（电力电子与电力传动专业论文）关于增强自然换流型晶闸管逆变电源抗干扰性的研究.pdf

a b s t r a c t t h en a t u r a l l yc o m m u t a t i n gs c ri n v e r s ep o w e rs u p p l yw h i c hw eh a v ed e s i g n e di sa n e w - t y p e da n dp r a c t i c a lm e d i u mf r e q u e n c yp o w e rs u p p l y i tc a l lt h o r o u g h l ys o l v et h e o v e rh i g hv o l t a g ep r o b l e mc a u s e db yt h ea c c u m u l a t i o no ft h ec a p a c i t o rv o l t a g ei nt h e t r a d i t i o n a ls e r i e sr e s o n a n c ei n v e r s ec i r c u i t a tt h es a l t l et i m e ，i tc a ne f f i c i e n t l y o v e r c o m et h ei n i t i a lr e s o n a n c ed i f f i c u l t ya n di n v e r s eo v e r t u r ni nt h et r a d i t i o n a l p a r a l l e lr e s o n a n c ei n v e r s ec i r c u i t t h e r e f o r e ，i tp r o v i d e sam e t h o df o rt h em e d i u m f r e q u e n c yp o w e rs u p p l yt oi m p r o v ei t sp o w e r h o w e v e r , t h es e l f - i n t e r f e r e n c eo ft h e n a t u r a l l yc o r n m u t a t i n gs c r i n v e r s ep o w e rs u p p l yi ss os e r i o u st h a tt h ep o w e rs u p p l y c a l ln o tw o r kp r o p e r l yw i t ht h ec o m n l o nt r i g g e rc i r c u i t s i nt h i st h e s i s ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h en a t u r a l l yc o m m u t a t i n gs c ri n v e r s e p o w e rs u p p l yi sa n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ls e r i e sr e s o n a i 】l c ei n v e r s e p o w e rs u p p l ya n dp a r a l l e lr e s o n a n c ei n v e r s ep o w e rs u p p l y , t h e nt h er e a s o no f s e l f - i n t e r f e r e n c ei sf o u n do u t t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f af e wk i n d so f t r i g g e rc i r c u i t s o fs c ra r ea n a l y z e da n dt h et r i g g e rw a y sa r ew e l lc o m p a r e d ，t h e nat r i g g e rc i r c u i t p r o p e rt ot h en a t u r a l l yc o m m u t a t i n gs c r i n v e r s ep o w e rs u p p l yi sf o u n do u t i nv i e w o ft h ei n t e r f e r e n c ea tt h ei n t e r f a c ep a r tb e t w e e nt r i g g e rc i r c u i ta n ds c ri ss o m e h o w g r e a t e r , w ed e s i g n e da l li n t e r f a c ec i r c