（电力电子与电力传动专业论文）高频感应加热电源技术的研究.pdf

浙江大学顾十学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rh a sr e s e a r c h e d1 0 0 k h zh i g hf r e q u e n c ys o l i di n d u c t i o n h e a t i n gp o w e rs u p p l y i nt h ef i r s tc h a p t e r ，i th a si n t r o d u c e dt h eh i s t o r y a n db a s i ck n o w l e d g eo fi n d u c t i o n h e a t i n ga n dt h ed e v e l o p m e n to fp o w e r e l e c t r o n i cd e v i c e sa r ea l s oi n t r o d u c e d f u r t h e r m o r ei ti n t r o d u c e st h ea i m o f m e p a p e r c h a p t e r 2 c o m p a r e sa d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f t y p i c a l i n v e r t e r sn a m e l yc u r r e n t f e di n v e r t e r sa n d v o l t a g e f e di n v e r t e r s ，d i s c u s s e s t h ep r o b l e mo f r a i s i n gs w i t c h i n gf r e q u e n c yo ft h ei n v e r t e r sa n df i n d st h e w a yt o s o l v et h ep r o b l e m s ，a n da n a l y z e s p o w e rr e g u l a t i o nm e t h o d so f i n d u c t i o n h e a t i n gs u p p l ya n dp r i n c i p l eo fr e s o n a n ta n d f d t e r i n g c h a p t e r3a n a l y z e s t h em o d e l so f p a s s i v ee l e m e n t s a f t e rt h e a n a l y s i si th a sg o tt h eg u i d ed u r i n gt h es e l e c t i o no f p a s s i v ee l e m e n t sa n d t h es a m et i m eg o tt h eg u i d eo ft h e l a y o u to ft h ei n v e r t e r c h a p t e r4a n a l y z e st h em a i nc i r c u i ta n ds t r a t e g yo fr e c t i f i e rc i r c u i t i t a l s oi n t r o d u c e st h ef u n c t i o no f d i f f e r e n t p a r t so f c o n t r o lc i r c u i to fi n v e r t e r ， a n d d r i v ec i r c u i t a tl a s tt h ee x p e r i m e n t a lw a v e f o r m sa r ea l s o g i v e ni n t h i sc h a p t e r k e y w o r d s ：i n d u c t i o n h e a t i n g ；p a r a l l e li n v e r t e r ；h i g hf r e q u e n c y 浙江大学硕士学位论文 第一章概述 本章是全文的概述和研究基础，第一节阐述了感应加热技术的基本知识。 主要包括感应加热的发展史、感应加热的特点与应用、感应加热的原理以及 感应加热中的电力电子器件的发展等。第二节阐述了感应加热技术的发展与 现状。主要包括国外、国内感应加热技术现状及将来的发展趋势。第三节阐 述课题的主要内容。 1 1 感应加热技术的基本知识 1 1 1 感应加热的发展史 人们早在1 9 世纪初就发现了电磁感应现象，知道处于交变磁场中的导体内 会产生感应电流而引起导体发热。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的减少这种发热。 