立的恒流 源供电，也避免了电压累加造成 的过高压问题。所以本设计电路 优于半桥串联逆变电路。 l l |lfl 叭 厂 八川 v 八k八_ 八 碉j11 、1 o 、 j 1 j 、|11l；1 t j ij 、 u | j 、f f i1 fif v v vf 图2 4 半桥串联逆变电路波形 南开大学硕士学位论文 第三章实验结果和问题分析 在第二章理论分析的基础上，依据上述电路原理我们在天津铁厂进行了 容量为4 吨功率为2 0 0 0 k w 的工业运行试验，本章就介绍一下实验的结果和 在实验过程中遇到的问题。 3 1 实验结果 f qf hi t j i t 6i t ， 一 _ t j 胡 礁z 专眵 w _ 0? 、r ： r ， 毳j j t # f强 = 翱m 研 t _ ! x l l tl 目舯辑!一； 陶3 拿；茸流电流1 b 0 a 时 1 、s 7 两端的电压波形2 ：a 、：b 两端的电压波形 图3 3 直流电流1 0 0 a 时 l 、c l 两端的电压波形 2 、a 、b 两端的电压波形 自然换流型并联补偿晶闸管中频电源 上图是从示波器上采集到的电路中各处的波形，图3 一l 和图3 2 都是在 直流电流为1 0 0 a ，工作频率2 4 4 h z 时采集的波形。图3 一l 中示波器探头l 采集的是逆变晶闸管s 7 两端的电压波形，图3 1 中的示波器探头2 和图3 2 中的示波器探头1 采集到的都是负载两瑞( 对应图2 1 中a 、b 两端) 的电 压波形，但它们的波形位相差1 8 0 0 ，这是因为图3 1 中示波器探头l 和探头 2 以图2 1 中的b 点为基准点，而图3 2 中示波器探头l 和探头2 以图2 1 中的a 点为基准点，即两次采集负载两端的电压波形零点分别选在负载的两 端，故波形位相差1 8 0 0 。图3 2 中的示波器探头2 采集的是谐振电容c l 两端 的电压波形。在f f ，、时间内，逆变晶闸管s 7 导通，谐振电容c l 放电，逆变 晶闸管s 8 关断，谐振电容c 2 充电。在 时刻，逆变晶闸管s ，开始导通，谐 振电容c i 开始通过逆变晶闸管放电，这时a 、b 两点间的电压具有最大值， 在r ，2 时间内，a 、b 两点间的电压为正值，因为u = 上d i 。出，负载电流 i 成正弦规律变化，随着i 的逐渐增大，i 随时间的变化率逐渐减小，a 、b 两点间的电压逐渐减小在0 时刻，负载电流i 达到最大值，a 、b 两点问 的电压过零。在， 时间内，谐振电容c i 继续放电，a 、b 两点间的电压 为负值，随着负载电流i 的减小，f 随时间的变化率逐渐增大，a 、b 两点 间的电压的绝对值逐渐增大。在f ，时刻，负载电流i 减小到零，a 、b 两点 间的电压达到负的最大值，逆变晶闸管关断，续流二极管开始导通，谐振电 容c ，开始反向放电。负载电流i 开始改变方向。在t ；时间内，谐振电容 c 1 通过续流二极管反向放电，即c l 反充电。