（控制理论与控制工程专业论文）大功率串并联晶闸管中频电源启动方法的研究.pdf

湖南大学硕1 ：学位论文 摘要 在广泛阅读国内外大量文献和深入研究感应加热逆变电源的现状和发展趋 势的基础l ，本文对大功率串并联逆变晶闸管巾频电源的启动问题进行了深入的 研究与探讨。 晶闸管串并联逆变器通常采用自动调频，逆变触发器的信号取自负载端。但 是在启动以前负载两端没有电压，因而逆变触发器也就无法获得信号而产生触发 脉冲，这就产生了逆变器的启动问题。 在研究逆变器的启动问题时，由于负载变化大，参数很难准确的测量，无法 得知可能出现最严重的工况，给研究带来了很大的困难。本文提出了串并联逆变 器稳态运行重载极限的概念，它是研究启动极限工况的一种替代方法。在讨论串 并联逆变器稳态工况的基础上，从最小反压时间和功率因数调节范围两个限制条 件，求出允许的稳态运行极限负载，启动电路在此极限负载下能可靠地启动就足 够了，追求更高的启动能力没有实际意义。 串并联逆变器启动前必须预充一定的初始能量，但并非任何形式的初始能量 都对启动有利，本文对预充的初始能量进行了分解，提出了中频能量与低频能量 的概念，并证明了前者是启动必不可少的条件，而后者反而对启动有害。这一理 论对评价和改进各种现有的预充启动电路，以及开发新的启动电路具有指导意义。 通过分析负载变化对串并联逆变器启动的影响，在预充初始能量研究的基础 上，从能量补偿和能量转换的观点，提出了两种新的启动方法：负载充磁启动方 法和附加振荡启动方法。建立了这些方法工作过程的数学模型，完成了理论分析， 得出了相应的设计公式及设计原则。大量的仿真研究，证明了这两种方法的正确 性以及分析、设计的合理性。 关键词：串并联谐振，感应加热，大功率中频电源，启动方法，中频能量 负载充磁，附加振荡 大功率串并联逆变晶闸管中频逆变电源启动方法的研究 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h es t a r t i n gi s s u ef o rt h y r i s t o r - b a s e dh i g h p o w e rm e d i u m f r e q u e n c y s e r i e s p a r a l l e lr e s o n a n tc u r r e n ts o u r c ei n v e r t e r s ，w i t hp a r t i c u l a rr e f e r e n c et oi n d u c t i o n h e a t i n ga p p l i c a t i o n s ，i ss t u d i e da n dd i s c u s s e di n d e p t h t h el o a di sc h a n g e dw i t hm a n yf a c t o r ss u c ha st e m p e r a t u r e ，m a g n e t i cr e l u c t i v i t y e t c m a di t sp a r a m e t e r sa r ed i f f i c u l tt om e a s u r e s ot h ew o r s tw o r k i n gs i t u a t i o ni s d i f f i c u l tt ok n o w , w h i c hi sas e r i o u sp r o b l e mw h e nt h es t a r t i n gi s s u ei ss t u d i e d i n o r d e rt od e a lw i t hi t ，t h ec o n c e p to fl i m i tl o a du n d e rs t e a d yw o r k i n gc o n d i t i o n si sp u t f o r w a r d i ti saf e a s i b l ea l t e r n a t i v em e t h o d u n d e rt h er e s u l to ft h ei n v e r t e r ss t e a d y s a t es t u d y , t h el i m i t a t i o nl i m i t e db yt w of a c t o r s ：t h em i n i m u mt i m eo fo p p o s i n g v o l t a g ea n dt h ea j u s t i v er a n g eo f p o w e rf a c t o rc a l lb eg a i n e d aq u a l i t a t i v ea n a l y s i sm e t h o db a s e do ne n e r g yd e c o m p o s i n gi sa p p l i e dt os t u d y t h ei n i t i a l i z e de n e r g y i nt h