十九世纪末，f o u c a u l t 、h e a v i s i d e 以及t h o m o s o n 等人对涡流理论和能量由 线圈向铁芯传输的原理进行了系统的研究，逐步建立了感应加热的理论基础。与 此同时，在1 8 9 0 年瑞典人发明了第1 台有心感应熔炼炉，1 9 1 6 年美国人发明了 “潜沟式”有心感应炉用于有色金属的冶炼，1 9 2 1 年无心感应炉在美国出现， 采用火花式中频电源，后来出现了中频机组电源和现在的晶闸管变频电源。1 9 2 7 年开始采用中频无心炉炼钢；在这期间感应加热的理论逐步系统化，实践应用也 有所收获，而此时在正在广播通讯领域迅速推广的电子三极管也被引进感应加热 技术，以其构成的高频电子震荡器在焊管、淬火等工艺中深受欢迎。二战后，世 界各国工业遭到严重破坏，为了节约能源减少对环境的污染，因此世界各国大力 发展感应加热技术，因此感应加热技术迅速发展，感应加热设备的应用数量逐步 增长，应用范围不断扩大。 五十年代初，国外研制出了静止式电磁倍频器，其输出频率是电网频率的整 倍数，也是一种进行感应加热的装置。但当输出频率倍数大于5 时，倍频器的结 浙江大学硕士学位论文 构比较复杂，与中频发电机感应加热装置相比的优势不大。 五十年代末晶闸管的出现在电力电子学中有着十分重要的意义，由于它的一 系列优点，欧洲各国先后开始研制晶闸管中频装置。1 9 5 6 年瑞士、西德研制成 功晶闸管中频装置，从此打破了中频发电机组在中频无心感应炉中的垄断地位。 自八十年代开始，一系列新型自关断器件如m o s f e t 、i g b t 、s i t 、m c t 等的出现，使电力电子技术向更高频率的应用领域进军。可以预见，随着高频电 力电子技术的迅速发展，在1 m h z 以内，以电力半导体感应加热电源取代落后的 高频电子管震荡器已为期不远。 1 1 2 感应加热的特点与应用 感应加热装置最早使用于表面热处理，以后普及焊接领域和各种透热。现在 感应加热技术已广泛应用于国民经济的各个领域。如表1 1 ，从工业上开始应用 感应加热电源以来，已经过去1 0 0 多年，在这期间感应加热的理论和感应加热装 置都有很大的发展，感应加热的应用领域亦随之扩大，其应用范围越来越广。究 其原因，主要是感应加热具有如下一些特点： ( 1 ) 热温度高，而且是非接触式加热； ( 2 ) 加热效率高，可以节能： ( 3 ) 加热速度快，被加热物的表面氧化少； ( 4 ) 温度容易控制，产品质量稳定，省能； ( 5 ) 可以局部加热，产品质量好，节能； ( 6 ) 容易实现自动控制，省力； ( 7 ) 作业环境好，几乎没有热，噪声和灰尘： ( 8 ) 作业占地少，生产效率高； ( 9 ) 能加热形状复杂的工件； 浙江大学硕士学位论文 表格1 - 1 感应加热电源的应用领域 应用部门 主要用途 黑色、有色金属的冶炼和保( 升) 温；金属材料的热处理：冷 冶金坩埚熔炼、区域熔炼、悬浮熔炼等制取超纯材料；锻造、挤压、 轧制等型材生产的透热：焊管生产的焊缝。 黑色和有色金属零件的铸造和精密铸造金属的熔炼；机器零件 的淬火，特别是表面淬火以及淬火后的回火、退火和正火等热 机械制造处理的加热；化学热处理的感应加热：压力加工( 锻、挤、轧 等) 前的透热，特别是模锻、精锻等；钎焊；对焊；硬质合金 的熔焊；金属涂层及其他场合的加热烘干；热装配等。 轻工罐头封口加热、合成纤维生产中间接加热等。 化学反应釜等容器加热、输油管道焊接缝现场退火，输油管路 石油、化工 的保温等 电子电子管生产中的真空除气时的加热等 工件容易加热均匀，产品质量好。在应用领域方面，感应加热可用于金属熔 炼、透热、热处理和焊接等过程，已成为冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻 和船舶、飞机汽车制造业等不可缺少的能源。此外，感应加热已经或不断地进入 到人们的家庭生活中，例如微波炉、电磁炉、热水器等都是可以用感应加热作为 能源。 1 1 3 感应加热的原理 利用感应涡流的热效应进行加热称之为感应加热。1 8 3 1 年末边勒法拉第 发现的电磁感应是一切感应加热的基础。1 8 6 8 年福考特的“涡流理论”，以及希 维德的“铁芯中电流的感生”论述了能量由绕组向铁芯传输的问题，使感应加热 的应用成为现实。现代感应加热的主要依据是电磁感应、集肤效应和热传导三项 基本理论。 浙江大学硕士学位论文 感应加热的原理图如图1 - 1 所示 f i - 1 感应加热的原理图 如上图，当感应线圈上通以交变的电流z 时，线圈内部会产生相同频率 的交变磁通庐，交变磁通驴又会在金属工件中产生感应电势p 。根据 m a x w e l l 电磁方程式，感应电动势的大小为： p ：盟( 1 1 ) d f 式中n 是线圈匝数，假如庐是按正弦规律变化的，则有： 妒= o 。s i n 删 ( 1 - 2 ) 那么可得到感应电动势为： e = n q ) 。