u i tw h o s ea n t i i n t e r f e r e n c ei sp e r f e c t b yt a k i n g t h em e a s u r e sa b o v e ，w eh a v ep u ta ne n dt ot h ep r o b l e mo fs e l f - i n t e r f e r e n c eo ft h e n a t u r a l l yc o m m u t a t i n gs c ri n v e r s ep o w e rs u p p l y k e y w o r d s ： t h en a t u r a l l yc o m m u t a t i n gs c ri n v e r s ep o w e r s u p p l y i n t e r f e r e n c e t r i g g e rc i r c u i t i n t e r f a c ec i r c u i t 第一章综述晶闸管中频电源的干扰及抑制 目前广泛应用于感应加热领域的晶闸管中频电源是一种高效节能的设备，它 具有制造周期短，安装简单且易于实现自动控制等优点。然而，中频电源的运行 环境比较恶劣，电路中的大电容和大电感会产生较大的电磁波，容易产生干扰信 号；有些电路在工作过程中自身也会产生干扰。本章就晶闸管中频电源会出现的 一些干扰问题以及采取的抑制干扰的措施进行综述。 、晶闸管正向电压上升率d u d t 晶闸管处于关断状态的时候，如果它的阴极电位下降非常快，或者阳极的电 位上升非常快，就会使它的正向电压上升率d u d t 变大。如果正向电压上升率d u d t 的值超出晶闸管的额定值，就会使晶闸管误导通。在这里首先分析一下为什么正 向电压上升率d u d t 太大时会使晶闸管误导通。如图1 1 所示，可以把晶闸管的 分布电容看作两部分，一部分是阳极a 与控制极g 之间的电容c l ，另一部分是 控制极g 与阴极k 之间的电容c 2 。 g k 吲卜电j 图1 - 】 晶阋管电容分布示意图 在晶闸管处于关断状态的时候，c 1 和c 2 可以起到阻断正向电压的作用。但 是在晶闸管两端旌加正向电压的过程中，会有充电电流流过c 1 和c 2 ，同时正向 电压会分压在c l 和c 2 上，如果电压上升率太大，则流过c 2 的充电电流与加在 c 2 上的正向电压就会起到触发信号的作用，使晶闸管导通。 种常用的抑制电压上升率d u d t 的电路如图1 2 所示。 图1 - 2 抑制电压上升率的电路 图中在晶闸管的阳极和阴极之间并联了一个由电阻r 和电容c 串联的支路， 在晶闸管工作过程中，利用电容c 两端电压不能突变的特点来限制电压上升率。 ， 电阻r 的作用是防止电容c 与阳极主回路的电感产生串联谐振。 图1 3 是另外一种常用的方法，用来解决电压上升率太大的问题。 图l 一3 解决d u d t 太大问题的方法 图中在晶闸管的控制极和阴极之间并联了一个电容c 。在图卜l 中，把控制 极与阴极之间的p n 结的结电容看作c 2 ，那么图1 3 相当于又给c 2 并联了一个 电容c ，相对于c l 和c 2 ，c 的电容值要大得多。此时再给晶闸管加正向电压， 由前所述，会有充电电流从c 2 流过。但是由于c 与c 2 并联，所以c 会起到分 流作用，并且因为c 远大于c 2 ，所以电流的大部分会从c 流走，这样流过c 2 的电流就会很小。另外，c 与c 2 并联后，它们台在一起的电容值要远大于c 1 ， 所以正向电压在给它们分压时，绝大部分电压都降在了c 1 两端，c 2 两端的电压 就小得多了。可见，通过在控制极与阴极之间并联电容c ，在正向电压上升的过 程中，既可以减少流过控制极到阴极的电流，又可以降低施加在控制极和阴极之 间的电压，抑制了晶闸管的误导通。 从上面的分析可以得出，并联电容c 的值越大，晶闸管的保护效果就越好。 但是c 的值是不能够无限增大的。因为电容c 不只是能抑制由于正向电压上升 率d u d t 引起的干扰信号，而且还会抑制由触发电路施加给晶闸管的有用信号。 此外，电容c 还会影响触发信号的前沿陡度，使前沿变得平缓，当多只晶闸管 串联或者并联工作时，前沿平缓的触发信号会导致晶闸管不能同时导通影响晶 闸管的正常工作。所以在实际应用中，应该根据不同的电压上升率和触发信号， 选择一个比较合适的电容值。 二、触发电路抗干扰性的分析 在晶闸管中频电源工作过程中，晶闸管的可靠导通是系统稳定运行的保证。 为实现预定的控制目的，触发电路根据控制信号的要求按照一定的频率把触发脉 冲加入到晶闸管的控制极与阴极，使晶闸管导通。触发电路作为系统的重要组成 部分，其工作稳定性往往决定逆变电路能否可靠运行。 由于晶闸管中频电源逆变电路的工作情况不同，对触发脉冲频率的要求也不 同，一般分为两种：其一是触发脉冲频率超前于负载频率：其二是触发脉冲频率 滞后于负载频率。另外，根据触发电路产生触发脉冲的差别，可以把触发电路分 为自激与它激两种方式。