ep a r l i n gp r o c e s s ，t h ev i e w p o i n tt h a tt h ei n i t i a l i z e de n e r g y c a nb ec l a s s i f i e di n t om e d i u m f r e q u e n c ye n e r g ya n dl o w f r e q u e n c ye n e r g yi sp r o p o s e d a n di ti sp o i n t e do u tt h a tt h em e d i u m - f r e q u e n c ye n e r g yi su s e f u lf o ri n v e r t e rs t a r t i n g b u tt h el a t t e ri sh a r m f u l t o wn o v e ls t a r t i n gm e t h o d sa r ep u tf o r w a r di nt h ep a p e r f r o mt h ev i e w p o i n to f e n e r g yc o m p e n s a t i o n ，an e ws t a r t i n gm e t h o d ，n a m e da sm a g n e t i z i n gt ot h el o a d ，i s d e v e l o p e d f h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fw o r k i n gp r o c e s si sb u i l t ，a n dt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i si sa c c o m p l i s h e d ，t o o f r o mt h ev i e w p o i n to fe n e r g yb u i l d i n ga n dt r a n s f o r m ， a n o t h e rn e wm e t h o d ，n m n e da sa d d i t i o n a lr e s o n a n ts t a r t i n gw a y , i sp r e s e n t e d t h e p r i n c i p l eo fw o r k i n ga n dt h es t r u c t u r eo ft h ec i r c u i ta r ed e s c r i b e di nd e t a i l f i n a l l y ，i ti s i n d i c a t e dt h a tt h et w om e t h o d sa r ea v a i l a b l ef o rt h ei n v e r t e r sw i t hs e r i e s p a r a l l e l r e s o n a n tl o a da n dv e r i f i e dt h a tt h em e t h o d sc a nd i s s o l v et h es t a r t i n gd i f f i c u ho fh i g h p o w e rs u p p l yb yan u m b e ro fs i m u l a t i o n s k e y w o r d s ：s e r i e s - p a r a l l e lr e s o n a n t ，i n d u c t i o nh e a t i n g 、m e d i u m f r e q u e n c y h i g h p o w e rs u p p l y ，s t a r t i n gw a y ，m e d i u m e n e r g y ，l o a d m a g n e t i z i n g ，a d d i t i o n a l r e s o n a n c e 湖南人学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 感应加热原理及应用 回路上就会产生感应电动势f 如图11 所示。 图1 1 ；感应加热原理 p ：一掣( 1 - 1 讲 负号表示感应电动势的作用总是试图阻止磁通的变化。 因工件自成回路，故在横截面内产生与电磁感应圈内电流方向相反的涡朝 由于工件有电阻，在涡流作用下工件发热升温。其焦耳热为： q ，= o 2 4 1 2 2 r t ( 1 2 ) 式中：厶感应电流有效值( 4 ) q 7 焦耳热量( k ) r 工件电阻( 臼) f 电流流过工件的时间( j ) 电磁感应产生的涡流在导体中的分布有三个效应：集肤效应、邻近效应和圆 环效应。 集肤效应：直流电流流经导体时，电流在导体截面上是均匀分布的，但交流 电流则不然。当交流电流流经导体时，电流沿导体截面上的分布是不均匀的，最 大电流密度出现在导体的表面层，这种电流集聚于表面的现象称为集肤效应。 