（电力电子与电力传动专业论文）等效单电流源自然换流型半桥逆变器的反常功率输出特性分析.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h es c rm e d i u mf r e q u e n c y ( m f ) p o w e rs u p p l yd e v i c ec a l lb ef o u n da se a r l y a st h e19 t hc e n t u r y , b e c a u s eo fi t so b v i o u sa d v a n t a g e so v e rm e d i u mf r e q u e n c y g e n e r a t o rs e t ，i tc a l lb ea p p l i e dq u i c k l y h a v i n gd e v e l o p e df o ra b o u t h a l fac e n t u r y , t h ec a p a c i t ya n df r e q u e n c yo ft h es c rm fp o w e rs u p p l yd e v i c eh a v eb e e ng r e a t l y i m p r o v e da n da l lt y p e so fc i r c u i ta r r a n g e m e n th a v ea r i s e n a m o n gt h e m ，t h ep a r a l l e l r e s o n a n ti n v e r t e ra n ds e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e rm fh i g h - p o w e rs u p p l ya r ew i d e l yu s e d i nt h ef i e l do fi n d u c t i o nh e a t i n g t h es e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e ri sv o l t a g es o u r c em o d ea n dl o a dc u r r e n tn a t u r a l c o m m u t a t i o n ，g e n e r a t e sn e a r l ys i n u s o i d a lo u t p u tc u r r e n t sa n de a s y t os t a r t u p b u tt h e d i s a d v a n t a g eo fs e r i e si n v e r t e ri st h eh i g hr e s o n a n tv o l t a g el o a d i n g o nt h ee q u i p m e n t 1 1 1t h ee q u a lp o w e rs u p p l yv o l t a g e , t h eh i g h e ro ft h ei n d u c t i o nf u r n a c eqv a l u e ，t h e h i g h e ro ft h ec o i lv o r a g e ，s ot h a tt h eh i d d e nt r o u b l ei ns a f e t yw i l lb e i n e v i t a b l e t h e p a r a l l e lr e s o n a n ti n v e r t e ri sc u r r e n ts o u r c em o d e a n dl c i a dv o l t a g ef o r e dc o m m u t a t i o n ， t h ev o l t a g eo ft h ef u r n a c ei sr e l a t i v e l yl o wa n dd o e sn o tc h a n g ew i t ht h el o a d t h a t a v o i dt h eh a r mo fh i g hr e s o n a n tv o l t a g ea n dh a v es t r o n gl o a da d a p t a b i l i t y b u t p a r a l l e lc o n v e r t e ri n v e r t e rc i r c u i th a ss t a r t i n gd i f f i c u l t y a n de a s yt os u b v e r tt h e i n v e r t e r , g r e a t e ro u t p u tp o w e r , t h es i t u a t i o n i sm o r es e r i o u s b e c a u s eo ft h e i r d i s