（电力电子与电力传动专业论文）3200kw80khz感应加热电源及故障问题的研究.pdf

摘要 论文题目：3 2 0 0 k w 8 0 k h z 感应加热电源及故障问题的研究 学科：电力电子与电力传动 作者姓名：、习灸 导厩瓠锈 答辩日期： 摘要 本论文是应上海宝钢技改项目的需要，针对宝钢所引进的日本富士公司1 4 2 0 冷轧生产线中的3 2 0 0 k w 8 0 k h z 感虑加热电源。就其工作原理、调功方式、系统主 要电参数以及运行故障等问题进行了理论分析和仿真研究，研究结果与实际情况基 本吻合。本论文的研究不仅填补了该设备的一些资料空白，一些研究结论被厂方所 采纳，大大减少了设备的运行故障，为今后该引进设备的进一步国产化提供了必要 的参考。 本课题重点研究以f 几个方面的内容： 1 通过现场测试分析系统工作原理和控制方法。 2 依据系统实际在m a t l a b 中建立逆变回路模型，并且研究不同性质的负载 回路、不同的_ l 作条件下对系统的影响。 3 对系统常见故障进行仿真模拟，在仿真模拟的基础上分析故障原冈并提 出改进措施。 关键词： m o s f e t 系统分析仿真研究 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：s t u d yo n3 2 0 0 k w 8 0 k h zi n d u c t i o np o w e r s u p p l ya n di t sq u e s t i o no ff a u l t a u t h o r ：渺x 沁 t u t o r ： a b s t r a c t t h ep a p e rd i s c u s s e dt h e1 4 2 0p r o d u c tl i n eo ft h eb a o s h a ns t e e lc o r p ， w h i c hw a si m p o r t e df r o mf u j ic o r p i n1 9 9 5 t h e1 4 2 0p r o d u c tl i n ei st h e u l t r a - a u d i o f r e q u e n c y i n d u c t i o n p o w e rs u p p l yo fs e r i e s r e s o n a n tt y p e i n v e r t e ru s i n gm o s f e t t h ep o w e ro ft h ep o w e rs u p p l yi s3 2 0 0 k w t h e b a s i cw o r kt h e o r y ，p o w e rm o d u l a t i o n ，a n dp a r a m e t e ro ft h ec i r c u i ta n d v o l t a g ea n dt h em a i nt r o u b l eo ft h ea p p a r a t u sw e r ed i s c u s s e di nt h e o r ya n d p r a c t i c e ，t h er e s u l t s o ft h es i m u l a t i o n c o m p l y w e l l w i t ht h ep r a c t i c a l c o n d i t i o n s t h ep a p e rf i l l e dt h eb l a n ko ft h ed a t ao ft h ed e v i c ea n da d o p t e d s o m eo ft h em e a s u r e st od i m i n i s ht h ee q u i p m e n tm a l f u n c t i o na n dp r o v i d e d n e c e s s a r yd a t af o rt h en a t i o n a l i z a t i o no f t h ee q u i p m e n t t h ep r o j e c tm a i n l yf o c u s e so n ： 1 a n a l y s i st h ep r i n c i p l eo ft h e1 4 2 0p r o d u c tl i n eo nt h eb a s i so f m e a s u r e 2 e s t a b l i s ht h em o d e la n ds t u d yt h ei n f l u e n c ec a u s e db yd i f f e r e n t i n d u c t i o nh e a t i n gl o a d st ot h es e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e re l e c t r i c c i r c u i t 3 a n a l y s e st h er e s u l ta f t e rs i m u l a t i o no nt h em a t l a b a n a l y s e st h er e g u l a rf a i l u r e so ft h ep o w e rs u p p l ya n dg i v ep r o p o s i t i o n s k e y w o r d ： m o s f e t s i m u l a t i o n s y s t e m sa n a l y s i s 一 堑! 