邻近效应：相邻两导体通以交流电流时，在相互影响下导体中的电流要重新 分布。当两电流方向相反时，电流聚集于导体内侧，方向相同时，电流被排斥于 大功率串并联品闸管中频电源启动方法的研究 导体外侧，这种现象称为邻近效应。 圆环效应：如果将交流电流通过圆环形螺管线圈时，最大电流密度出现在线 圈导体的内侧，这种现象称为圆环效应。 感应加热就是对以上几种效应的综合利用。如图1 1 ，在感应器中置以工件， 并施以交流电压，则在感应器中产生交变磁场，感应器本身表现为圆环效应，感 应器与工件间即为邻近效应，而工件本身表现为集肤效应。 1 1 2 感应加热的特点及应用 感应加热与燃料加热、电阻炉等不同，它把电能直接送到工件内部转变成热 能将工件加热，因而具有许多优异特点】： ( 1 ) 物料内部发热和热效率高，而且是非接触加热； ( 2 ) 加热速度快，工件表面氧化少； ( 3 ) 加热均匀且具有选择性； ( 4 ) 温度容易控制，产品质量稳定，省能i ( 5 ) 劳动环境好，几乎没有环境污染； ( 6 ) 可控性好，易于实现生产自动化； ( 7 ) 能加热形状复杂的工件。 因此，感应加热在铸造熔炼、钢管弯曲、金属表面热处理、焊接固压、烧结、 粉末冶金、稠油开采以及半导体的区域提纯、单晶片外延等行业中得到广泛的应 用2 。9 】。众所周知，以上工业中的传统加热方式大多是以煤、油、气为能源或箱式 电炉加热，存在能耗高、工作效率低、劳动条件差、环境污染严重、工艺质量难 以控制等缺陷，严重制约我国机械工业的发展。因此，全面推广感应加热技术， 是改造我国传统产业的必然趋势，而此技术的发展与感应加热电源的发展水平密 切相关。 1 1 3 感应器的等效电路 经过推论，感应加热的工件和感应圈一起可等效为图1 2 的等效电路，图1 - 2 ( a ) 中l 、r 表示等效电感和电阻，图1 - 2 ( b ) 为相应的并联等效电路，电感和电阻分 别用l p 、砩表示。事实上，这两种等效形式是一致的，只是在分析中为分析方便 在不同的场合采用不同的等效形式而已。对于这两种等效电路，其相应的变换公 式为： 湖南大学硕士学位论文 r p - 堕竽 铲毪警 在( i ) l r 时，可以近似认为：r p = ( c o l ) 2 r ，l p = l 。 lr o 爿竹l 亡 q l p 冉 ( 1 3 ) ( a ) 串联等效电路( b ) 并联等效电路 图1 2 ：负载等效电路 负载品质因数为： p ：些 ( 1 - 4 ) 。 r 品质因数q 与c o s 6 p 的关系为： c o s 口：f 三- - ( - 1 5 )口= =l 一，j 、l + q 2 对于一般中频感应加热负载来说，通常6 0l r ，即9 值较大( 2 2 0 ) ，属于 功率因素( c o s 毋) 很低的感性负载。根据些文献提供的经验数据，熔炼、透热 和淬火用感应加热负载的功率因素一般为o 0 5 0 5 。为了有效利用电源容量，必 须提高其功率因素。在感应加热电源中，都是采用电容器来补偿无功功率。根据 补偿电容与感应圈的连接方式不同，将逆变器分为串联逆变器和并联逆变器【1 。 1 1 4 串联补偿与并联补偿 ( 1 ) 串联逆变器 将补偿电容和感应圈相串联组成的逆变器负载称为串联逆变器，如图1 3 所 示。串联逆变器利用串联谐振原理，其谐振频率0 3 。= l ，三c ，等效阻抗为z 。= r ， 品质因数q = 上r 。由于一般负载电阻都很小，负载电路对电源呈现低阻抗， 要求由电压源供电。因此，在直流电源末端必须并接大的滤波电容器进行滤波， 当c d 足够大时，可认为逆变器的直流电源是恒压源。逆变器一般工作在准负载谐 振频率上，输出负载电流接近正弦波，输出电压为一近似方波。 串联逆变器启动容易，但负载适应性差，当发生逆变失败时，短路冲击电流 大，保护困难。 大功率串并联晶闸管中频电源启动方法的研究 + + 图1 - 3 ：串联逆变器原理图图1 - 4 并联逆变器原理图 ( 2 ) 并联逆变器 并联逆变电路如图1 4 所示，补偿电容与感应圈并联连接，构成并联振荡电 路。在谐振状态下，其谐振频率功。= 1 三c ，等效阻抗为z o = l c r ， 品质因 数q = 国。l r 。由于负载并联谐振时阻抗最大，如果用电压源供电，则在谐振附 近电流较小。因此，并联谐振逆变器需要用电流源供电，即直流侧不用大电容滤 波，而是用大电感滤波，如图卜3 中的l d 。由于逆变器工作在近谐振状态，负载 并联谐振回路对于负载电流中接近负载谐振频率的基波呈现高阻抗，而对谐波呈 现低阻抗，谐波分量电压都被衰减，所以负载两端电压呈正弦波，电流呈矩形波。 由于大滤波电感限制了短路电流的上升，因此不会造成直流电源短路。 图1 - 5 ：串并联谐振电路 并联逆变器电路结构简单、负载适应性强、运行稳定可靠、过流保护容易， 但启动较为困难。 并联逆变器的振荡回路是电流谐振，对熔炼等大功率场合的负载回路来说， 电流相当大，可达1 几千甚至数十千安培。为了减小这样大的电流所产生的损耗， 适当提高感应器电压是有好处的。