0 9 c o s c o t ( 1 3 ) 因此感应电动势的有效值为： h f n m m e = 。己一= 4 4 4 n f 砸 ， 一 v ( 1 ，4 ) 由此可见，感应加热是靠感应线圈把电能传递给要加热的金属，然后电 能在金属内部转变为热能。感应线圈与被加热金属并不直接接触，能量是通 过电磁感应传递的。另外需要指出的是，感应加热的原理与一般电气设备中 产生涡流以及涡流引起发热的原理是相同的，不同的是在一般电气设备中涡 流是有害的，而感应加热却是利用涡流进行加热的。这样，感应电势在工件 4 浙江大学硕士学位论文 中产生感应电流( 涡流) f ，使工件加热。其焦耳热为： q 2 0 2 4 1 2 r t ( 1 5 ) 式中，q ：电流通过电阻产生的热量( j ) ； ，：电流有效值( a ) ； 尺：工件的等效电阻( q ) ； t ：工件通电的时间( s ) 。 由式( 1 - 4 ) 可以看出，感应电势和发热功率与频率高低和磁场强弱有关。 感应线圈中流过的电流越大，其产生的磁通也就越大，因此提高感应线圈中 的电流可以使工件中产生的涡流加大；同样提高工作频率也会使工件中的感 应电流加大，从而增加发热效果，使工件升温更快。另外，涡流的大小与金 属的截面大小、截面形状、导电率、导磁率以及透入深度有关。 1 1 4 电流透入深度与集肤效益 透入深度的规定是由电磁场的集肤效应而来的。电流密度在工件中的分 布是从表面向里面衰减，其衰减大致呈指数规律变化。工程上通常是这样规 定的，当导体电流密度由表面向里面衰减到数值等于表面电流密度的0 3 6 8 倍时，该处到表面的距离占称为电流透入深度。因此可以认为交流电流在导 体中产生的热量大部分集中在电流透入深度占内。 透入深度占可用下式来表示； 扣s 、南 s ， 式中，p ：导体材料的电阻率( q + 搠) ur ：导体材料的相对磁导率； 浙江大学硕士学位论文 f ：电流频率( h z ) 。 分析一下式( 1 - 6 ) ，当材料的电阻率p ，相对磁导率r 确定以后，透 八深度j 仅与频率的平方根成反比，因此它可以通过改变频率来控制。频率 越高，工作的透热厚度就越薄，这种特性在金属热处理中得到了广泛的应用， 如淬火、热处理等。 1 1 5 感应加热中的电力电子器件的发展 1 9 5 7 年，美国研制出世界上第只普通的( 4 0 0 h z 以下) 反向阻断型可 控硅，后称晶闸管( s c r ) 。经过6 0 年代的工艺完善和应用开发，到了7 0 年代，晶闸管已形成从低压小电流到高压大电流的系列产品。在这期间，世 界各国还研制出一系列的派生器件，如不对称晶闸管( a s c r ) 、逆导晶闸 管( r c t ) 、双向晶闸管( t r i a c ) 、门极辅助关断晶闸管( g a t t ) 、光 控晶闸管( l a s c r ) 以及8 0 年代迅速发展起来的可关断晶闸管( g t o ) 。 由晶闸管及其派生器件所构成的各种电力电子装置在工业应用中主要解决 了传统的电能变换装置中所存在的能耗大和装置笨重的问题，因此电能的利 用率大大地提高了，同时也使工业噪声得到一定程度的控制。目前 i n t e r n e t 上可以查到的高压大电流晶闸管有p o w e r e x 推出的用于高压 交流开关和静止无功发生器用的1 2 0 0 0 v 1 5 0 0 a 的晶闸管 ( h t t p ：w w w p w r x c o m ) 。 1 9 4 8 年美国贝尔实验室发明了第一只晶体管以来，经过2 0 多年的努力， 到了7 0 年代，用于电力变化的晶体管( g t r ) 已进入工业应用领域，由于 g t r 具有自关断能力且开关速度可达2 0 k h z ，在p w m 技术中一度得到了广 泛的应用，并促使装置性能进步提高和传统直流电源装置的革新，出现了 所谓的“2 0 千周革命”，但因功率晶体管存在二次击穿、不易并联以及开关 频率仍然偏低等问题，它的应用受到了限制。 7 0 年代后期，电力半导体器件在高频化进程中一个标志性器件，功率场 效应晶体管( p o w e r m o s f e t ) 开始进入实用阶段。进入8 0 年代，人们又在 浙江大学硕士学位论文 降低器件的导通电阻、消除寄生效应、扩大电压和电流容量以及驱动电路集 成化等方面进行了大量的研究，取得了很大的进展。功率场效应管中应用最 广的是电流垂直流动结构的器件( v d m o s ) 。它具有工作频率高( 几十千 赫至数百千赫，低压管可达兆赫) 、开关损耗小、安全工作区宽( 几乎不存 在二次击穿问题) 、漏极电流为负温度特性( 易并联) 、输入阻抗高等优点， 是一种场控型自关断器件，是目前电力电子技术赖以发展的主要器件之一。 i o o a i o o o v 的v d m o s 已商品化，研制水平达2 5 0 a 1 0 0 0 v ，其电流的容量还有 继续增大的趋势。尽管v d m o s 器件的开关速度非常快，但其导通电阻与u “5 成正比，这就限制了它在高频中、大功率领域的应用。 