芏丝堡 第1 章绪论 感应加热具有加热效率高、速度快、可控性好及易于实现自动化控 制等优点，己在熔炼、铸造、弯管、热锻、焊接和表面热处理等行业得到 了广泛应用，已成为冶金、国防、机械加工等部门及船舶、飞机、汽车 制造业等不可缺少的能源。此外，随着感应加热理论和感应加热装置的 不断发展，应用领域也随之扩大，如微波炉、电磁炉等已进入人们的日 常生活中。“1 1 1 感应加热的工作原理w m 感应加热是利用电磁感应现象将电能 转化为热能。在一金属导体外面套上一个匝 数为n 1 的线圈，如图卜1 所示，当交变电 流i ，通入感应圈时，感应圈内就会产生交变i l 磁通0 ，使感应圈中的工件受到电磁感应而 产生感应电势e 。设工件的等效匝数为n 2 。 则感应电势： e ：一，丝( 1 1 ) d f 如果磁通是交变的，设中= 中。s i n a g ，则： 一：等一2 中m ( 2 ) c o s c o t 2 出 有效值为： e = 4 4 4 斛2 中m 西 中 图卜1 感应加热原理 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 西安j e x - 大学硕士学位论文 感应电势e 在工件中产生感应电流如使工件内部开始加热，其焦耳 热为： q = 0 2 4 1 ；r t ( 卡) ( 卜4 ) 式中： 如感应电流有效值( 安) ，r 一工件电阻( 欧) ，f 一时问( 秒) 。 这就是感应加热的原理。感应加热与其他的加热方式，如燃气加热、 电阻炉加热等不同，它把电能直接送到工件内部变成热能将工件加热， 丽其他的加热方式是先加热工件表面，然后把热量再传到加热工件内部。 金属中产生的功率为： p = e l c o s 驴= 4 4 4 几中c o s # ( 瓦) ( 卜5 ) 感应电势和发热功率不仅与频率和磁场强弱有关，而且与工件的截 面大小、截面形状等有关，还与工件本身的导电、导磁特性等有关。 在感应加热设备中存在着三个效应一一集肤效应、邻近效应和圆环 效应。 集肤效应：当交流电通过导体时，沿导体截面上的电流分布是不均 匀的，最大电流密度出现在导体的表面层，这种电流集聚的现象称为集 肤效应。 邻近效应：当两根通有交流电的导体靠地很近时，在互相影响f ， 两导体中的电流要重新分布。当两根导体的电流是反方向时，最大电流 密度出现在两导体的内侧；当两根导体的电流是同方向时，最大电流密 度出现在两导体的外侧，这种现象称为邻近效应。 圆环效应：若将交流电通过圆环形线圈时，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。 感应加热电源就是综合利用这三种效应的设备。在感应线圈中置以 金属工件，感应线圈两端加上交流电压，产生交流电流i 。，在工件中产 第1 章绪论 生感应电流i ：。此两电流方向相反时，情况与两根平行母线流过方向相 反的电流相似。当电流i l 和感应电流i 2 相互靠拢时，线圈和工件表现出 邻近效应，结果，电流i t 集聚在线圈的内侧表面，电流i z 聚集在工件的 外表面。这时线圈本身表现为圆环效应，而工件本身表现为集肤效应。 交变磁场在导体中感应出的电流亦称为涡流。工件中产生的涡流由 于集肤效应，沿横截面由表面至中心按指数规律衰减，工程上规定，当 涡流强度从表面向内层降低到其数值等于最大涡流强度的1 e ( 即 3 6 8 ) 处，该处到表面的距离称为电流透入深度。由于涡流所产生的 热量与涡流的平方成正比，因此由表面至芯部热量下降速度要比涡流下 降速度快的多，可以认为热量( 8 5 9 0 ) 集中在厚度为的薄层中。 透入深度由下式确定： = 2 p 卢= p ，巧，厂( 州) ( 1 6 ) 式中：p 一工件电阻率( q ) ，风一真空磁导率，4 石x1 0 一( h m ) ， 一工件磁导率( h m ) ，一工件相对磁导率，一角频率( r a d s ) ，一 频率( h z ) 。 将。和石的数值代入( 1 6 ) ，即可得公式： = 5 0 3 0 0 4 p , u ，f ( m m ) ( 卜7 ) 从上式可以看出，因当材料电阻率p 、相对磁导率一给定后，透入 深度仅与频率，平方根成反比，此工件的加热厚度可以方便的通过调 节频率来加以控制。频率越高，工件的加热厚度就越薄。这种性质在工 业金属热处理方面获得了广泛的应用。 西安理工大学硕士学位论文 1 2 感应加热技术的发展现状及趋势7 1 1 2 1 感应加热电源的发展现状 2 0 世纪5 0 年代末，半导体硅晶闸管的出现标志着以固态半导体器件 为核心的现代电力电子学的开始，引起了感应加热电源技术以致整个电力 电子学领域的一场革命，同时感应加热电源及应用得到了飞速发展。