a d v a n t a g e s ，b o t ht h ea p p l i c a t i o no fr e s o n a n ti n v e r t e r sc i r c u i ti ss u b j e c tt oc e r t a i n r e s t r i c t i o n si nt h ea r e ao fm fh i g hp o w e ri n d u c t i o nh e a t i n g t ot h ea b o v es i t u a t i o n ，i no u rl a b o r a t o r y , an e wr e a s o n a b l ec i r c u i tf o rm e d i u m f r e q u e n c yp o w e rs u p p l yi sd e v e l o p e d t oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so ft h e c o n v e n t i o n a lf u l l b r i d g es e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e ra n dp a r a l l e lr e s o n a n ti n v e r t e r , a n d r e t a i nt h ea d v a n t a g e so ft h e i ro w n i ti sc u r r e n ts o u r c em o d e ，l o a dc u r r e n tn a t u r a l c o m m u t a t i o na n du s i n gah a l f - b r i d g ei n v e r t e rt o p o l o g y i t i sc a l l e dn a t u r a l c o m m u t a t i o nh a l f - b r i d g ei n v e r t e rm fp o w e rs u p p l yw i t hc u r r e n ts o u r c e i nt h ec h a p t e rt w oa n dt h r e eo ft h i sp a p e r , t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d c a l c u l a t i o nt h ee q u i v a l e n tm a i nc i r c u i to fc o n v e n t i o n a ls e r i e sr e s o n a n ta n dp a r a l l e l r e s o n a n ti n v e r t e r , t h e i rr e s p e c t i v en a t u r a lc h a r a c t e r i s t i e s a r ec o n f i r m e da n dt h e i i a n a l y s i sm e t h o dc a nb eu s e di n t h en e x tc h a p t e r i nt h ec h a p t e rf o u r , f i r s to fa l l ，a r e a s o n a b l ee q u i v a l e n tm a i nc i r c u i to ft h ec u r r e n ts o u r c eh a l f - b r i d g er e s o n a n ti n v e r t e r m fp o w e rs u p p l yi sm a d e s e c o n d l y t h er e a c t i v ep o w e rc o n v e r t e di n t or e a lp o w e ro f w o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c sa r ep u tf o r w a r db yq u a l i t a t i v ea n a l y s i s o ft h eo p e r a t i n g p r i n c i p l eo ft h em a i nc i r c u i t t h e n ，w ea n a l y z et h et r a n s i e n ts t a t eo f t h ec i r c u i tb yt h e d i f f e r e n t i a le q u a t i o n s u s i n gc l a n g u a g ep r o g r a m ，w ed r a wo u tt h ew a v e f o r mg r a p h o fe v e r ye l e c t r i c a lp