8 0 年代电力电子器件较为引人注目的成就之一就是开发出双极型复合 器件。研制复合器件的主要目的是实现器件的高压、大电流参数同动态参数 之间的最合理的折中，使其兼有m o s 器件和双极型器件的突出优点，从而产 生出较为理想的高频、高压和大电流器件。目前被认为最有发展前途的复合 器件是绝缘栅双极型晶体管i g b t ( i n s u l a t eg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 和m o s 栅 控晶闸管m c t ( m o sc o n t r o l l e dt h y r i s t o r ) 。i g b t 于1 9 8 2 年在美国率先研制 出样品，1 9 8 5 年开始投产。目前最高电压己达4 5 0 0 v ，最大电流可为1 8 0 0 a 。 m c t 是8 0 年代后期出现的另一种比较理想的器件，目前研制水平为 3 0 0 a 2 0 0 0 v ，l0 0 0 a 10 0 0 v ，最高电压达3 0 0 0 v 8 0 年代期间发展起来的静电感应晶体管s i t ( s t a t i ci n d u c t i o nt r a n s i s t o r ) 年h 静电感应晶闸管s i t h ( s t a t i ci n d u c t i o nt h y r i s t o r ) 是利用门极电场强度改变空间 电荷区宽度来开闭电流通道的原理研制成的器件。 1 2 感应加热技术的发展与现状 感应加热技术从诞生至今，经过近百年的发展，取得了令人瞩目的成果，尤其 是六十年代以后，固态电力电子器件的出现与发展，使感应加热技术和现代化生产 许多方面密切相关，发挥了很大的生产力的作用周此世界各国都十分关注感应加 热技术的发展，并投入了相当的经济支持和技术力量。目前传统的感应加热电源 与固态感应加热电源取长补短，互补共存。 浙江大学硕士学位论文 1 2 1 国外感应加热技术现状 低频感应加热的特点是透热深度深、工件径向温差小，因此热应力小，因 此工件变形小，比较适合大型工件的整体透热、大容量炉的熔炼和保温。目 前，在低频感应加热场合普遍采用传统的工频感应炉。国外的工频感应加热 装置可达数百兆瓦，用于数十吨的大型工件的透热或数百吨的钢水保温。预 计短期内，以固态器件构成的低频感应加热电源在功率容量、价格和可靠性 方面还难以与简单的工频感应炉竞争，虽然其效率、体积和性能均优于工频 炉 在中频( 1 5 0 h z 1 0 k h z ) 范围内，晶闸管感应加热装置已完全取代了传统 的中频发电机组和电磁倍频器，国外的装置容量已达数十兆瓦。 在超音频( 1 0 1 0 0 k h z ) 范围内，早期基本是空白，晶闸管出现以后，一度 曾采用晶闸管以时间分割电路和倍频电路构成的超音频电源。八十年代开始 随着一系列新型功率器件的相继出现，以这些新型器件( 主要有g t o 、g t r 、 m c t 、i g b t 、b s i t 和s i t h ) 构成的结构简单的全桥型超音频固态感应加热 电源逐渐占据了主导地位，其中以i g b t 应用最为普遍，这是因i g b t 使用起来 方便可靠，很受电路设计者的欢迎。1 9 9 4 年日本采用i g b t 研制出了 1 2 0 0 k w 5 0 k h z 的电流型感应加热电源，逆变器工作于零电压开关状态，实现 了微机控制。西班牙在1 9 9 3 年也已经报道了3 6 0 0 k w 1 0 0 k h z 的i g b t 电 流型感应加热电源，欧、美地区的其它一些国家如英国、法国、瑞士等的系 列化超音频感应加热电源也达数百千瓦。 在高频( 1 0 0 k h z 以上) 领域，国外目前正处于从传统的电子管振荡器向 固态电源的过渡阶段。以日本为例其系列化的电子管振荡器的水平为5 1 2 0 0 k w 1 0 0 5 0 0 k h z ，而其采用s i t 的固态高频感应加热电源的水平可达 4 0 0 k w 4 0 0 k h z ，并且在1 9 8 7 年就已开始研制1 2 0 0 k w 2 0 0 k h z 的s i t 电源。欧 美各国采用m o s f e t 的高频感应加热电源的容量正在突飞猛进，例如西班牙 采用m o s f e t 的电流型感应加热电源的制造水平可达6 0 0 k w 2 0 0 k h z ，德国的电 子管高频电源水平约为1 1 0 0 k w ，而其在1 9 8 9 年研制的电流型m o s f e t 感应加 浙江大学硕士学位论文 热电源的容量己达4 8 0 k w 5 0 2 0 0 k h z ，比利时的i n d u c t oe l p h i a c 公司生产 的电流型m o s f e t 感应加热电源的水平可达l m w 1 5 6 0 0 k h z ，美国应达公司的 网页上最近可以看到他们已经推出2 0 0 0 k w 4 0 0 k h z 的m o s f e t 高频感应加热 电源：h t t p ：w w w i n d u c t o i n d c h c o m c h i n e s e h e a t p o w e r m a i 九h t m 。 