7 0 年 代末8 0 年代初，现代半导体集成技术与功率半导体技术相结合，开发出了 一大批新型的电力电子半导体器件，为高频领域感应加热电源的研制提供 了坚实的基础。上世纪8 0 年代，西欧国家就研制出了采用功率场效应管 ( m osfet ) 作为开关管的高频电源，其频率为2 0 0khz 左右，功率可 达数千瓦。由于mosf et 为少子器件，不存在存储时间，因此开关速度 快。另外，它还具有驱动功率小、无二次击穿现象、易并联、安全可靠等 优点。绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 是上世纪8 0 年代初功率半导体器件 技术与m o s 工艺技术相结合研制出的一种复合型器件，它将m o s f e t 器件门极驱动功率小、控制电路简单与b j t 器件电流大、电压高等优点 集成一体。但相对于m o s f e t 器件的工作频率范围( 3 0 k h z - - i m h z ) i g b t 的工作频率范围要低了很多。但是由于两种器件都是高频器件，并 且易于并联使用，所以在高频、大功率感应加热电源中被广泛应用作为 开关器件。目前，各国感应加热电源的发展水平如表1 1 所示。 随着电力电子学及功率半导体器件的发展，感应加热电源拓扑结构经 过不断的完善己形成了一种固定的ac dc ac 变换形式的系统构成 形式。这种系统构成一般由整流器、滤波器、逆交器及一些控制和保护 电路组成，其核心部分是逆变器。根据逆变器的特点，感应加热逆变电源 又主要分为串联谐振和并联谐振两种，串联逆变和并联逆变所用的振荡线 路不同，前者是用l 、r 和c 串联振荡，后者是l 、r 和c 并联振荡，二者之 第1 章绪论 问存在着以下主要差别。 表1 1 各国感应加热电源发展水平 国家m osfet 的参数 igbt 的参数 西班牙6 0 0 k w 4 0 0 k hz3 0 6 0 0 k w 5 0 1 0 0khz 3 0 6 0 0 k w 5 0 1 0 0 k hz 德国 4 8 0 k w 5 0 2 0 0 k hz 比利时 1 0 0 0 k w 15 6 0 0 k h2 日本1 2 0 0 k w 5 0 k hz 2 0 k w 3 0 0 k hz2 0 0 k w 5 0 k hz ( 研制) 中国( 浙江大学) 5 0 k w 5 0 k hzf 产品1 随着电力电子学及功率半导体器件的发展，感应加热电源拓扑结构经 过不断的完善，已形成了一种固定的ac dc ac 变换形式的系统构成 形式。这种系统构成一般由整流器、滤波器、逆变器及一些控制和保护 电路组成，其核心部分是逆变器。根据逆变器的特点，感应加热逆变电源 又主要分为串联谐振和并联谐振两种，串联逆变和并联逆变所用的振荡线 路不同，前者是用l 、r 和c 串联振荡，后者是l 、r 和c 并联振荡，二者之 间存在着以下主要差别。 ( 1 ) 串联逆变器中，要把二极管与开关管反并联，起到续流作用，而且使 开关管不承受过高的反压，这种二极管一般都集成在大功率开关管模块 内。而并联逆变器的每一桥臂必须串入快速恢复二极管，以承受反压。 ( 2 ) 串联逆变器中，当触发电路工作暂时处于不正常状态时，逆变电路 立即停振；而并联逆变器在自身构成的闭合回路中继续维持振荡。 ( 3 ) 串联逆变器起动容易，适用于需要频繁起动的场合，既可以自激工 作，也可以他激工作；并联逆变器则需要采取较复杂的起动措施，一般只能 工作在自激状态。 西安理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 串联逆变器中的开关管由于承受矩形波电压，故du dt 值较大， 电压吸收四路起着关键作用，而对di dt 要求较低；在并联逆变器中刚 好相反，di dt 值较大，而对du dt 的要求低一些。 ( 5 ) 电路中的分布电感、电容对串联谐振电源的影响只是改变了串联 谐振的固有谐振频率，而对于并联谐振将会改变电路的拓扑结构。 目前，针对两种电路结构，国内外都有广泛的研究。但是由于串联式逆 变电路拓扑结构的诸多优势，使其逐步成为感应加热电源采取的主要拓 扑形式。 1 2 2 感应加热电源的发展趋势 感应加热电源的水平与半导体功率器件的发展密切相关，因此当前 功率器件在性能上的不断完善，使得感应加热电源的发展趋势呈现出以 下几方面的特点。 ( 1 ) 大功率、高频率化。电力半导体器件的大容量与其使用频率有 着檄密切的关系。早期的晶闸管和晶体管由于受到容量与频率互相制约 的影响，不能达到同时获得大功率、高频率的效果。随着新型器件的发展， 如mosfet 、igbt 、mct 等，将来的感应加热电源必将朝着大 功率和高频率两者相统一的方向发展， ( 2 ) 低损耗、高功率因数化。随着功率器件的发展，再加上驱动电路 的不断完善和优化，使得整个装置的损耗明显降低。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 源是今后的发展趋势。