具有升压电容的串并联谐振电路正是基于此而 产生的，其电路结构如图1 - 5 所示，用串联电容c 1 补偿一部分，补偿后仍为感性， 再用并联电容c 2 补偿另一部分，故电容升压回路仍为并联振荡回路性质。因此， 串并联逆变器和并联逆变器具有相似的特点，本章1 3 节将讨论晶闸管串并联逆 变器。 湖南大学硕士学位论文 1 2 感应加热电源的发展现状与趋势 感应加热装置在工业中的应用已有8 0 多年的历史，以前人们是采用磁性静止 变频器( 一般为5 0 0 h z 以下) ，中频发电机组及高频电予管振荡器等产生不同频 率的感应电流对工件进行加热。6 0 年代以后，随着电力半导体器件的发展，可控 硅( s c r ) 进入逆变器，电力半导体器件组成的变流器逐步取代了旋转的交流机 和静止的离子变流器，出现了开关元件采用电力半导体器件的感应加热电源。随 着微机技术的成熟和集成电路的发展，晶闸管中频电源得到了很大的发展和完善。 目前在我国，中大功率的感应加热电源仍以可控硅中频电源为主；国际上可控硅 中频电源主要用于大功率感应加热电源，最大功率为3 0 0 0 - 4 0 0 0 k g a 4 1 。8 0 年代以 后，全控型自关断半导体器件m o s f e t 、s i t 、i g b t 等新型开关器件的出现，开 始了高频感应加热电源的研究 1 1 - 1 8 】。在日本，已研制开发出用s i t 作为开关元件 3 j ，其参数达1 0 0 0 世聊2 0 0 尼眈、4 0 0 k w 4 0 0 k h z 的高频感应加热电源，现已实现 商品化。德国也己于8 0 年代末期研制出了5 0 2 0 0 k h z ，功率为数百千瓦的感应 加热电源引。 我国于7 0 年代在浙江大学研制成功第一台i o o k w 1 k h z 并联逆变晶闸管中 频电源。随后，一些高校、科研所和工业企业加入了这个研究行列，研究与开发 了应用晶闸管、s i t 、功率m o s f e t 、i g b t 等从低频、中频到超音频、高频的各 种类型的电力半导体感应加热电源，并取得了一定的成就5 】1 9 。但是与发达国家 相比，无论是容量和控制手段还是生产规模和工艺技术方面，我们仍存在很大的 差距。 随着现代电力电子半导体器件在感应加热装置中的广泛应用，感应加热电源 无论是在外观上，还是在内在的电路结构上都趋于简单化和单一化。而且由于半 导体感应加热电源频率变性极强，又有自动跟踪负载频率变化的特性，其频率等 级也更加规范化和科学化。根据加热工艺要求以及目前国内外的研究现状，感应 加热电源正逐步向下列频率等级靠拢 1 1 - 2 0 ：5 0 h z 、1 5 0 h z 、3 0 0 h z 、5 0 0 h z 、1 k h z 、 2 删j 、3 【胁( 4 j ( 日j ) 、5 k h z 、1 0 k h z 、2 0 k h z 、3 0 k h z 、5 0 j 吁拓、7 5 k h z 、i o o k h z 、 1 5 0 k h z 、2 0 0 k h z 、3 0 0 k h z 、4 0 0 k z 、5 0 0 k h z 。一般将上述等级中5 0 0 h z 以下 称为低频，主要用于大功率的金属熔炼； 的金属熔炼、铸造透热、金属热处理等； 1 1 0 k z 称为中频，主要用于中大容量 2 0 一7 5 k h z 称为超音频，主要用于齿轮、 链轮、凸轮等沿齿廊淬火和其它表面热处理；i o o k h z 以上称为高频，主要用于 焊接和表面热处理。 大功率串并联晶闸管中频电源启动方法的研究 感应加热电源的逆变器是典型的电力电子电路，是电力电子技术的重要组成 部分。随着工业应用不断提出新的要求以及电力电子器件和技术的发展，感应加 热装置无论其理论还是实践也在不断发展和成熟，从目前情况看，主要体现在以 下几个方面： ( 1 ) 中频大功率化和小容量高频化 功率器件的大容量化和高频化发展，带动了感应加热电源向大功率化和高频 化方向发展。向中频大功率化方向发展构成中频大容量电网，主要应用于金属熔 炼和透热等领域；向小容量高频化方向发展主要用于淬火和焊接等工艺。 ( 2 ) 低损耗、高功率因数 随着新型功率器件通态电阻的减小和通态压降的降低，以及驱动电路的不断 完善和优化，使得整个装置的损耗明显降低【2 1 - 2 2 1 。 另外，由于感应加热电源一般功率都很大，随着对电网无功要求的提高，具 有高功率因数的电源是今后发展的趋势1 2 3 - 2 6 】。目前谐振技术的引入，一方面，降 低了电源中开关器件的开通和关断损耗，同时利用锁相技术【2 7 _ 训将逆变器的工作 频率锁定在槽路的固有谐振频率内，使得该电源始终运行在负载功率因数为1 的 状态。 ( 3 ) 智能化、复合化 智能化指的是功率半导体集成电路本身，包括过电压、欠电压、过电流、过 热等检测与保护功能。复合化指的是在一个功率模块内除了一个或多个功能的芯 片外，还包括相同数量的二极管等，在较小功率模块内也出现了保护电路与功率 器件集成在一起的电路。因此，采用智能化和复合化的集成电路将使得元器件数 目减少、成本降低，减小了电磁干扰、提高了可靠性 3 1 - 3 3 1 。 ( 4 ) 控制系统微机化、自动化 这是提高加热质量的一个重要手段。