a r a m e t e r si nt r a n s i e n tp r o c e s st h a tf r o mt h es t a r ts t a t e ，t ot r a n s i e n t , t o s t e a d ya n ds t e a d y - s t a t ep r o c e s so ft h ep o w e rc i r c u i t ，a n d c a l c u l a t eo u tt h e s t e a d y - s t a t en u m e r i c a lr e l a t i o n so fe v e r y e l e c t r i c a lp a r a m e t e r s f i n a l l y , b yc o m p a r i n g w i t h12 0 0 k wp r o t o t y p e se x p e r i m e n t a lw a v e f o r ma n dd a t a , n o to n l yv 甜母t h e r a t i o n a l i t yo f t h ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l ，b u ta l s oc a l c u l a t i o nr e s u l t sc o n f i r m e dt h e a b n o r m a lp o w e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec i r c u i t b yu s i n gt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o ni ti s p o s s i b l et os e l e c tr e a s o n a b l ed e s i g np a r a m e t e r sf o rm ep o w e rs u p p l y t ob ea p p l i e di n t h ea r e ao fi n d u c t i o nh e a t i n g k e yw o r d s ：i n d u c t i o nh e a t i n g ，m e d i u mf r e q u e n c yp o w e rs u p p l y ，e q u i v a l e n t c k c u i t ，c u r r e n ts o u r c e ， i n v e r t e r ，d i f f e r e n t i a le q u a t i o n s i i i 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：务喉毒 岬年t 月f 日 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。 学位论文作者签名：都炬奄 z 研年，月1 日 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：学位论文作者签名： 解密时间：年 月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文电子版授权使用协议 ( 请将此协议书装订于论文首页) 论文瓣电觚渔橼确掷鱼黼螂碑喇蚴胡 系本人在 南开大学工作和学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系本作品的唯一作者( 第一作者) ，即著作权人。现本人同意将本作品收 录于“南开大学博硕士学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子 版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全了解直五太堂图壹焦苤壬堡在! 使用堂僮途塞鳆筻理查选滏! 同意 南开大学图书馆在下述范围内免费使用本人作品的电子版： 本作品呈交当年，在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及论文全文部分 浏览服务( 论文前1 6 页) 。公开级学位论文全文电子版于提交1 年后，在校园网上允 许读者浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系所名称：物理禾i f 兽善院 作者签名：多f ；婊亳 学号：纠2 卯6p 倍汐 日期：砷年j 月日 第一章引言 第一章引言 第一节感应加热电源的概述 1 1 1 感应加热技术的优点 早在十九世纪初人们就发现了电磁感应现象，知道导体在交变磁场中会感 应产生电流而引起发热。但是，长期以来人们视这种发热为损耗，并为保护电 气设备和提高效率而千方百计地减少这种现象的产生。直到十九世纪末期，人 们才开始利用这种发热进行有目的的加热熔炼、热处理和各种热压力加工 的透热等，随着生产的发展，相继出现了各种类型的感应加热装置 6 1 。 