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 第l 章绪论 个功率模块内除了1 个或多个功率器件芯片外，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在一起的电路。因此 采用智能化与复合化的集成电路将使系统的元器件数量减少，降低组装 成本，电路本身具有诊断与保护等功能而提高了系统可靠性。 1 3 课题来源及主要内容 本课题为上海宝钢冷轧分厂引进的日本富士公司1 4 2 0 生产线中感应 加热电源部分的技改项目。1 4 2 0 生产线是1 9 9 5 年上海宝钢引进日本富士 公司的一条具有世界领先水平的冷轧生产线。其间的重要组成部分 感应加热电源由8 台感应加热逆变器组成，总功率最高可达3 2 0 0 k w ，工 作频率主要在7 8k z 一8 2 k h z 。达到如此大功率和高频率的感应加热生产 线在世界范围内只有两条，国内只有宝钢拥有一条。由于引进后外方没 有提供任何的设计图纸和使用维护资料，所以在生产使用过程中存在很 多不便。同时使用过程中系统经常发生故障，不仅影响产品的产量和质 量，而且造成重大的经济损失，仅仅一年的器件维护费用竟高达4 0 0 一6 0 0 万元。为了搞清楚生产线的工作原理、控制方法、系统电参数分布、系 统和器件使用裕量、发现系统中设计不合理部分，擐终降低系统使用故 障率。上海宝钢公司特提出设立此项课题。进而为进一步将此电源国产 化提供理论依据。 本课题重点研究以下几个方面的内容： i 通过现场测试，分析系统工作原理和控制方法。 现场测试系统在不同工作条件下的系统主要电参数分布情况，分析 电源的主要工作原理和控制方法。 2 依据系统实际在m a t l a b 中建立逆变回路模型，并且研究不同性质 负载回路对系统的影响。 逆变回路和负载回路的建模与加热电源本身所具备的特点密切相 1 西安理工大学硕士学位论文 关，由于负载回路建模涉及到热处理专业的许多知识，研究将尽可能对 其深入，并将注意力集中在电气性能和参数对整个加热电源性能的影响 上。 3 对系统常见故障进行仿真模拟，在仿真模拟的基础上分析故障原 因，并提出解决措施。 8 西安理工大学硕士学位论文 第2 章3 2 0 0 枷8 0 k h z 感应加热电源 系统构成及工作原理 2 1 系统基本结 图2 1 是系统的基本结构。 图2 1 系统基本结构 整流桥采用二极管不可控整流，为逆变器提供直流电。二极管整流 后，直流环节采用了大容量电解电容器滤波。为逆变器提供稳定的直流 电压。 逆变堆中利用m o s f e t 元件将直流电转换为高频交流电。 负载回路由谐振电容、等效负载电阻和谐振电感组成。加热工件在 谐振电感中通过，利用感应原理对工件进行热加工。 9 一 第2 章3 2 0 0 k w 8 0 1 ( j - i z 感应加热电源系统构成及工作原理 其它部分是系统的控制电路： 高频感应加热器的控制系统由功率控制回路和电流控制回路两个回 路构成。 a ) 功率控制回路 从直流中间回路采集的电压和负载输出电流在功率计算器上计算出 直流功率，发出功率检测值与功率调节器设定的功率给定值比较后，向 电流调节器发出信号。 负载改变时，为了保证功率恒定，启动电流调节器，改变开关频率 进一步改变滞后相角，使功率返回到设定值。 b ) 电流控制回路 功率控制回路的输出作为电流控制回路的输入，将高频负载电流的 检测值作为反馈信号。在电流调节器中进行比较产生电流调节器输出信 号。电流调节器的输出信号与相位信号的比较来确定庐值。滞后角确定后， 相应的触发信号被传送到各个开关器件的触发装置控制m o s f e t 进行开、 关动作。 2 2 逆变器的工作原理及分析n 叫 2 2 1 逆变器的开关动作特性 2 2 1 1 主电路基本结构 1 4 2 0 系统感应加热电源部分采用的是串联谐振式逆变器。实际电路 图如图2 2 所示： 图中q 。q 4 均是由5 块m o s f e t 模块并联所构成的m o s f e t 组件：d ， 玑是与m o s f e t 反并联的二极管；c s l c s 4 是与q 。q 。并联的电容；c m l c m 4 是为吸收漏一源极关断尖峰电压的吸收电容；c f 、l f 为谐振电容、 墨童里三垄兰塑主茔堡垒墨 一 电感：r f 为负载。 卜m甜 卜 。3 l j 1 1 + n 吖v l m 叫口本m 扑li 图2 21 4 2 0 感应加热电源主电路 2 2 1 2 感应加热回路工作过程 逆变器由四组m o s f e t 组件组成感应回路，如上图2 2 。 开关管q 1 和q 2 为1 8 0 。互补导通，但q 1 和q 2 导通之间留有死区时 间，以避免桥臂直通短路。当q 1 、q 4 管导通时( 或d l 、d 4 导通时) 输 出电压是v i n ，当q 2 、q 3 管导通时( 或d 2 、d 3 导通时) 输出电压是一v i n ， 因此输出电压是交流方波电压。 串联谐振变换器的工作过程按开关管的开关情况和谐振电流的方向 存在叫种开关模态，等效电路如下图2 3 。 第2 章3 2 0 0 k w 8 0 k h z 感应加热电源系统构成及工作原理 ( c )( d 】 图2 3电路工作开关过程 图中箭头方向是负载电流流经方向，a 、b 两点之间电压是负载输出 电压。 