微机( 单片机) 技术在感应加热电源中 的应用 3 4 - 3 8 l ，为现代自动控制及智能控制技术在感应加热电源中的应用提供了十 分便利的条件和行之有效的途径，具有计算机智能接口的全数字感应加热电源正 成为下一代的发展目标。 1 3 晶闸管串并联逆变器 晶闸管串并联逆变器如图卜6 所示。图中u d 为整流桥输出直流电压，l d 为 平波电抗器，v 小l h i ( ：l h ，i = l ，2 ，3 ，4 ) 为逆变桥晶闸管及其相应的换流电感，c 1 为升压电容，c 2 为补偿电容，r 、l 为负载等效电阻和电感，l ，。为低通电感。实 湖南大学硕上学位论文 际生产中，为了尽量提高升压比k ( 电容升压回路的升压比k = i + c 2 c l ，般说 来，k 2 【3 9 】) ，常取c 1 = c 2 。y 3 夕i , ，l f 0 。相对来说很大( 一般为几十m h ) ，因此， 为了简化分析可不考虑它的影响。 图1 6 ：晶闸管串并联逆变电路 下面综述对串并联逆变器已进行的分析工作及计算公式【1 】【3 9 】。串并联逆变器 工作过程如下循环： 厂 厂 厂 广 广i 皇苎垩兰竺r _ + 兰塑兰! ! 卜- + 【! 塑兰兰竺卜叫堡塑兰! ! h l，。、一 在电流j 下半周，晶闸管v t l 、v 。3 导通，如果此时触发晶闸管v t 2 、v 1 4 ，即进 入换流过程l ；在换流过程l ，v 。2 、v “虽然立即导通，但由于换流电感的电流不 能突变，v 1 1 、v t 3 不会立即关断，结果四个晶闸管全部导通；由于电容器c 2 的电 压为正，它使v 。l 和v 。3 的电流减少，v 口和v 1 4 的电流增加，当v fj 和v o 的电流 下降到零而关断时，换流过程1 结束，进入负半周，v 吐、v t 4 导通；另一个换流 过程的工作情况与此类似，但换流的方向相反。 _ 厂 一 ul 一 。厂、一 u 卜 一 一i r 【二j 弋 陶 l 、嚎 i ! i 一一0k - 一 图卜7 ：逆变桥输出电压和电流波形图1 8 ：换流过程波形图 对该电路的稳态已有较成熟的分析方法，通常是分两步进行：第一步忽略换 流过程，计算电路的电流和电压等主要参数：第二步再考虑换流过程。稳态运行 大功率串并联晶闸管中频电源启动方法的研究 时，如果忽略平波电抗器的直流电阻和电流如的纹波，逆变桥的输入电压蚴的直 流分量等于整流桥输出的直流电压u d ，输入电流格可以近似的看成直流电流i d 。 忽略换流过程后，电路的电流和电压的波形如图1 7 ，逆变桥输出电流f 为方 波，因为负载回路是一个品质因数相当高的并联振荡回路，它对电流i 的基波的 阻抗远大于对其谐波的阻抗，所以逆变桥输出电压甜可看成正弦波： “= u 。s i n ( c o t 一) = 4 2 u os i n ( c o t 一) ( 1 6 ) 式中，为逆变桥输出电压幅值，为有效值，函是功率因数角，为了实现可 靠的换流，电流一定要超前于电压。电压妇是由电压u “裁剪”而成，其直流分 量为： u d ：2 4 2u 。c 。s 妒 ( 卜7 ) 刀 由图1 - 6 不难求出负载回路输入阻抗为： z = 二1 一= 悻( 州么矿( ，) ( 1 - 8 ) j c o c z + 瓦蔽万高 陬俳习o x ：蒜o j 兰l1(器coc1 ( o 哦7 2 r 2 + 【 一 1 ) 一2 ) 2 ( 厂) ：一批t a n 墨 一a r c t a n 丝二! 丛堕立= ! 丛丝21 ( 1 - 1 0 ) ( 力。批协瓦蒜一眦咖竺二! 弓等墨型 由此可求出方波电流i 基波的幅值为： ，。= _ ：墨一 ( 卜1 1 ) h 1 一而丌 但另一方面对方波电流i 进行傅立叶分解后可求出其基波的幅值 ，。l：41_生d(i-12) 解方程( 1 - 7 ) ，( 1 1 1 ) 和( 1 - 1 2 ) 有： 和了氅：忑墼 ( 1 _ 1 3 ) “4 i z ( f ) l8 f z ( f ) c o s 口5 | 由于没考虑逆变桥的损耗，直流输入功率就等于中频功率： 儿= 志( 1 - 1 4 ) 湖南大学硕上学位论文 图卜8 是换流过程的波形，此时，电流i 接近于梯形波。以电压“的相位一 为起点，图中几个重要的角度为： 占一引前触发角，触发脉冲超前于电压“的z 相位点的电角度； r 一换流角，电流从晶闸管v 。l 、v t 3 导通转移到触发晶闸管v 小v “所须的 电角度； p 一关断角，对应于晶闸管承受反压的电角度。 这三个电角度之间有如下关系： 卢= 万y ( 1 1 5 ) 还可近似地认为功率因数角为： i 妒( 州= j 一等 ( 1 - 1 6 ) 如果仍设逆变桥输出电压z ，为式( 1 - 6 ) 所示的正弦波，由换流过程可以求出： c o s f l - c o s 8 = 貉 ( 1 - 1 7 ) 由于负载参数变动很大，串并联逆变器的参数都采用了自动频率跟踪触发方 案，即使触发脉冲的频率按一定的规律跟着负载回路的谐振频率改变，使电路为 容性并保持所须的功率因数角。常用的自动频率跟踪触发有两种方式：定角触发 方式和定时触发方式。