感应加热是靠感应器把电能直接送到工件内部转变成热能将工件加热，与 燃料加热、电阻炉加热相比主要有以下优点【1 】： 1 加热温度高，而且是非接触加热。 2 加热效率高，节能。 3 加热速度快，工件表而氧化少。 4 温度容易控制，产品质量稳定，省能。 5 可以局部加热，节能。 6 容易实现自动控制，省力。 7 劳动环境好，几乎没有热、噪声、灰尘、废气等公害污染。 8 作业占地少，生产效率高。 9 能加热形状复杂工件。 1 0 工件容易加热均匀，产品质量好 因此，感应加热技术在冶金、国防、机械加工等部门的金属熔炼铸造、透 热、热处理、热锻造、焊接、烧结、弯管以及半导体的区域提纯，单晶片外延 等热加工工艺方面得以迅速发展应用。而且随着以感应加热为手段的微波炉、 电磁炉等的推广，感应加热也已经不断进入到人们的家庭生活。 1 1 2 感应加热电源的分类及其发展 感应加热电源是感加热的关键设备，并且在不断地发展过程中，按频率范 围分可以分为四种不同的电源，分别为：中频电源( 1 5 0 h z 1 0 k h z ) ，超音频电源 第一章引言 ( 1 0 k h z 1 0 0 k h z ) ，高频电源( 1 0 0 k h z 一1 m h z ) ，超高频电源( 大于1 m h z ) 瞵j 。 如果按使用的器件种类来分可以大至分为传统的加热电源以及固态感应加热电 源。 上个世纪5 0 年代以前，电力半导体器件还未出现，这时感应加热电源主要 通过其它办法来实现。如在5 0 0h z 以下用的磁性静止变频器，在中频段用的中 频发电机组，更高的频率是用电子管振荡器实现的。 直到上个世纪5 0 年代以后，s c r 的出现以及以后各种不同的高性能半导体 器件的出现给整个电力电子学带来了一场革命。感应加热电源开始使用电力半 导体器件来作为开关器件，而且在各个频域范围内都有不同的电力半导体器件 与之匹配，使得感应加热电源飞速发展。 至今，在中频范围内，固态中频感应加热装置己经完全取代了传统的中频 发电机组和电磁倍频器。国外研制出的感应加热电源装置的最大容量己达数十 兆瓦，国内也己形成2 0 0 8 0 0 0 h z ，1 0 0 3 0 0 0 k w 系列产品，可以配备5 t 以下的 熔炼炉及更大容量的保温炉，也适用于各种金属透热，表而淬火等热处理工艺【3 1 。 在超音频范围内，由于晶闸管本身开关特性等参数的局限，给研制该频段 电源带来了很大的技术难度，虽然上个世纪8 0 年代采用晶闸管倍频电路和时间 分割电路研制了超音频电源，但由于倍频电路双谐振回路耦合使负载呈非线性， 时变加热负载参数与谐振回路参数匹配调试相当复杂，而时间分割电路控制和 主回路的结构复杂，逆变管利用率低，因此没得到很好推广。7 0 年代末和8 0 年 代初，随着电力电子技术和微电子技术的迅速发展，相继开发出的一大批全控 型电力电子半导体器件( g t r ，m o s f e t , i g b t , s i t , s i t h ，m c t 等) ，为全控型固 态超音频、高频电源的研制提供了坚实的基础。日本、西班牙、英国等国家相 继研制出容量达数百千瓦的超音频电源。国内在九十年代开始采用i g b t 研制超 音频电源，北京有色金属研究总院和本溪高中频电源设备总厂共同研制出了 10 0 k w 2 5 k h z 的i g b t 超音频电源，浙江大学19 9 6 年5 0 k w 5 0 k h zi g b t 并联 型感应加热电源也通过了产品鉴定，目前的研制水平为2 0 0 k w 5 0 k h z ，2 0 0 3 年浙 江大学三伊公司研制成功1 0 0 k w 1 0 0 k h z 的i g b t 固态电源，与国外的水平仍有 相当大的差距。 在高频频段，国外目前正处在从传统的电子管振荡器向固态电源的过渡阶 段，主要采用m o s f e t 和s i t 两种器件。日本采用s i t 开关管研制的感应电源 水平为1 0 0 0 k w 2 0 0 k h z 。欧美各国则采用m o s f e t 电流型为主，西班牙的研制 2 第一章引言 水平为6 0 0 k w 2 0 0 k h z ，最新的m o s f e t 感应加热电源频率可达7 0 0 k h z 8 0 0 k h z ， 德国的电子管高频电源的研究水平约为1 1 0 0 k w , 8 9 年m o s f e t 的研究水平约为 4 8 0 k w 5 0 2 0 0 k h z ，比利时i n d u c t oe l p h i a c 公司为1 m w 1 5 6 0 0 k h z 。国内仍以电 子管式高频振荡器为主，设计能力大约在8 0 0 k w 佯0 0 k h z 。在固态电源方面，浙 江大学9 0 年代开发的2 0 k w 3 0 0 k h z ，己成功应用于小型刀具的表面热处理和飞 机涡轮叶片的热应力考核。九十年代初，国内的辽宁电子设备厂和天津高频设 备厂等引进技术开发了s i t 高频感应电源系列产品，研制水平己达 3 0 0 k w 2 0 4 k h z 。