1 ) 开关模态l 如图( a ) ，开关管q 1 和q 4 开通，电流为正，此状态下负载输出端 电压是。 z ) 开关模态2 如图( b ) ，开关管q l 和q 4 关断，负载电流流过与q 2 、q 3 反并联的 d 2 、d 3 。q 2 和q 3 分别被d 2 和d 3 箝位在零电压。此时虽然q 2 和q 3 已 经开通但是没有电流流过。此状态下负载输出端电压是一。 3 ) 丌关模念3 如图( c ) ，负载电流反向过零时，开关管q 2 和q 3 开通，负载电流 反向向流动， d l 和d 4 自然关断。此状态下负载输出端电压是一。 4 ) 丌关模态4 如图( d ) ，开关管q 2 和q 3 关断，负载电流流过与q l 和q 4 反向并 联的二极管叭和d 4 ，此状态下负载输出端电压是 后半周期和以上工作过程一样，这里不再作详细分析。 2 2 1 3 负载回路 西安理工大学硕士学位论文 感应加热是靠感应线圈把电能传递给加热金属工件，然后电能在金 属内转化为热能。在负载感应器中，要发生电磁感应、发热、传热及热 辐射等物理现象。 当感应器中通以交流电流产生磁场，在工件中感应出电流。这可近 似看成为一台变压器，感应线圈为原边，工件既是变压器的铁心，又是 变压器的副边( 副边是单匝短路的) 。从而可以得出变压器等效电路( 图 2 4 ) 。 图2 4 感应加热电源感应线圈和加工元件感应等效图 将上图副边折算到原边后，得到如下图的等效图。 r 1 x 1 糙1 幽2 5 感应加热电源感应线崩和加工兀件等效围化同圈 图中各量为： x ，= 三。g o 感应线圈漏抗感 r - 感应线圈电阻 x ：= 三。：一一工件漏感抗( 归算到原边) r ；工件电阻( 归算到原边) x 。= m u互感抗 感应加热器虽然可以近似看作一台变压器，但它的参数与普通变压器 第2 章3 2 0 0 k w 8 0 k h z 感应加热电源系统构成z l t - 作原理 有很大不同，其原边漏磁通很大，而且在加热过程中个参数都在变化。 由图2 5 得： u = j x l i t + 1 1r l + 弘，( 1 1 1 2 ) 0 = 弘：i z + 1 2 r ：一i x ( i t - i ：) 联立求解： ( 2 一1 ) ( 2 2 ) 玉= c r t + j i 丁南r ：，j - + ，c x - + 兰兰；：霉j i 措，j = r ，1 1 + j o ) l ，i i ( 2 3 ) 舯：r = r i + 而r 2 羔( x m 两x 2 飓 +1 2 三，= ( 三一+ m ) 一j i i j ( 三一z + 肘) 加入谐振电容后得出串联谐振负载电路等效图2 - - 6 。 图2 m 6串联谐振负载回路等效图 注：肜等效负载回路电阻叮一一等效负载回路谐振电容 巧等效负载回路谐振电感 谐振等效阻抗为：z = r f + j ( m l f 一击) 西安理工大学硕士学位论文 串联谐振电路得功率因数c o s 口为 c o s q 5 =f 百丢 甲蚨谐振状态时：u c = u l ，故硐： 三，：一。 c 串联谐振状态时：j 。- !( 2 4 ) 4 l 1 c i = 2 矿j 厂2 荔了号亏为谐振频率。 谐振时输入阻抗：z = 母 谐振时电流i o 为：，。= n n 厨 谐振时电路的功率因数：c o s b = 1 电路谐振时，电容c ，上电压有效值为： 孤：l ，。：堕：o m q c ic o o c i r i 电感上的电压有效值为： u l = c o o l y i o = n n = q v i n r f 上式中q 是品质因数：q = c u r o l _ ，f c = 石i 1 了 当对于一定q 值的感应加热电路时，即l f 、c u 、r u 值不变， 普 一 一 一 一 第2 章3 2 0 0 k w 8 0 k h z 感应加热电源系统构成及工作原理 | j ：j 牛f 石虿母j q 2 ( 三一予2 即谐波的阻抗值为：i z l = 毋、；面 ( 2 8 ) 基波电流幅值为： 。：竺兰 ( 2 一 ( 注：对逆变器输出方波电压进行傅立叶变换得 u “r = 塑s i n 国f + 塑s i n3 国f + + 4 3 _ l s i n 胛厅f ) 黻电流雌2 百4 v i n2 习露4 v i n 再 删氰笔2 面毒 妣轻t h d l ：挈( 2 - - 1 0 ) 由此可见串联谐振电源中q 值越大谐振电流越接近角频率c o o 的正 弦波。而此时电容上电压与负载电流的关系为 m t量s i n 缸一5 c o o 、 2 电感上电压与负载电流的关系为： u t = 三，k 珊。s i n ( c o 。f + ；) 2 2 1 4 逆变回路动作特性 感应加热电源的输出功率呵由下式表示 r = o 9 v o i o c o s o 西安理工大学硕士学位论文 是逆变电路的输出端的输出电压，厶是逆变电路的输出电流。由 于串联式逆变电路的输出电压的大小与逆变器输入电压v i n 大小一致，所 以有： p o = o 9 l v , l 。r 。