定角触发维持引前触发角占不变：定时触发维持引前触发 角时间t6 = 8 u 不变。 通常是用上述公式设计串并联逆变器的参数，实际上它们也可以用来计算电 源的运行工况。如果已知电路的参数和工作频率，再忽略换流过程后，用这些公 式可以直接求出电路的静态工作点，其次序为厂一l z i ，一i d , u 。，。p 。但实际 情况要复杂些，因为采用自动频率跟踪触发后，工作频率不是事先给定的，要解 超越方程才能计算出，再加上换流过程往往不可忽略，下一章第一节将对此进行 详细分析。 1 4 晶闸管并联串并联逆变器的启动问题及研究现状 1 4 1晶闸管并联串并联逆变器的启动问题 并联逆变晶闸管中频电源是将三相工频交流电先进行整流、滤波，而后再由 并联逆变器变成中频电压，供给感应加热器负载，其逆变回路如图1 9 所示。并 联逆变器通常采用自动调频，逆变触发器的信号取自负载端。但是在启动以前负 大功率串并联品闸管中频电源启动方法的研究 载两端没有电压，因而逆变触发器也就无法获得信号而产生触发脉冲，这就产生 了逆变器的启动问题【1 3 9 】。串并联谐振回路属于并联谐振回路性质，因此串并联 逆变器同样存在启动问题。 随着铸造、炼钢等行业的快速发展，电源的功率越增越大( 特别是7 5 0 k w 以 上电源中) ，负载槽路特征，如负载品质因数与负载等效电感对各种工况而言差异 很大，其启动问题更为突出。尽管可用可关断器件来解决这问题，但目前可关 断器件在电压、电流参数等指标同晶闸管相比仍有明显差距【2 1 。2 2 1 ，因此在大功率 或高电压条件下，采用这种方法的条件尚未成熟。而且，当工作频率在1 0 k h z 以 下时，采用可关断器件的并联逆变中频电源的综合性价比将明显低于采用晶闸管 的中频电源，所以研究解决并联逆变晶闸管中频电源的启动问题对于中小功率的 感应加热电源仍然具有较大的现实意义。 图卜9 ：晶嗣管并联逆变器 对于晶闸管中频电源，晶闸管必须在外加一定时间并有一定幅值的反向电压 下才能关断。因此电路必须具备两个条件口9 】： ( 1 ) 并联逆变电路处于高端失谐状态，电路具有容性等效负载特性，即外加 脉冲频率，：必须高于负载电路的谐振频率 ( 2 ) 反压时间，一必须大于元件所需的关断时间t q 。 为了保证逆变电路能可靠换流，其逆变触发脉冲的产生时刻应超前于中频电 压一个时间，称此时间为触发引前时间，。假设换流持续时间为，则余下的超 前时间为f ，= f 。一，称为反压时间( 亦称为安全储备时间) ，要保证晶闸管可靠关 断，其值必须大于晶闸管的关断时间t q 。启动过程中，一方面由直流电源通过电 抗器l d 和逆变桥向负载充电，另一方面，负载电容两端的电荷又通过感应圈( r 、 l ) 迅速放电。这两种趋势互相抵消。由于l d 较大，能量补充较为缓慢，故在启 动时，负载两端的电压只能缓慢建立。在重载时，放电过程更为迅速，负载电压 更低，逆变桥的启动将显得困难。因为启动时的负载电压较稳态时低，这样在一 定的换流电感l h 情况下，启动过程的电流增长速度d i d t 将降低。对于一定的初 湖南大学硕士学位论文 始电流而言，就意味着换流时间的延长，严重到一定程度就会使t p t q ，而使逆 变换流失败。又由于l h 的存在，d i d t 受到限制，负载电压的建立又会受到进一步 的限制，这就使得逆变器换流能力进一步下降，、启动条件更为恶劣。这就是重载 下并联逆变器电路启动失败的一个重要原因。 1 4 2 晶闸管并联串并联逆变器启动方法研究进展 针对并联逆变器启动问题这个难题，众多学者对此进行了不懈的研究，提出 了多种启动方法，许多方法已经投入了实际生产，并取得了一定的成效。这些启 动方法大致可归为如下几类： ( 1 ) 自激启动 这是较早采用的一种方法，该方法由启动晶闸管、限流电抗器和启动电容构 成启动电路，由取样电阻和接触器的常开触头组成预磁化启动辅助支路【3 9 】。这种 启动方式只能用于中小功率的中频电源，并且还有如下问题：启动成功率低，特 别是在低阻抗、低品质因数负载情况下，启动更困难；启动前需合理选择整流桥 输出的直流电压初始值，在电压初始值过高而使启动失败时，对装置有过电流冲 击。针对这些缺点，1 9 9 0 年，张仲超、顾一新等人mo 提出了一种直接自激启动方 法并获国家发明型专利，它是利用二极管的非线性伏安特性，实现启动过程中逆 变角由大到小的自动跟踪调节。该方法采用含二极管的取样电路来代替自激启动 装置中由电阻构成的取样电路，并采用高灵敏脉冲形成电路，将微弱的负载电流、 电压信号检测出，生产触发脉冲信号，有利于启动。1 9 9 4 年，r b o n e r t 和 j d l a v e r s l 4 1 1 提出了另外一种改进方法，它是利用一个辅助晶闸管并联在平波电抗 器两端，并通过对输入输出触发电路实施一定的控制，增大启动初期对负载槽路 能量补充的能力，从而达到增强启动能力的效果。 ( 2 ) 它激转自激启动【3 9 】 与自激振荡不同，它激转自激启动最初的触发脉冲是由专门的振荡器产生 的，对它的要求是振荡频率略高于负载回路的振荡频率，经脉冲分配级加工成相 位差1 8 0 0 的触发脉冲，用于触发逆变器晶闸管。