从可预见的电力半导体器件发展情况来看，近期不太可能满足 开发1 m h z 以上大功率感应加热电源的要求，这一频段暂时还只能用电子管振 荡器去实现。随着电力半导体的逐步高频化，固态电源必将取代电子管振荡器【5 j 。 总体来说，国内感应加热电源在各频率范围与功率等级、设计水平等方面 都有了很大发展，但是与国外相比还有一定的差距，还需要更多科技工作者的 不懈努力。 第二节感应加热用固态中频电源 在近代工业生产中，熔炼金属及对工件进行透热、淬火和弯管等，常常采 用中频电源装置作为感应加热电源。在电力半导体器件出现以前，中频感应加 热电源多采用中频发电机组。自电力半导体器件出现以后，1 9 6 6 年感应加热用 固态中频电源研制成功，与中频发电机组相比，其具有以下优点【】【1 2 】： 1 产品结构简单，制造方便，不需要大量的工夹模具和加工设备，因此 一般工厂都可以生产，且生产周期较短；材料消耗少，可节约硅钢片、 铜材和钢材，成本低。 2 电效率高，感应加热用的固态中频电源装置效率一般在9 0 以上，而 中频发电机组只有8 5 左右 3 在运行中能根据负载变化而自动调整频率，无需频繁切换补偿电容器， 使装置在工作过程中功率因数基本上保持不变，系统的输出功率一直 保持在额定值上，从而能在较短的时间内完成对负载的感应加热。易 于实现自动控制，适用于加热过程自动化。 由于较中频发电机组如上技术经济上的优势，固态中频感应加热装置得以 越来越广泛的应用，现今已占领整个中频感应加热领域【4 】。 3 第一章引言 图1 1 感应加热用固态中频电源装置电路基本结构框图 感应加热用固态中频电源是一种利用电力半导体器件作为开关器件，将三 相工频( 5 0 h z ) 交流电变为单相中频交流电的装置。如图2 1 所示，该装置由可 控或不可控整流器、滤波器、逆变器及其控制电路和保护电路组成，其主电路 目前主要采用a c d c a c 的工作形式，即先通过整流器将工频交流电( a c ) 整 流成直流电( d c ) ，经滤波环节滤成平滑的直流电后，再通过逆变器将平滑的直 流电变成不同频率的交流电( a c ) 。 逆变器采用电力半导体器件作为电子开关，将直流电变换为中频交流电加 到负载上，进行感应加热【l 烈。逆变器是感应加热装置中不可缺少的组成部分， 它的工作频率和输出功率决定了装置的频率和功率。 在感应炉中，变频电流是通过感应线圈把能量传给炉料负载的，而感应线 圈和炉料一起组成的负载感应器作为逆变器中的一个部件，显示的功率因数很 低，在实际应用中，为了提高功率因数，一般都采用补偿电容器来向负载感应 器提供无功功率。为了获得较好的经济技术指标，1 0 k h z 以下、几百k w 以上的 大功率感应加热装置，宜选用不具备自关断能力的晶闸管作为开关器件【l 】。若晶 闸管工作于交流电源的情况下，当交流电压过零变负数时，晶闸管承受反压而 关断，但逆变电路中的电源若是直流电源，即晶闸管工作于直流电源的情况下， 它能否可靠关断是这种电路工作可靠与否的关键【1 6 】。实际生产中，一般采用电 容器( 即换向电容) 来关断晶闸管【lo 】，这样，负载电路不再是简单的电感或电 阻负载，而是包含有电容器的某种形式的谐振回路【2 4 1 。综上所述，利用补偿电 容及负载的谐振特性是感应加热用固态中频电源的一个特剧引。 根据直流逆变至交流的中间滤波环节的不同，逆变器可以分为电压源型和 电流源型。电压型中间环节采用大电容滤波，电源阻抗较小，类似于电压源， 逆变电路的输出电压比较平直，近似为矩形波，电流波形则接近于正弦波。电 4 第一章引言 流型逆变器中间环节采用电抗器滤波，电源呈高阻抗，类似于电流源，逆变器 输出电流比较平直，近似为矩形波，而输出电压波形近似为正弦波【| 7 1 2 5 1 。 按负载电路补偿电容与负载感应器的连接方式，逆变器可分为并联谐振和 串联谐振两大类【2 】【9 】f 2 0 】。并联谐振逆变器是将电容与负载线圈并联组成电流谐 振回路【2 2 ，其基本特征是恒流源供电，优点是不会带来谐振高压，负载的适应 能力强，但是，由于晶闸管关断采用负载电压强迫换流方式，使它在重负载下 启动困难，并随着中频功率的增大而加剧【2 1 1 。串联谐振逆变器将电容与负载线 圈组成电压谐振回路【2 2 1 ，其基本特征是恒压源供电，晶闸管采用负载电流换流 方式，不存在启动困难，但是，由于电压谐振方式带来谐振电容和负载感应器 上的谐振高压，并随着中频电源功率的增大而增大【2 3 1 ，此高压对设备本身和操 作人员都会带来危险( 第二章将详细阐述) 。鉴于上述原因及并联逆变器易于模 块化、并机扩容实现大容量化，目前，国产中频感应加热电源大多采用并联谐 振逆变器结构【3 】【l o 】，但单机容量都不高【4 】。 第三节负载感应器的等效电路 感应线圈通以交流大电流，产生磁场，在炉料工件中感应出电流【2 4 】。它好 像是一只变压器，感应线圈为原边，工件为副边。按照变压器的原理画出它的 等效电路，如图1 2 ( a ) 所示，图中五代表感应线圈的漏磁通引起的感抗，代 表主磁通引起的互感抗，足代表感应线圈本身的电阻，r 代表炉料工件( 归算 到原边) 的电阻，矗代表炉料工件中感应电流引起的磁通所导致( 归算到原边) 的漏感抗。