c o s ( 2 1 1 ) 式中的o 9 是因为矩形波所乘的波形率。 从式中可以看出当输入电压一定时可以通过调节输出电流滞后输出 电压的滞后角来调节输出功率。而滞后角是由谐振参数和开关管工作 频率共同决定的。 从图2 6 中可以得到输出端看负载的阻抗z 可表示为： z = r + j ( o g l 一去) ( 2 - - 1 2 ) 当逆变器开关频率高于负载固有谐振频率动作时( 0 3 ) 负载呈感 性，当开关器件开关频率低于负载固有谐振频率动作时洄 0 时m o s l 7 e t 开通。 r t = r d ， 当i d ( 0 时反并联二极管开通。 同时在m o s f e t 的d 极与s 极之问还并联了一个由g 和b 串联组成 的吸收电路。 由于模型限制模型中的导通电感三。5 f 能j , j0 ，其他的电参数可根据 实际情况确定。m o s f e t 的初始状态为闭和。下图3 2 是模型的伏安特性。 1 第3 章逆变电路及其模型 在图3 1 中输入d 和输出s 是m o s f e t 的电气连接点。端子g 是门 极输入信号a 使用时要注意的是，当接电容时，r 。一上。选择不当会产 生串联谐振，还会导致仿真速度下降。较好的方法是实现r 。一三。一c 中 阻尼因子z 0 5 。条件是： l 。r 。2 c io n - s 阻t e 一、 、0 n _ t 。础 8 t = r o “ i f g = 0 冬 0 行s 【a 【c 、 迪。 l o f f - t o - o n o i f - s t 皿e ， j f g 如 d o s 诅他， j 幽3 - - 2m o s f e t 模型的伏安特性 为了避免在仿真中不要出现代数环，电感l 。不能为零。m o s f e t 被模 型化为个电流源。在不使用缓冲电路时，它将不能同电感、电流源、 开放电路、m a t l a b 中的其它被模拟成为电流源的器件例如：其它m o s f e t 模型，理想开关、二极管等器件串联使用。 3 3 逆变回路的模型 图3 3 是系统主电路。在m a t l a b 环境内按照这个主电路结合实际 结构建立仿真模型。 西安理工大学硕士学位论文 3 3 1 电容模型 图3 3 系统主i u 路 整个系统的谐振电容是由2 6 0 个2 9 2 n f 高频电容器纽成的。具体串 并联关系如下。 四耐 封装 网 雾 一黧露霞鼹， 气伯 第3 章逆变电路及其模型 c 1 3 _ 肄5 申2 掉c 1 3 并5 申2 并t 圈圜参 f c l 封装 图3 4电容模型串并联关系图 3 3 2m o s f e t 组件模型 1 4 2 0 生产线感应加热电源的每一个逆变器单元的桥臂是由5 个 m o s f e t 器件并联组成的，所以按照实际情况建立组件模型。 ：贿 = 鳍 = 回 ：图 3 3 3 主电路模型 圈蕊令 封装 图3 5m o s f e t 组件模型 整个1 4 2 0 感应加热电源是由8 台逆变柜组成，每个逆变柜中有5 个 跚 里室垩兰查兰翌主兰堡丝查 并联运行的逆变堆组成，依此结构建立仿真模型。如图3 6 所示 ( a 1 单个逆变单元 封装 2 6 一 f b 卜。组逆娈侨仿真模型 第3 章逆变电路及其模型 ( c ) 逆要器买际组成模型 图3 - - 6 单个逆变柜仿真模型 3 4 仿真参数的确定n m 1 3 4 1m o s f e t 参数的确定 对于每一个m o s f e t 模型的主要参数包括：通态电阻，通态电感， 二极管内部电阻，吸收电路电容和电阻值。 根据实际测量通态电阻r 。为2 0 m - q 。 通态电感l 。：在m a t l a b 的m o s f e t 模型中用一个电流源模拟实 际使用中的m o s f e t 器件。由于用电感模拟，所以当接电容时，r o 。一上。 选择不当会产生串联谐振，较好的方法是实现r 。一三。一c 中阻尼因子 z o 5 。条件是： l 。r 二c( 3 一i ) 在实际系统中有： 一 1 西安理工大学硕士学位论文 l 。s r ：o c = ( 2 0 1 0 3 ) 2 7 5 9 2 x 1 0 4 = o 3 0 3 6 8 n h 因为在电源工作时一般为两个m o s f e t 管同时开通，所以取上。为 0 1 n 日 缓冲电路参数： 加上吸收电路以后，功率m o s f e t 的开关损耗可以忽略，损耗可近似 认为转移到吸收电路中，所以： e = c r 吲= ( t r + t 杉 ( 3 _ 2 ) f ，一m o s f e t 器件开关管上升时间 t - - m o s f e t 器件开关下管下降时间 。一吸收电路中的电容值 所以有： c r = i c ( t , + t 毵( 3 - - 3 ) 从逆变器的实际工作情况测量数据来看， i c = 5 0 6 5 at ，2 5 4 0 n st r2 1 3 5 u s 则吸收电路中的电容值为c r = 4 0 ，9 5 u f 在关断过程中电容充电，在开通过程中电容放电，电容器两端的电 压表达式为： ：p “ ( 3 4 ) 式中的月，是吸收电路中的电阻。 为了保证在器件关断时电容充电满，系统设计时应该使r c ( ( t 。