1 2 2 国内感应加热技术现状 我国感应加热技术从5 0 年代开始就被广泛应用于工业生产当中。6 0 年 代末开始研制晶闸管中频电源。到目前已经形成了一定范围的系列化产品， 并开拓了较为广阔的应用市场。 在中频领域，晶闸管中频电源装置基本上取代了旋转发电机，已经形成 了5 0 0 8 0 0 0 h z 1 0 0 3 0 0 0 k w 的系列化产品。但国产中频电源大多采用并联 谐振逆变器结构，因此在开发更大容量的并联逆变中频感应加热电源的同 时，尽快研制出结构简单，易于频繁启动的串联谐振逆变中频电源也是中频 领域有待解决的问题。 在超音频领域的研究工作八十年代已经开始。浙江大学采用晶闸管倍频 电路研制了5 0 k w 5 0 k h z 的超音频电源，采用时间分隔电路研制了3 0 k h z 的 晶闸管超音频电源。从九十年代开始，国内采用i g b t 研制超音频电源。浙 江大学研制开发的5 0 k w 5 0 k h z 的i g b t 超音频电源已经通过浙江省技术鉴 定。总的来说，国内目前的超音频电源研制水平大致为5 0 0 k w 5 0 k h z ，与国 外的水平相比还有定的差距。 1 2 3 感应加热电源技术的发展趋势 今后，感应加热电源技术的发展趋势主要有以下几个方面： 第一：功率半导体器件的大容量化、高频化将带动感应加热电源的大容 量化和高频化； 目前，感应加热电源在中频段主要采用晶闸管，在超音频频段主要采用 i g b t ，而在高频段除日本采用s i t 以外，世界各国一般采用m o s f e t 作为功率 浙江大学硕士学位论文 器件。这主要是因为s i t 不仅导通损耗高，需要比较大的散热器，而且关断 电压与其通态电流有关。随着新功率器件的高频、大容量化，感应加热电源 高频化的要求日益迫切。而电路拓扑、功率器件的软开关实现及整机布置等 技术也就成为感应加热电源高频化的关键。 感应加热电源的大容量研究可以从两个方面入手：一是器件的串联与并 联技术，对于高频感应加热电源来说，整机的结构布置非常重要，因此串联 与并联器件的数量受到工艺、器件参数和可靠性的限制：二是电源的串联与 并联技术，它是建立在器件串、并联基础上进一部扩大电源容量的有效手段。 目前国内外的大容量电源都采用模块化设计，对整个系统进行集中监控，简 化系统设计，使单模块电源的功率输出能够跟据负载的变化自动分配。对于 不同的变换器拓扑采取不同的均流方案，与串联逆变器相比，并联逆变器的 模块化、大容量化更容易，但多机并联的问题没有解决。目前国内固态感应 加热电源的容量普遍不大，还有许多工作要做。 第二：随着感应热处理生产线自动化控制程度及对电源可靠性要求的提 高，感应加热电源正向智能化方发展； 第三：随着对整个电网无功及谐波污染要求的提高，具有高功率因数低 谐波污染电源也将成为今后发展的一个方向。 随着国外对电网质量要求的提高，各种电源设备都应从自身主动解决对 电网的污染问题。根据设备容量的不同，采取不同的p f c 控制方案。大功率 的感应加热电源一般采用三相可控整流，通过改变整流器的输出电压来达到 调节逆变器输出功率的目的，但由于目前三相p f c 的技术尚不成熟，因此开 发具有功率因数校正功能的三相整流装置将是今后各种电源的一个发展方 向。 小功率感应加热电源的功率因数校正有两种方案：一种是采用单相不控 整流，在逆变器和整流器之间加入带有p f c 功能的d c d c 变换器，通过改变 d c d c 变换器的输出电压来实现逆变器输出功率的调节。目前单相有源功率 因数校正的控制方法主要有九种，需要对这些控制方法进行综合的分析、评 价和比较，然后根据设备容量、性价比和可靠性等因素来选择适合的功率因 数校正方案；另外一种是无源功率因数校正方案，也采用不控整流，在网侧 1 0 浙江大学硕士学位论文 接入适当的小参数无源滤波网络，以提高网侧功率因数和降低谐波，逆变器 的调节方式采用移相调功。有源功率因数校正控制方案的分析和小参数无源 滤波方法的分析与设计。 第四：电源和负载的最佳匹配。由于感应加热电源多用于工业现场，其 运行工况比较复杂，它的负载对象也各式各样，而电源逆变器与负载是一个 有机的整体，它们之间的配置方式将直接影响到电源的功率利用系数，为了 逆变器能够输出最大功率，提高电源的工作效率和可靠性，必须使负载阻抗 与逆变器的功率机器定额相匹配。变压器匹配是一种方案，对于高频和超音 频电源来说，如何选择适合于高频工作的磁性材料和绕组结构，减少高频变 压器的损耗和漏感，提高变压器的传输效率，是目前变压器匹配中高频交压 器设计需要解决的主要问题。另外一种就是无源匹配方案，可以省掉或减少 对匹配变压器的要求。 