自激方式是指触发脉冲形成电路的信号来源于负载；它 激方式是指触发脉冲形成电路的信号不是取自负载，而是由设在本机内的电子振 荡器提供。 下面介绍几种触发电路，并对它们的抗干扰性进行分析。 1 、电压电流合成电路 图i - 4 是电压电流合成电路的原理图及波形。图中的电压信号u 和电流信号 i 都是从逆变电路的电容上获取的，所以它们的相位差为9 0 度。通过互感器让它 们在可变电阻r v l 和r v 2 上产生压降。随着u 和i 的变化，ur v l 和u r v 2 也会跟 着一起变化。在波形图中的t l 时刻，u r v l 大于u r v 2 ，所以三极管t 5 会关断，同 时t 6 导通，它的发射极变为高电位，经过c 5 和r 1 2 组成的微分电路，在t 7 的基极产生一个正脉冲，再经过t 7 和t 8 的电流放大，这个脉冲最后通过变压 器送到了g 2 和k 2 端，触发了一路晶闸管。在波形图中的t 2 时刻，1 1 r v l 小于l i r v 2 ， 所以三极管t 1 会关断，同时t 2 导通，它的发射极变为高电位，经过c 2 和r 5 组成的微分电路，在t 3 的基极产生一个正脉冲，再经过t 3 和t 4 的电流放大， 这个脉冲最后通过变压器送到了g 1 和k 1 端，触发了另一路晶闸管：在波形图 中，触发时刻t l 和t 2 可以通过调节r v 2 来实现：r v 2 变化，h r v 2 也会随着变化， 那么它与u r v l 的交点也就不同了，于是改变了触发时刻。 i u r v 2h r v i 了q 住 义7 图1 4 电压电流合成电路及波形 g l k l g 2 l ( 2 电压电流合成电路属于自激触发电路，它的控制信号来自逆变主回路电容两 端的电压和流过电容的电流。一般来说电容器两端的电压变化平缓，但是流过它 的电流可能有波动。电流里一旦有干扰信号产生，就会进入触发电路影响发出触 发脉冲的时刻，进而影响逆变电路的工作频率。互感器也可能被逆变电路产生的 电磁波干扰。所以电压电流合成电路的抗干扰能力不是很好。 2 、定角电路 定角电路是一种常用的触发电路，一般用于要求频率超前的触发电路中。所 谓定角是指系统在工作过程中，保持恒定的超前触发角且。中频电源对磁性材 4 料加热的过程中，负载频率会有一些变化，但是只要1 3 固定，就可以有固定的 换流和关断时间，使系统可靠运行。 u 1 ( a ) o 图l - 5 定角触发电路原理图 磷 廿 v c c 图1 - 6 定角触发电路波形 图l 一5 是定角触发电路的原理图。其输入信号u l 从负载电路获取，经过隔 离变压器t v 转化为信号u 2 。二极管d l 对u 2 进行半波整流，半波整流电压1 1 a o 经电阻r 1 、r 2 分压。r 1 两端电压u r l 对电容器c 进行充电，使c 电压l l c 保持 一j o o u r l 的峰值。待u a o 过峰值后，t l r l 开始按正弦规律下降，见图i - 6 ( b ) 。此时，d 2 因承受反向电压而截止。直至b 点时刻，u a o = u c 。过了b 点，u c 大于u a o ，c 经d 3 和三极管t 的基极一发射极p n 节放电。t 因流有基极电流而导通，其集 电极电位由u o 降至0 ，直到电容器的放电电流不再使t 导通，t 便截止，集电 极电位叉回复到v e t ，其输出脉冲见图1 6 ( c ) 。由图可知，此脉冲的产生时刻恰 好是对应超前触发角b 。于是有 s i n f l = 生垃( 1 1 ) u a o m 式中的u r i 。和u a o 。分别是u r l 和t t a o 的峰值。 由于“r l m = 黼，所蚰咿志硎 = s i n “= 竺磊 ( 1 - 2 )。 r 1 + r 2 、 式1 2 表明，b 仅由r 1 、r 2 的分压比所决定，与电路的其它参数无关，这 就是说只要改变r l 与r 2 即可调整所需要的b 值。这就是定角触发电路的控制 原理。定角电路属于自激触发电路，它的控制信号从负载获取，然后固定一个角 度超前触发晶闸管。如果从负载获取的控制信号中有干扰成分，使u 1 的波形不 再平缓，那么触发电路中的定角就会发生变化，于是影响了触发晶闸管的时刻。 有可能导致逆变颠覆。此外，隔离变压器处于逆变电路环境中，受到的电磁波影 响也比较大，容易产生干扰信号。所以定角电路的抗干扰性能不是很好。 3 、输出频率滞后于负载频率的一种触发电路 下面介绍一种专门用于输出频率滞后于负载频率的触发电路。它的电路原理 及波形如图1 7 所示。图中的输入信号n 负脉冲有效。当主电路逆变部分的 路晶闸管关断后，与它反并的续流二极管就会导通，使用电流互感器采集该续流 二极管导通后的电流信号，经过反相整形后变成脉冲作为触发电路的输入信号。 电路图中的4 0 9 8 集成块是单稳态集成电路，上升沿有效。在t l 时刻，v i n 信号 到来，于是第一个4 0 9 8 被正脉冲触发工作。产生高电位，高电位的持续的时间 是从t l 到t 2 ，时间的长短由c 1 和r 6 的值控制，这是为了给这路晶闸管提供足 够的时间，让它可靠的关断。