， 同时也要求必须让r c 电路在开通结束后放完电。而由电路的基本理论 可知电容放完电必须通过3 个时间常数f 才可以基本放完，因而可以的出 第3 章逆变电路及其模型 最大的放电电阻值。 r ，= 砭 由于最大f 。= 6 4 1 0 2 u s ( 测量值) 所以r ，= o 0 5 3 2 8 q 3 4 2 负载回路的仿真参数的确定 在仿真研究中，我们简化感应加热中的线崮与工件之i 司的电磁过程， 只关心外特性对整个加热过程的影响，这里仅以等效串联电路来分析。 串联谐振式输出电压是交变方波，负载电流近似为交流正弦波。设 输入整流后的电压为v i n 。对其进行傅立叶变换后得： u ：业s i n c o t + 娑s i n 3 m + + 一4 v i ns i n 删 ( 3 吲 冗3 死n 嚣 基波电压幅值是：u 。：4 v i n 基波电压有效值为：u 。：2 4 2 肼n 在谐振情况下负载基波阻抗为旧i = r ， 负载谐振频率为：珊。= 丽1 品质因数为q = 等= 丽1 ( 3 - - 6 ) 当考虑感性负载条件下： 基波电压表达式为：u 。：4 v i ns i n 耐 基波电流表达式为： “耐) = 警s i n ( 耐一声) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 西安理工大学硕士学位论文 庐- - e g 流师后甩址角度 补偿电容上的电压有效值为 盱孑1 = 百2 | f 2 v i n 蚋= 华q ( 3 _ 9 ) 峰值为：u c 。，：4 v i n q 补偿电容无功损耗为她也卟筹( 3 - - 1 0 ) 电感上的电压有效值为：叽：，。甜。：2 4 2 v i n q ( 3 1 1 ) 峰值为：u 。：4 v i n q 电感上的无功损耗为： 幺也“= 鬻 ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 负载电阻r ，可由以下式求出 耻等c o s 庐= 器c o s 2 ( 3 - - 1 4 ) 由以上推导可计算出负载电路的电参数： 1 4 2 0 感应加热电源单个逆变堆的最大输出功率为8 0 k w 。 二极管整流电路输出直流电压为： c = 1 3 5 m 2 1 3 5 x 2 2 0 2 2 9 7 v 工作频率为7 5 k h z ，取= 0 根据式( 3 1 4 ) 得： r ，：! ! ! ! ! ：1 4 9 q 8 0 0 0 0 x 石 第3 章逆变电路及其模型 电容c i 的电容值为： c ，：婴! ! ! 生：7 5 9 2 n f 5 x 2 谐振频率为7 5 k h z ，所以谐振电感为 上，：- _ ： ；c ， 7 5 0 0 0 2 4 r r 2 7 5 9 2 l o 一9 按以上参数建立逆变电路模型 = 5 9 3 n h 西安理工大学硕士学位论文 第4 章仿真结果与分析 4 1 负载性质对逆变器的影响 以前在使用晶闸管作为开关器件时，为了开关器件可靠关断，采用 负载换相方式，即电流超前电压一定角度使系统工作在容性条件下。在 采用可关断器件后( 例如本课题采用的m o s f e t ) ，无须采用以前的换相 方式，可以通过控制m o s f e t 栅极的电压来控制器件的开通与关断，即 采用器件换相方式，来进行换相。因此逆变器就有可能工作在容性和感 性情况下。图4 1 是1 4 2 0 系统感应加热电源工作区域曲线， 1 蛰 鏊 最大谐搌点 图 4 一l 1 4 2 0 冷轧生产线感应加热电源工作区域曲线 图4 1 中最大谐振点就是开关频率和负载固有谐振频率相同时的谐 振点，由于这一工作点在感应加热中是不断变化的，所以尽管在这一点 的工作效率和输出功率是最大的，也不能让系统工作在谐振点的附近。 第4 章仿真结果与分析 过于远离谐振点工作又使系统谐振状态差，系统的开关损耗加大、开关 器件的工作条件恶化，容易引起器件损坏，所以系统有一个工作频率范 围，只有在此频率范围内系统才能安全运行。 从上面的曲线可以看出系统在容性和感性条件下均可以实现输出功 率的调节，但是两种工作方式有什么不同，那种工作方式相对而言好一 些呢? 4 1 1容性工作情况下系统分析与仿真结果 容性状态下即电流超前情况下。当开关频率刊、于负载谐振频萼砜时。 1 负载回路的电抗x = c o l 一之中的国 0 9 0 ，此时的x 0 。 仉 容性条件下的工作状态是：当开关管m i 和m 4 开通时，负载回路的 输入电压是。为正。负载电流也是正方向流动的。由于电流超前电压先 过零，在电流过零后，依靠与开关管m 1 和m 4 反并联的二极管构成的回 路续流。此时储存在电感和补偿电容中的电能除了提供给负载外还有一 部分返回给电流输入端的滤波电容e 。当m 2 和m 3 开通后，此时的负 载上电压反向，将m 1 和m 4 反并联奁勺二极管关断。这时通过m 2 和m 3 向负载提供电流。到负载电流反向过零时，电流由与m 2 和m 3 反向并联 的二极管续流，在电压再次为正时电流再次换至管m 1 和m 4 完成一个工 作周期。 下面给出容性情况下工作电路中主要电参数的波形如图4 2 。