1 3 课题的主要内容 提高功率变换器的工作频率是电力电子技术发展的必然趋势，也是电力 电子技术进步的重要标志。高频化的结果在提高电力电子设备的功率密度和 改善系统的动态响应的同时，也使功率变换器工作频率与器件特性之间的矛 盾越发突出，导致开关器件和无源器件的损耗提高、寄生参数的影响加大以 及e m i 的增强。近些年来为解决这些问题，研究工作主要集中在新型开关器 件、集成功率模块、新型高频磁元件、新型软开关拓扑和控制等基础研究上。 本文以l o o k h z 并联谐振感应加热电源为主要研究对象，提出了感应加 热电源在高频时要注意的一些问题如管子损耗、引线电感、抗干扰能力差等 以及一些解决方案。在逆变器工作状态的分析基础上，设计了整机的控制方 案，并给出了实验的结果。 浙江大学硕士学位论文 第二章感应加热电源的技术分析 感应加热电源一般由以下几个环节组成： ( a ) 整流器( a c d c ) ； ( b ) 滤波环节( f i l t e r ) ； ( c ) 逆变器( d c a c ) ； ( d ) 负载谐振回路( r e s o n a n tt a n k ) ； ( e ) 保护控制环节( c o n t r o la n dp r o t e c t ) 图2 - 1 感应加热原理框图 2 1 电压型逆变器与电流型逆变器的比较分析 2 1 1 两种逆变器的对偶性 由自关断器件构成的电压型串联谐振逆变器和电流型并联谐振逆变器的电 路拓扑如图2 2 ，2 3 所示。 浙江大学硕士学位论文 垂2 2 串联谴强逆变嚣圈2 3 井联谐振逆变器 从电路原理来看，串联谐振逆变器和并联谐振逆变器在各种变量的波形、电路的 拓扑、还有电路的特性等方面都存在着对偶关系，下面列表加以说明。表2 1 a 电压、电流波形的对偶 串联谐振逆变器并联谐振逆变器 入端电压为直流入端电流为直流 当工作在负载谐振频率时，入当工作在负载谐振频率时，入 端电流为全波整流波形端电压为全波整流波形 输出电压为方波输出电流为方波 输出电流为正弦波输出电压为正弦波 b 电路特性的对偶 串联谐振逆变器并联谐振逆变器 负载阻抗频率特性为串联谐负载阻抗频率特性为并联谐 振特性，因此不宜空载振特性，因此可以空载 短路及直通保护困难短路及直通保护容易 逆变器及负载开路保护容易逆变器及负载开路保护困难 c 电路拓扑的对偶 串联谐振逆变器并联谐振逆变器 入端并联电容c a ( 等效电压入端串联电感l d ( 等效电流 源)源) 负载为r 、l 、c 串联谐振电负载为r 、l 、c 并联谐振电 路路 逆变开关为单向耐压，双向载流逆变开关为双向耐压，单向载流 浙江大学硕士学位论文 从上面三个表格可以看出，理解和掌握( a ) 、( c ) 两表中的对偶关系 有助于分析和比较两种逆变电路的工作原理，而了解( b ) 表中的对偶关系 则有助于正确可靠地设计保护电路。表2 - 2 是串联并联谐振逆变电路的优缺 点。 表2 2 串联并联谐振电路的优缺点比较 串联谐振电路 并联谐振电路 结构简单 结构较复杂 控制相对简单控制较复杂 可采用不控整流 采用可控整流 不宜空载，若空载需加空载保护 可空载运行 无短路保护能力拓扑本身有短路保护能力 p f m 控制时在某些应用下有限 可始终跟踪负载频率变化 制 需高耐压谐振电容，尤其是q 值 没有高压危险 较 开关器件同时流过有功和无功电 流 开关器件只流过有功电流 不需平波电感，体积较小需平波电感，体积较大 从以上串联谐振逆变电路与并联谐振逆变电路的优缺点比较本文选用了并 联谐振逆变器。 ， 1 4 浙江大学硕十学位论文 2 2 常用的软开关技术分析 高频化相应的带来一些问题，主要有两点：一是频率的提高导致开关损 耗的大大增加；二是高频开关过程的丌关应力大，d i d t 和d v d t 高，对器件 不利，同时高的d i d t 和d v d t 将引起器件周围寄生电感和电容之间的高频振 荡，导致了较大的电磁噪声。降低这两个问题的不良影响的有效措施就是采 用谐振开关技术和软开关技术，实现z v s 和z c s 应用于电力电子装置中的功率器件，其包含寄生参数的实际等效结构如图 2 - 4 所示。 r 出b e r c a n u b b 目 图2 - 4 包含分布参数和缓冲元件的器件模型 c 。器件的输出结电容 l l 。d器件引脚电感 c 。，安装结构引起的分布电容 k 。安装结构引起的布线电感 c 。b b 。，、r 。b b e ，、l s n u b b 。，是实际应用中增加的缓冲元件 当图2 - 4 中的s w 以频率f s w 工作于开关状态时，就会产生开关损耗p 。，包括 以下几部分： = ( 乇) u c i + i 1 工。( c 。+ c 。，。2h ) u c j + 圭l ( k + l 伽) j ( 2 _ 1 ) 其中， u s w 开通时刻器件的端电压 ( 也就是c o u t 和c s t r a y 的电压) 丑 丑 浙江大学硕士学位论文 ( 只n ) “ 开通过程中器件电流和器件端压因开关转换引起的损耗； ( ) 一 关断过程中器件电流和器件端压因开关转换引起的损耗。 ( 。) 一和( ) w 不仅与开关过程器件的电流和电压有关，而且与开关频 率成正比。因此整个开关损耗p s w 与开关频率成正比。增加缓冲元件后，可 以适当减少开关过程中u 和i 的重叠，从而使( p o a “和( ) 一有所减小。 除上述损耗问题外，高速开关过程也产生了很大的开关应力和开关噪 音。当开通时刻u s w 不为零时，则c o u t 和c s t r a y 通过s w 和l l e a d 放电， 引起大的d i d t 和器件电流的高频振荡；当关断时刻i s w 不为零时，则l l e a d 和l s t r a y 的电流被迫转到c o u t 和c s t r a y 中，引起寄生电感和寄生电容间的 高频振荡和高的d v d t 。这些高频振荡产生的电磁噪音不仅影响装置自身的控 制系统，还会辐射到周围环境，干扰其它设备的正常工作。图2 - 4 的缓冲元 件正是为了抑制高频振荡而增加的。 要消除器件的寄生参数是十分困难的，但如果能够实现开关点电流和电 压为零，上述问题就可以消除。因此有两种方式： 使开关电流为零的零电流开关模式( z c s ) ，此时： 1 e 。“ ( e 。+ e 。，) u 二 ( 2 2 ) 使开关电压为零的零电压开关模式( z v s ) ，此时： 1 只。正。( 蛔d + 上舢) 二 ( 2 3 ) 根据z c s 和z v s 思想产生的技术主要有两大类：一类是谐振开关技术； 另一类是软开关技术。谐振开关技术主要包括：谐振变换器，谐振型开关， 谐振直流链。 谐振变换器典型结构有两种：就是串联谐振变换器和并联谐振变换器。 在工作时使负载处于谐振状态，在实现了无功补偿的同时创造了零电压或零 电流开关的条件。即在负载电压或电流过零点实行开关转换。 谐振型开关典型结构有两种：一种是采用图2 - 5 ( a ) 型开关的变换器叫 零电压准谐振变换器z v s q r c ；另一种是采用图2 5 ( b ) 型开关的变换器叫 浙江大学硕士学位论文 零电流准谐振变换器z c s q r c 。图中的l r 和c r 是谐振元件，在开关开通关 断时谐振造成零电流零电压条件。 s ( a ) 零电压谐振开关 图2 - 5 谐振型开关 ( b ) 零电流谐振开关 谐振直流技术的两种示例如图2 - 6 所示。图中的负载通常是桥式变换器。 在图2 - 6 ( a ) 中，当l r 和c r 振荡至c r 端压为零时，使辅助开关s 1 导通。在 此期间完成变换器的换流过程，则实现了主控开关的零电压开关状态。但主 控开关的工作周期必须是l r 和c r 振荡周期的整数倍，因此输出电压的可调 节性较差，且主开关的工作电压很高，会达到直流输入电压的2 2 5 倍。为 了提高输出电压的可调性，通常使主控开关的工作周期比l r 和c r 振荡周期 大得多，同时对直流谐振波形进行调制输出，可以适当降低输出电压或电流 的谐波含量，因此谐振直流链通常在u p s 和电机驱动等输出频率不高的场 口口 与常规的p w m 方式相比，谐振开关技术的缺点是：工作于z c s 方式的 器件通态电流峰值很大，因而工作于z v s 方式的器件断态电压峰值很高。 电 压 源 ( a ) 直流电压谐振链 电 流 源 图2 6 谐振直流链技术 l ， s ( b ) 直流电流谐振链 尊 赫 浙江大学硕士学位论文 软开关技术克服了谐振开关技术的缺点。软开关全桥逆变器如图2 7 ，是结 构最简单的一种。但是图2 7 中s 2 关断后，s 3 必须在c 3 电压下降为零后开通。 为确保完成这样的电压换向过程，换相时的负载电流不能太小。否则会恶化管子 的开通。 2 3 谐振电路 2 3 1 串联谐振电路 图2 - 7 软开关全桥变换器 如图2 - 8 所示，电感l 、电容c 、和电阻r 组成串联谐振电路。如将内阻 为零的电源e 2 8 i n 耐加到此电路中，则在电路中将流过电流r 即： ，：l r + j x 图2 8 串联谐振电路 r ( 2 4 ) 浙江大学硕士学位论文 总电抗式中z 一一串联电路的总阻抗； x 一一串联电路的虚部阻抗。 。啦一面1 = 后 剖 沼s ， 1 2 丽 此时，加在各元件上的电压分别是 e r = 1 r 皮：上曼 j c o c z 睡j 毗乏 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 从以上各式中可以看出，电路中电流的最大值出现在x = o 的时候，此时 j 。：旦：墨 r 琶r ：lo r ：妊 毛c o = _ ! = e j e o = 一j q 意o c r 或。= 觯簧= j q e 式中q 称为谐振电路的品质因数 a ：旦点：上 月 。c r ( 2 - i 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 一1 3 ) r 2 1 4 ) 谐振时流过电路的电流和外电源电压同相，因此电路的功率因数c o s 回= 1 。 