图1 2 ( a ) 的等效电路分析起来不太方便，一般常将它化成电阻、电感 串联电路图1 2 ( b ) 或电阻、电感并联电路图1 2 ( c ) 。 r lx i 一 母 图1 2 负载感应器等效电路 一个电抗元件品质因数定义为【1 7 】： 5 ( c ) 第一章引言 q = 塑 (11)d 1 有功 电阻电感串联电路的等效阻抗为 z = r + 风( 1 2 ) 负载感应器外加频率为缈的交流电时，由串联等效电路求得的感应器品质 因数为： g 2 象= 筹= 等= 等 江3 ， 电阻电感并联电路的等效阻抗为 z = 丽r p j x + , = 器+ 器 ( 1 4 ) 哗+ 珥群+ x ；霹+ 彳； 一7 由并联等效电路求得的感应器品质因数为： g = 象= z u 2 压u 2 = 习u 2 u 廓2 一= 去 ( 1 5 ) 其实，这两种负载电路是等效的，等效变换关系如下： ：堡：! 堕兰 。：一 ( 1 6 ) ：鱼：! 绉兰 7 缈2 岛 相应地，感应器品质因数q 0 为： q 2 g 。绋。等= 瓦r p ( 1 8 ) 图1 2 所示出的三种等效电路只是用不同的形式表达感应器的电磁现象， 其结果是一样的，选用哪一种电路来代表感应器可以根据具体应用决定【9 】【1 3 】。 6 坦屿k w搿者 体 b r，j、【 第一章引言 第四节选题背景和本文的主要工作 1 4 1 选题背景 传统的固态中频电源逆变器为串联谐振电路或者并联谐振电路，其用于感 应加热，特别是感应炉精炼合金钢有很多优点。但是固态中频感应电源自身也 存在几个弊病，限制其在金属熔炼和冶炼领域的大规模应用。感应熔炼炉的主 要缺点是【1 8 】： 1 感应炉钢液表面的温度低，不利于钢渣反应的进行，不便于造渣。 2 炉壁( 坩埚壁) 较薄，坩埚寿命短，不方便吹氧因而不易脱碳。 3 中频感应炉吨位低，单机容量小。 对于第一个缺点有不少办法可以改善或者解决，比如通过改变感应线圈结 构，增加钢液表面的磁通密度的办法来解决感应炉钢液表面温度低的问题；利 用现代“直接还原铁 技术，以直接还原铁为原料用感应炉炼钢，可以在一定 程度上弥补感应炉造渣不便的缺点。但后面两个缺点却是传统感应加热中频电 源所固有的( 下文将详细阐述) ，因此，我们致力于研制新型线路结构中频电源 来解决。 如果把负载感应炉看作一个感抗元件，电抗元件品质因数( q 值) 的定义式 为【1 7 】：q = 乓功磊功，在不考虑热损耗的情况下，p 有功为使工件发热的电功率。 现有感应加热用中频电源工作时，逆变后的中频交流电经过负载感应线圈 时，就会产生相同频率的交变磁场。其中部分磁通通过坩埚或者炉膛，但没 有通过被加热的工件，称为漏磁通，另一部分磁通通过工件，称为主磁通。只 有主磁通才能在被加热工件内产生感应电动势，形成涡流使之发热乃至熔化。 影响主磁通和漏磁通相对大小的因素很多，其中炉壁厚度是一个重要要因素。 在感应炉容量一定时，炉壁越厚，炉膛越小( 炉内所装的工件自然也越少) ，对 应漏磁通越多，感应加热用主磁通越少，q 值越高，相应的电源输出的有功功率 会越小，我们称这种现有的中频电源具有的“负载品质因数功率输出”特 性为“正特性”。受此传统q 值规律的制约，在感应熔炼领域，为了安全稳定地 输出足够的有功功率，现有中频炉炉壁都不厚。 电源逆变电路要工作在谐振状态，其负载参数必须使电路工作于“欠阻尼 状态 才能维持振荡。鉴于串联谐振电源电路的谐振高压的危险性、负载适应 能力不强及难以实现并机扩容，实际的感应加热用中频电炉大都采用并联谐振。 7 第一章引言 对于并联谐振电源电路，需要输出功率越大，电路越倾向于“临界阻尼状态”， 越不容易起振；同时由于并联谐振型中频电源的晶闸管采用负载电压换流关断 方式，电路越倾向“临界阻尼状态”，晶闸管越难可靠关断，越易导致逆变颠覆。 这是并联谐振中频电源的固有弊病，也是导致传统中频电源中频感应炉吨位低， 单机容量小的根本原因( 第二章有详细分析) 。 我实验室于特大功率中频电源的产业化、系列化及稳定运行试验项目 中完成的1 2 0 0 k w 、3 吨中频感应炉样机的供电电源采用电流源，逆变部分是一 种半桥拓扑结构，以负载电流换流方式关断晶闸管，我们称之为电流源型半桥 式谐振中频电源。该电源采用的电路方案，在克服了传统并联谐振逆变器和串 联谐振逆变器中频电源各自缺点的同时保留了各自的优点。此外，经样机实验 测量分析发现：该电源突破了传统q 值规律的限制，具有反常的“负载品质因 数功率输出 特性，可以做厚中频炉炉壁，实现安全稳定的低频大功率输 出。因此，在大容量熔炼、冶炼、感应透热、钢水中间包加热应用领域具有突 出优势。 1 4 2 本文主要工作 本文主要对我实验室自主开发研制的电流源型半桥式感应加热用中频电源 的主电路进行合理等效、分析，并借助c 语言程序，绘出该电路从暂态向稳态 过渡工作过程中及稳态工作时各电量的波形图，同时算出了电路稳态工作时各 电量之间的数值关系。 本论文的内容安排如下： 第一章，引言。主要概述了感应加热电源的发展及感应加热用中频电源的 分类，同时提出了负载感应器的等效电路模型。 第二章，传统全桥串联谐振感应加热用中频电源。在分析了串联谐振电路 及其自然特性的基础上，通过对其电源等效主电路工作过程的定性和定量分析， 总结出串联谐振逆变电路的特性。 