在此情况下台上直流电源，负载 从直流端获得能量，并逐步建立中频电压，当中频电压上升到一定值后，系统所 积累的能量能够顺利地进行换流，并通过控制电路转换到自激状态。该方法的主 要缺点是确定其所需要不同情况下负载回路的固有振荡频率是很难知道的，因此， 对负载变动很大的中频电源，效果并不理想。针对这个缺点，有学者提出了它激 扫频启动方法 4 2 1 ，利用微机( 单片机) 产生振荡频率，以负载回路正常工作振荡 大功率串并联品闸管中频电源启动方法的研究 频率附近的一个大致范围( 如0 5 f 2 2 9 从高到低( 或从低到高) 扫频，直到激起 负载振荡。它激启动负载回路补充能量来自整流端，因而仍然没有从根本上解决 重载时启动能量不足的问题，在重载特别是冻炉情况下，其启动能力仍然不足， 启动成功率较低。 ( 3 ) 串并联启动【3 9 】 这里说的串并联是指将并联补偿电容的一部分c 。接成与并联谐振谐振回路 串联的形式，如图1 1 0 所示。在这种情况下，换流时应满足l b + u c = 2 l h d i d t ， 由此可知，换流时的电压增加了，同样的电流下换流时间就减小了，在储备时间 定的情况下，反压时间就增加了，系统的启动能力得到了提高。但是接了一个 电容c ，后，由于触发很难做到对称，势必在电容器两端产生积累电荷，最终使逆 变器无法工作。因此在控制系统中必须加校正环节，使之尽量减小不对称现象。 另外，也可在c 。两端并联一个斜通电感，给积累电荷有个直流通路，但此电感 对中频交流呈高阻抗，可看作开路，没有影响。 l d 图1 - 】o ：串并联启动电路原理图图 ( 4 ) 外桥转内桥启动【3 9 1 图1 1 1 为外桥转内桥电路原理图，从结构上看，它在普通逆变桥的基础上增 设两只启动晶闸管v 。5 、v t 6 和一个启动电容c 。 启动时，先触发外桥的四只晶闸管v 1 3 、v 。5 和v t 6 、v 1 2 ，这时负载电路是一 个串联加并联电路。由于c ，的存在，提高了等效阻抗，无论等效电阻r 如何， 都可以在负载两端a 、b 问建立起满意的换流电压，使电路的启动性能得到提高。 当逆变桥输出电压上升到一定值后，电路具有较强的换流能力，让v 卧v 。6 退出 工作状态。此时，电路就完成了外桥向内桥的转换工作。此后，v t l 、v 廿和v t 2 、 v t 4 交替通断，从而提高了电路的启动性能。外桥工作时，晶闸管的触发信号由控 制电路中设置的它激信号产生。两个信号及整流桥输出功率的切换需由专门的电 湖南大学硕上学位论文 路并按严格的时序相位关系来执行完成。因此，其电路较为复杂，调试及维修也 显得困难。针对这个缺点，杜锦才、丁大庆等人1 4 3 】利用整流桥输出的脉动电压通 过逆变桥主电路的阻容吸收电路在逆变负载电路中产生微弱的扰动电压和电流， 采用高灵敏电压比较器( 如l m 3 3 9 ) ，使逆变脉冲形成电路产生相应的扰动脉冲 去触发逆变晶闸管，实现外桥晶闸管的自激触发，从而免去一套启动充放电电路， 也为外桥转内桥启动电路免去信号切换及其时序切换电路；另外，还可采用数字 触发方式，利用软件的灵活性简化控制回路。 b 图l ii ：外桥转内桥启动电路原理陶 f 5 ) 撞击启动 如图1 1 2 所示，图中，u f 为辅助二极管整流桥输出电压。启动前，先通过辅 助整流回路对撞击电容c 。预充电。c 。充电完毕后，触发辅助晶闸管v 。，让u c 。 对负载回路进行撞击，形成阻尼振荡并对负载回路参数进行测量。当振荡到负载 上建立一定电压u c o ( 给定值) 时，根据已设定的频率跟踪算法触发主回路逆变 电路，逐步建立槽路的起振。对于中小功率的逆变电源，该方法具有很强的能力 和重载f 较高的启动成功率。 图1 1 2 ：撞击启动电路原理图 ( 6 ) 组合( c o m b i n e d ) 启动1 4 5 1 r 一，一，v 大功率串并联晶闸管中频电源启动方法的研究 如图1 1 3 所示，组合启动电路包含两个逆变器：并联谐振主逆变器和串联谐 振辅助逆变器，它们的输入和输出并联连接。电源运行时，辅助逆变器先工作， 此时系统为串联逆变器。当激起定能量的槽路中频振荡后，再切换到并联谐振 逆变工作状态。由此可见，电源只是在启动后，负载才工作在并联谐振状态。辅 助逆变器除了用于启动外，还用于改善主逆变器的工作适应性，使并联谐振能稳 定运行在各种电压模态下和较宽的频率范围内。组合启动方法充分考虑了串联和 并联这两种谐振逆变器的优缺点，在充分利用并联逆变器运行稳定等优点的基础 上结合串联逆变器启动容易的特点，有机的将两者综合起来，极大的提高了电源 的启动能力和稳定运行能力。但是该电路复杂，成本高。 图1 - 1 3 ：组合启动电路原理图 以上各种启动方法均是基于通用并联逆变器而言的，对于串并联逆变器当然 适用，本文第二章第二节节将对以上几种典型的预充启动方案在串并联逆变器中 的应用进行简单介绍和评价。实际上，简单并联逆变器的启动方法完全适用于包 括串并联逆变器在内的各种并联逆变器，但适用于后者的启动方法不一定适用于 前者，例如本文第四章研究的附加振荡启动方法就是一种仅适用于串并联逆变器 的启动方法。 