即： 浙江大学硕士学位论文 月 c o s 口= 一 。 z f 孓磊 ( 2 - 1 5 ) 固定l 、c 和尺值不变，使外电源的频率由0 到。变化，则电路中的电流、 电压和阻抗的变化情况如图2 9 所示。图中的这些曲线称为谐振曲线。当 “= 0 时，相当于直流电流，因受到电容的阻挡，电路中的电流为0 ，全部 电压加在电容上。当“逐渐增大时，容抗尼逐渐减小，而感抗x l 逐渐增大， 但在谐振前( 。 。) 始终保持胗置，电路呈容性，电流随u 的增大而 增加。当电路达到谐振时，电流，达到极大值，这时尼= 五，昂= 最，c o s o = 1 ，电路呈阻性。继续增加。，则因取丑使电流下降，电路呈感性。到。一。 时，感抗完全阻止电流的通过，仁0 ，电压全部加在电感上。从图中可以 嬷 。么 x ， ， 2 - 9 串联电路中各参量随i j 变化情况 看出，丘和易的极大值都偏离了谐振点，那是因为谐振时尽管，达到了极大 值，而m ( 或肋并非最大值，而在u 偏离“。一点点( 即。= u 。或。= 。) 时，虽然，略小，但五( 或鼢相应的大得多，因此，最( 或国反而达 到极大值。更详细的分析表明： o i 2 o j 0 ( 2 一1 6 ) 浙江大学硕士学位论文 氇厮2 q 2 ( 2 - 1 7 ) 如果让上、c 和r 也发生变化，情况又会如何呢，为了研究这一情况，将电 路的阻抗表达式变换为： z = f 石虿= jic o c o o l c ) = 胄蕊 ；：f ( c o ) o ，：墨： z 丽。需 ( 2 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) 式中i = e r 为谐振时电路中电流的有效值， 将上式中儿的值为纵坐标，。“。为横坐标便绘出如图g - 1 0 所示的曲 线。从以上式子中可知，电路中各参数变化时对2 - ( 。) 的影响可完全体现 在p 值上。图2 1 0 就是在几种口值下的谐振她线变化情况，口值越大，谐 振曲线就越尖，电路选择信号的性能就越好，故印被称为回路的品质因数。 图2 - 1 0q 值不周时的谐振曲线 浙江大学硕士学位论文 2 3 2 并联谐振 图2 - 1 1 是将电阻r 和电感l 串联后与c 并联的电路，如将内阻为零的电源 e = e 0 s i n c o t 加到此电路中，则在电路中将流过电流 图2 1 1 并联谐振电路 i ee = 2 r + j o l i c ：旦：i 龟 z 。 工l “c = 志巾c 宫= 些等笋_ 立 因此并联电路的总阻抗为： 一e r 2 + 2 l 2 仁了2 而习死丽硐 电路发生谐振时，上式中的虚部项为零，即： 国2 r c + r 2 c l ：0 因此谐振的角频率为： 厅可 o ) o 啪2 1 瓦一可 ( 2 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) 一般的，谐振时矿z 7 ， 9 0 。的状态称为整流桥的逆变工作状态，其实质是负载向电网反 馈能量。 浙江大学硕士学位论文 - u 口 佃a c日c日c ac b 啊 垒；竺羔曼垒；竺蔓篓 、7 、7 + 一 t 一，7 、，。j j 。、一、。j 釜：盎i i 戈鹾：隈瞵蕊：赋露蕊。一 ? ：一o ：f 一? 。t 一j ，t j 二扣：一：，c 一 l ，这时的 纹波系数为： f = 竺 r 2 - 3 6 ) m c o r c 、 在确定电路要求的直流电压纹波系数之后，我们就可以跟据上式选择合适的c 值了。这样，我们知道如果电感非常大时，整流器的输出电流几乎为恒定值。从 工程的角度来说，在m c o r c 1 的条件下，取： 丽= l (237)mn f 平滑滤波器的电路是多种多样的，但可归纳成电感输入式和电容输入式两大类。 其中最典型的线路是三种。 图2 - 1 6 a 电容滤波器 图2 - 1 6 b 电感滤波器图2 - 1 6 cf 型滤波器 图a 叫做电容滤波器，图b 叫做电感滤波器，图c 叫做r 型滤波器。电容滤波器 电路适合于直流电压较高，负载电流变动小，输出电流不大的小功率电路：电感 滤波电路适用直流电压不很高，而输出电流较大，负载变化较大的情况。f 型滤 波器适用于任何大小负载的电路。 浙江大学硕士学位论文 3 1 无源元件 第三章主要元器件的选择 许多电气教科书中都假设电阻、电容和电感是线性的，如图3 1 所示， 其阻抗为： 对于电阻 对于电容 对于电感 z l r c z ：= v ：r i ( 3 1 ) z ：!(3-2) ， j27 t i c z ：_ v ：j 2 a f l f f c 图3 - 1 理想器件的阻抗特性 ( 3 3 ) 式中：f 的单位是赫兹，z 、v 、i 是矢量。然而，在实际中，所有的器件都 浙江大学硕士学位论文 有寄生电阻、寄生电容、寄生电感。这些寄生参数在低频时通常无关紧要， 但是在高频时起着主要作用