第三章，传统并联谐振感应加热用中频电源。在分析了并联谐振电路及其 自然特的基础上，通过对其电源等效主电路工作过程的定性和定量分析，总结 出并联谐振逆变电路的特性。 第四章，电流源型半桥式感应加热用中频电源。在对其等效电路工作过程 进行定性分析的基础上，进一步从起动一暂态一稳态的瞬态工作过程进行分析 8 第一章引言 列出四阶微分方程、求解，并借助c 语言程序，绘制出该电路从暂态向稳 态过渡工作过程中及稳态工作时各电量的波形图，同时算出稳态工作时各电量 之间的数值关系。通过与1 2 0 0 k w 样机实验测量波形和数据进行对比分析，不但 验证了该等效电路模型的合理性，也从理论计算上证实了该电路与传统并联谐 振相比，具有“o 值越高输出功率越大 的反常功率输出特性。 第五章，总结与展望。 9 第二章传统全桥串谐振感应加热用中频电源 第二章传统全桥串联谐振感应加热用中频电源 串联谐振逆变中频电源线路结构简单，起动容易、可靠，适应于需要经常 起动而负载品质因数变化不大的场合，如淬火、锻件加热和粉末金属烧结等工 艺【1 3 】。 第一节串联谐振电路及其自然特性 对于串联谐振负载电路，为分析方便，把感应器等效为电阻r 和电感l 串 联形式，等效电路如图2 1 所示。将角频率为c o 的正弦电压”加到串联补偿负载 电路时，感应器中的电流等于电源电流f ，电路中电感的电压相位超前于电阻上 的电压9 0 度，电容的电压相位滞后于电阻上的电压9 0 度。 图2 1 串联谐振负载等效电路 图2 1 所示电路的电压方程式为： “2 “c + “且+ 吒 则相应的复数形式可写成： =c+朋一c去+=-e+(一111u u u urj m l ) rc o l =izcoc c a c = c +足+工= ，( 二+ = + ，i 一 = 、 。l - = r j ( c o l 一丽1 z r c o l ) 一l z i = 小昌 其中，z 为串联负载电路总阻抗，u 和1 分别为j 下弦电压“和电流i 的有效值。 1 0 第一二章传统全桥串谐振感应加热用中频电源 由上述公式易知，在缈三= 历1 时，乞虚部为零，| z l 最小，在总电压u 给定 后，电流最大，串联电路的电压与电流同相位，即负载此时呈纯电阻性，电容 上的电压与电感上的电压大小相等，方向相反，我们称该状态为串联谐振状态。 谐振角频率为： = 击 ( 2 1 ) 谐振频率为： ， 1 厶2 蕊 谐振时的负载阻抗z o 为： z o = l z o i = r 谐振时的电路电流有效值厶为： u u 厶。乏2 一r 2 1 1 串联谐振电路的品质因数( q 值) 若如图2 1 的串联补偿负载电路通过如下的电流激励： f ( f ) = 厶c 0 s 研 电容两端电压为： 以垆去c o s ( 咖三) = 差s i n 研 则电容和电感上的储能及二者总储能为： 舻三嘲轳三磊咖2 硝 睨( f ) = 1 2 f 2 ( f ) = 三u 己c o s 2 研 ( r ) = 呒( f ) + ( r ) = 三丘( 三c o s 2 倒+ ：石s i n 2 纠) 因在谐振状态下 缈= = 去 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 第二章传统全桥串谐振感应加热用中频屯源 哪) 杀珥暮 而每周期电阻上的消耗的实功为： = 最矗= ( 隽) 2 尺筹= 芝1 巧r 瓦2 z 将嵫、的表达式代入谐振电路品质因数( q 值) 的定义式1 7 】 d ：2 万墅 可得串联谐振电路的品质因数( q 值) 为： q = 2 z w s = 警2 硒1 r 抬 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 在该串联电路中，电阻是耗能元件，它把电磁能转化为热能，电容和电感 是储能元件。电容储存能量于电场中，电感储存能量于磁场中，在电路振荡时， 二者时而把电、磁能储存起来，时而放出，彼此交换能量，而不消耗能量。 1 嵫= 刍是在谐振状态下稳定地储存在电路中的电磁能，这能量是在谐振电路 z 开始接通时经历的暂态过程中由外电路输入给它的。为了维持振荡，外电路需 要不断地输入有功功率，用以补偿的损失，但在谐振状态下无需再供给无功 功掣17 1 。 2 1 2q 值与串联谐振电路电压关系 串联谐振电路的品质因数为： q = 去= 警= 雄 电路谐振时，电阻上复数形式电压【，走和有效值u r 为： u 旯：i o r ：u u r = 1 0 r = u 电路谐振时，电容上的复数形式电压u c 和有效值以为： 移c2 面i = 丽u = 一j q u ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 第二章传统全桥串谐振感应加热用中频电源 2 嘉2 蒜叫 亿 电路谐振时，电感上的复数形式电压矽l 和有效值为： u l = j o o l i = 雠关= j q 疗 ( 2 1 7 ) 矾= 砜= l 百u = q u ( 2 1 8 ) 所以，电路谐振时，各元件电压关系为： u c = 一u 工= 一j q u ( 2 1 9 ) = = q u = q ( 2 2 0 ) 由上面的关系式可知，在谐振状态下电源电压全部加在电阻上，电容和电 感上的电压大小为电源电压大小的q 倍且电压极性相反。