1 5 课题来源及研究内容 本文研究课题是彭永进教授和盂志强副教授主持的湖南省科技厅和长沙市 科技局攻关项目( 项目编号：k 0 2 1 0 5 1 2 ) “新型中高频感应加热电源及其p w m 软开关控制技术”的一个子项目，现己被列为湖南省2 0 0 2 年度自然科学基金项 目“大功率晶闸管中频电源高可靠启动方法研究”( 项目编号：0 2 j j y 3 0 5 0 ) 。 湖南人学硕上学位论文 结合2 0 0 1 参与导师与无锡万利电炉有限公司的合作项目“1 5 0 0 k w 5 0 0 h z 新型晶闸管中频电源”研究工作中遇到的问题，面对目前我国大功率中频感应加 热电源实际运行中存在启动困难的迫切现实问题，针对中频感应加热装置向大容 量方向发展的趋势和现代工业生产对逆变电源的要求，以及当前中频感应加热电 源研究中存在的主要问题，本论文的主要研究工作包括以下几个方面的内容： ( 1 ) 感应加热电源稳态运行的重载极限研究 由于感应加热电源多用于工业现场，运行过程中参数变化较大且难以测量。 本文根据串并联逆变器的特性，通过其稳态工况的分析，研究晶闸管感应加热电 源稳态运行的重载极限，这对于感应加热电源的研究与开发具有重大的指导意义。 ( 2 ) 预充初始能量的研究 通过对预充初始能量的合理分解，提出中频能量与低频能量的观点，这为评 价现有的预充启动方案以及研究新的启动方法提供理论依据。 ( 3 ) 负载充磁启动方法的研究 分析负载变化对串并联逆变器启动的影响，在预充能量分解研究的基础上， 提出串并联逆变器的负载充磁启动方法，并研究其工作原理、工作过程以及相应 的设计方法与原则。 ( 4 ) 附加振荡启动方法的研究 针对串并联逆变器的特点，从能量转换的观点提出串并联逆变器的新的启动 方法附加振荡启动方法，对工其作原理及应用问题进行分析与探讨。 ( 5 ) 启动方法的计算机仿真研究 以通用仿真软件( m a l l l a b ) 为平台，建立负载充磁启动方法和附加振荡启 动方法的仿真模型，并结合江苏无锡万利电炉有限公司生产的熔炼炉用中频感应 加热电源为对象对上述两种新型启动方法进行计算机仿真研究。 大功率串并联晶闸管中频电源启动方法的研究 第二章中频电源的重载极限与预充启动分析 并联逆变晶闸管中频感应加热电源由于其运行稳定、负载适应性强、线路简 单、效率高等特点被广泛应用于熔炼、淬火、透热与焊接等领域，特别是在大功 率以及超大功率感应加热电源中，串并联逆变晶闸管中频电源更占有绝对的地位。 然而，并联逆变器的负载结构特点，即并联振荡回路兼作换向回路又决定了其启 动困难问题【3 9 l 【4 3 1 。本章研究的预充启动方案是指在启动的第一阶段给电路中有关 电容和，或电感预充一定的初始能量，利用这些能量使负载回路先振荡起来，实现 电路的自激和晶闸管的可靠换流。这类启动方案包括第一章提到的撞击启动、外 桥转内桥启动等。 理论分析和生产实践都表明，各种预充能量在负载回路中激起的振荡可分成 两类：中频振荡和低频振荡，前者对启动有利而后者有害。难么，对预充能量也 可进行相应的分解：中频初始能量和低频初始能量，中频初始能量激起中频振荡， 而低频初始能量激起低频振荡。以此为依据可以评价现有的预充启动方案，并为 开发新的启动方案指明方向，好的启动方案预充的中频初始能量大，低频初始能 量小。 如果忽略换流电感，则换流时间等予零，晶闸管的关断时间等于引前触发时 间t ，而与负载无关。但实际上换流电感和换流时间都无法消除，这就使重载时 启动特别困难，这一现象已成为大功率晶闸管中频电源发展的一个重要课题。为 了评价各种启动方案，需要找到最严重的工况，但由于负载参数很难准确的测量， 往往无法直接求出可能出现的最严重的工况【39 1 ，这给研究工作带来了很大的困 难。替代的办法是分析电源的稳态运行重载极限，只要求启动电路在此极限负载 下能可靠地启动就足够了，追求更高的启动能力没有实际意义。 本章首先分析串并联逆变电路的稳态工况，在此基础上研究串并联逆变器稳 态运行的重载极限，然后进行预充初始能量的分解研究，以明确各预充量在启动 时的作用，并在此基础上评价现有的预充启动方案，最后是小结。 2 1 串并联逆变电路稳态工况分析 2 1 1串并联逆变器的静态工作点的计算方法 本小节利用式( 1 - 6 ) ( 1 - 1 7 ) 计算串并联逆变器的静态工作点。为了增加 湖南大学硕士学位论文 结果的直观性，本节及以后各章节皆结合某厂的实际生产用中频电源熔炼炉进行 分析，其主要参数参见附录a 。 为了求解电源的静态工作点，需用到式( 1 - 1 5 ) ( 1 - 1 7 ) ，这3 个方程中只 有4 个独立变量：频率工引前触发角占、换流角r 和关断角，因为根据式( 1 - 9 ) 和( 1 - 1 0 ) ，f z o o i 和i 驴l 都是频率的函数。只要给出了其中的1 个变量或再给出1 个方程，就可以解出全部4 个变量。为了分析方便，现将式( 1 - 1 5 ) ( 1 - 1 7 ) 这 3 个方程抄写如下： 8 = 6 一y 妒( 刊= 8 - 要 c o s - c o s 8 = 貉 由以上3 式可得： 脚s i n “碉麓而 协， 显然，式( 2 - 1 ) 有解的一个必要条件是： f( 厂)