一 ( 以下的仿真波形的横轴的时间单位均为1 0 4 秒，所有的电压波形中纵 轴单位是伏特( v ) ，电流波形中纵轴的单位是安培( a ) ，以后不在说明。) 由于在m a t l a b 中的m o s f e t 模型将与m o s f e t 反向并联的二极 管与m o s f e t 器件集成在一个模型中，所以在仿真图中开关管所流过的 西安理工大学硕士学位论文 反向电流均足l h 与m o s f e t 反向并联的二极管流经的。 m 1 管电流 m 2 管i b 流 负载电流 m 1 符电压 m 2 管电压 负载电压 3 4 一 ( a ) m l 管和m 2 管l u 流和负载l 乜流波形 ( b ) m l 管耵lm 2 管f u 胜和负载输入i uj k 笫4 章仿真结果与分析 谐振电容 电压波形 谐振电感 电压波形 负载 电压波形 ( c ) 谐振电窨电愿带i 负载屯肚 图4 2 容性条件下系统仿真波形 从理论分析和仿真波形中可得出开关管的开通伴随着臂间的强迫 换相过程，除负载电流外，m 1 在开通过程中还必须承担与m 3 反向并 联的二极管m 3 的反向恢复电流，相应的开通损耗较大。由于m 1 导通， d 3 在反向恢复期间承受直流电压v 。因而相应的关断损耗也比较大， 为了降低开通和关断损耗，要求反向并联二极管有快速恢复能力。当二 极管的快速恢复能力不够好时，可能造成上下桥臂的直通。 总之，串联逆变器的： 作在容性条件下的特征是：上桥臂的m o s f e t 换流至 二桥臂的二极管，再换至下桥臂的m o s f e t 管。 此时负载回路的电容和电感将承受较高的电压，在这里大约为 1 0 0 0 v 。需要选用耐压高的器件。( 仿真图形中谐振电感电压上的尖刺足 由于换流过程中的电流突变造成的。) 4 1 1 感性工作情况下系统分析与仿真结果 当开关频率大于负载谐振频率兀时，负载回路的电抗并= c o l 一壶中 一1 e 一 西安理工大学硕士学位论文 的c o ) c o 。，此时的z ) o 。 感性条件下的工作状态足：当，| ：关管m 1 和m 4 丌通时，负载网路的 输入电压是，为f 。负载电流也是正方向流动的。之后由于电压超前电 流先过零，在电压过零后，电流依然为正，此时通过与m 2 和m 3 反向并 联的二极管d 2 和d 3 续流，丌荚管m 1 和m 4 关断。m 2 和m 3 管的开通 信号已经加到栅极k ，但是由于电流为正，所以电流流经二极管d 2 ，d 3 的同时使开关管m 2 和m 3 零电压开通。在负载电流过零的同时m 2 和 m 3 开通，d 2 和d 3 关断。当电压再次反向过零后，反向二极管d l 和 d 4 续流反向电流直至电流反向过零，在反向电流过零的同时m 1 和m 2 开通，完成一个丌芙周期。 下面给出感性情况下丁作电路r 主要电参数的波形，如图4 3 。 m 1 管电流 m 2 管电流 负载电流 ( a ) m 1 管和m 2 管f 乜流干兀负载f u 流波形 第4 章仿真结果与分析 m 1 管电压 m 2 管电压 负载电压 谐振电容 电压波形 谐振电感 电压波形 负载 电压波形 ( b ) m 1 管和m 2 管电压和负载输入电压 ( c ) 谐振电容，电感和负载电压 目4 3 感性条件下系统仿真波形 西安理工大学硕士学位论文 从上面的理论分析和仿真可以得到串联逆变器工作在感性状态时的 换流特征是：开关换流是由上桥臂的m o s f e t 管换至下桥臂的反向二极 管，再换相至下桥臂的m o s f e t 管。在这种情况下开关管是在零电压情 况下开通的，从而大大的降低了开通损耗，为系统工作在高频大功率条 件下提供了可能；由于与工作在容性区的工作方式不同，此时的二极管 是在零电流情况下开通损耗基本为零，关断是在开关管的开通压降情况 下关断的，所以关断损耗也很小。这使得对感性工作条件下的二极管的 反向恢复能力的要求没有工作在容性条件下时高，这使系统可以进一步 提高开关频率。 同时从仿真波形可以看出，m o s f e t 管在开关瞬间要承受关断尖刺 电压，在这里大约1 0 0 0 v 。所以要求在m o s f e t 管的两端要并联一组容 量较大的吸收电容来吸收尖刺电压。与工作在容性条件下的情况一样， 负载回路的电容和电感也会承受较高的电压。 综上所述，当工作在容性状态时，换相时m o s f e t 的开通损耗大， 无关断损耗，反并联二极管承受逆变输入端的直流电压，关断损耗大， 因此要求二极管有快速恢复能力，而且这时工作属于过补偿，要求电源 容量大。当工作在感性情况时，换流时m o s f e t 管无开通损耗，关断损 耗取决于电流滞后角度。反并联二极管关断后承受的电压很小，反向恢 复损耗小，因而无需快速恢复能力。这时工作属于欠补偿，电源容量无 需那么大。 由上面分析可知，为了输出高频率的负载大电流，串联谐振逆变器工 作在感性负载情况下更为合适。 4 2 谐振频率不变，开关频率变化对逆变器的影响 1 4 2 0 冷轧生产线感应加热电源采用的工作方式是通过改变开关管的 开关频率，使系统工作在感性工作区，通过改变开关管的开关频率调节 3 8 第4 章仿真结果与分析 负载电流滞