因此，串联谐振电路 常称为电乐谐振申路。 第二节电源等效主电路工作过程分析 2 2 1电源主电路结构及等效电路 传统全桥串联谐振中频电源主电路如图2 2 所示，它包括全控整流桥 互一瓦、滤波器( 滤波电感厶和滤波储能电容q ) 及单相逆变桥s c r , - s c r 4 、 续流二极管q 一见、负载感应c o i l 和补偿电容c 组成的逆变器。 k t lt lb -f 2 。 i z i zi s e r i5! d t 】【 s c r 21ed 22 a 1 j b e d 一 cc o i l h 、，、 c _f 2 i s c r ，xz p ，2ls c i l ! d 4 2_ 玛 乃t 2 图2 2 传统全桥串联谐振中频电源主路 三相晶闸管全控整流桥将工频交流电整流成脉动的直流电，可以通过调 1 3 第二章传统全桥串谐振感应加热用中频电源 节直流电压来调节负载电流。由滤波电感厶和滤波储能电容a 组成的滤波 器把工频网络和中频网络隔开，由于电容很大，可以认为其两端电压是平滑的 直流电压e 。在电路还没开始工作前，电容。就通过电网储能，以便于逆变电 路的起动。逆变器将平滑的直流电压逆变为中频方波电压，加到负载振荡电路 两端，负载电路中的感应线圈将能量传给负载，进行感应加热。对补偿电容与 感应器串联的负载电路，为分析方便，通常把感应器( 即炉体负载) 等效为电 阻和电感串联形式。据上所述，传统全桥串联谐振中频电源主路可以等效为图 2 3 所示。 s c r 】sed li s c r 21! d 2 2 c o i l 夕 章糕 1 瞄i = 翌； s c r 3 d 3 j【s c !zd 4 i 图2 3 传统全桥串联谐振中频电源主路等效图 2 2 2 等效电路工作过程定性分析 逆变器输出的中频电压的频率受负载振荡电路控制，工作频率略低于谐振 频率。中频方波电压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，振荡电路呈低阻抗，比基波频率高几倍的谐波电压加到串联 振荡电路时，振荡电路呈高阻抗，所以方波电压加到串联振荡电路时，感应器 负载中流过的电流实际上接近正弦波【1 3 】。 如图2 3 电源工作时，轮流触发s c 冠、s c r 4 和犯心、s c & 使负载得到中 频电流，其工作过程如下： 第一阶段：首先触发晶闸管s c & 、s c r 4 ，电流走向e + 一s c r , 一c r l s c r 4 一e 一，此时补偿电容c 充上了左正右负的电压。 第二阶段：由于中频电流波形为正弦波，当电流过零改变方向时，电流就 通过与s c r , 、s c r 4 反并联的续流二极管d l 、见续流，同时给s c r , 、s c r 4 加上 了反压，使s c r , 、s c r 4 关断。 第三阶段：等配r 、s c r 4 完全关断后，我们触开晶闸管s c r 和s c & 。此 1 4 第二章传统全桥串谐振感应加热用中频电源 时由于晶闸管s c 砭、r 两端均加有正压，因此马上就能导通。s c 心、s c 恐 的开通，使得通过续流二极管d 1 、现中的电流迅速降为零，整个回路电流走向 为：e + 一s c 心一l r c 一s c 足一e 一，电容c 开始反充电，充上左负右正的 电压。 第四阶段：当中频电流过零再一次改变方向时，电流将通过续流二极管n 、 d 3 续流，同时给s c 心、s c & 加上反压，使晶闸管叱及、s c r 3 关断。 第五阶段：当双巩、s c & 关断后，我们触开黜l 、s c r 4 。s c r , 、s c r 4 的 开通导致续流二极管d 、从中不再通过电流，整个回路电流走向为：e + 一s c r , 一c r l s c r 4 一e 一，电容c 开始充电，充上左正右负的电压。 以后开始重复以上过程。 由上述分析可知，当中频电流过零改变方向时，续流二极管在续流过程中 给工作中的两只晶闸管加上反压，使它们自动关断，而另外两只晶闸管在前两 只晶闸管关断后才被触发导通，故串联谐振逆变器为负载电流自然换流过程【1 9 】。 2 2 3 等效电路的瞬态分析 假设晶闸管为理想开关器件，电流过零时刻就进行工作晶闸管的转换，此 时可以忽略续流二极管。电源工作时，s c r , 、s c r a 和& r 、s c r , 交替触发导 通一次为一个工作周期，假设s c & 、s c r 4 导通时为上半周期如图2 4 ( a ) ，黝：、 s c & 导通时为下半周期图2 4 ( b ) ，相关电气变量有u c 、u 胃、之。根据电容 两端电压，流过电感具有连续性，不能突变，我们选取u c ( t ) 、f ，( f ) 两个电量作 为系统状态变量，对其等效电路进行数学分析，先列出对应的暂态微分方程， 再采用数值迭代的方法求解各个系统状态变量，即上半周期系统状态变量的末 值作为下半周开始工作的初值，下半周期系统状态变量的末值作为上半周开始 工作的初值