接着从t 2 时刻开始，第一个4 0 9 8 单稳结束，产生 一个负跳变，经过反相后，给第二个4 0 9 8 正脉冲信号使其工作，于是第二个4 0 9 8 v i n 续流二极管 l t 1 2 l 3 r o v k ：，i ：；一 图l 7 一种输出频率潦后于负载频率的触发屯路 7 产生高电位，持续的时间是从t 2 到t 3 ，这段时间用来做脉冲信号，此信号触发 另一路的晶闸管。在t 2 到t 3 的时间段内，由恒流管s i 和电容c 3 做一个锯齿波 电压，与比较器7 4 1 的同相输入端相连，7 4 1 的反向输入端连着一个控制电位 v k ，当锯齿波电压高于v k 时，就会有脉冲信号v o u t 输出，所以可以通过调节 v k 的电平高低在一定范围内控制输出脉冲的频率，从而控制逆变器的功率发挥。 当v k 的电平一定时，触发脉冲的滞后时间也固定在某个值。 这个电路属于自激触发电路，它的控制信号从与晶闸管反并的续流二极管中 获得。这个电路对晶闸管的安全关断采取了保护措施，但是它受续流二极管的电 流影响很大。有时候续流二极管会在其它时刻有电流流过，那么该触发电路就 会发出错误的触发信号。另外，逆变电路产生的电磁波对这个触发电路也有影响。 4 、t o t 触发电路 上述几种触发电路的控制信号都是来自逆变负载电路，因此对逆变负载电路 的信号变化十分敏感。负载电路中有有用的信号，也有干扰信号，但是触发电路 不能做出判断，它接收的实际上是有用信号和干扰信号的叠加信号。负载电路在 工作过程中频率会发生一些小的变化，但是这个变化过程十分缓慢，它不会在一 个周期内表现出明显的频率变化，而是要经过很多个周期才能体现出来。所以触 发电路给出的触发脉冲，其频率变化应该是非常缓慢的。但是，干扰信号是没有 规律的，它可能变化快，也可能变化慢。而那些变化快的高频干扰信号会使触发 电路输出高频的触发脉冲，这就影响了逆变负载电路的正常工作。 所以我们希望有一种抗干扰性能非常好的触发电路，它对控制信号不是很敏 感，不会随着控制信号的变化迅速变化，而是缓慢的变化，这样就可以抑制高频 干扰信号对电路的影响，使逆变器可以稳定的运行。 t o t ( t u r no f ft i m e ) 电路应用于晶闸管的触发电路，可以较好的解决这个问 题。t o t 电路的种类很多，既可以用于频率超前的触发电路，也可以用于频率滞 后的触发电路。下面介绍一种t o t 电路，它的频率滞后于负载频率。 如图卜8 所示，该t o t 电路结构较为复杂，其中集成块4 0 4 6 是压控振荡集 成电路，由它输出的矩形波经过整形变为相位相差1 8 0 度的脉冲，从o u t l 和 o u t 2 端分别输出，作为触发信号分别加到逆变器的上下两路晶闸管。k 是输入 信号，当流过o u t i 控制的晶闸管的电流为零时，k 会有正跳变。由t 1 、t 2 、 嫠掣餐帚芒昌蕾-l固 t 3 、t 4 以及相应的电容电阻组成一个双稳态电路，当k 有正跳变时，会使t 5 的基极产生高电位，于是a 点为高电位。但是当由o u t 2 控制的晶闸管导通时， a 点的电位会降为零。所以a 点为高电位的时间段为一路晶闸管关断到另一路晶 闸管导通的时间。当a 点的电位为零时，d 点和e 点的电位也为零。这样t 6 、t 7 、 t 8 就不会被影响。4 0 4 6 的控制电压由r 3 4 一r 3 8 这些电阻分压后，经t 9 射极电 压跟随而来。在逆变器刚开始工作的时候，流过晶闸管的电流较小。k 点不会有 信号，所以a 电保持低电位，d 点和e 点也保持低电位，于是压控振荡器按照由 r 3 4 - - r 3 8 决定的分压值进行工作。但是随着流过晶闸管的电流逐渐增大，k 会 有正跳变，于是a 点会变为高电位。在a 点为高电位期间，调节u k 的电位， 会使d 点或者e 点变为高电位，这就会对4 0 4 6 的控制电压产生影响。当d 点为 高电位时，t 8 导通，于是c 6 通过t 8 放电，c 6 两端的电压降低，这样会使4 0 4 6 的控制电压降低，从而降低输出频率。当e 点为高电位时，t 6 导通，t 7 也跟着 导通，于是v c c 通过t 7 给c 6 充电。c 6 两端的电压升高，这样会使4 0 4 6 的控 制电压升高，从而提高输出频率。 图1 9 是t o t 触发电路的波形图，图中假设逆变器的上下两路晶闸管分别 是s l 和s 2 ，输出信号o u t l 送给s 1 ，o u t 2 送给s 2 ，k 的信号是取自s 1 。电 路图中b 点的波形由c 5 和r 1 8 决定，波形图把b 点可能出现的两种波形都表示 出来。分析电路的逻辑，可以看出会有两种情况：其一是a 点的高电位持续时间 比c 点长，当a 点为高电位并且c 点为低电位时，e 点为高电位：其二是a 点的 高电位持续时间比c 点短，当a 点为低电位并且c 点为高电位时，d 点为高电位。 而c 点电位的高低时间由b 点的波形和u k 经过比较器3 1 1 来控制，当c 5 和r 1 8 固定后，调节u k 就可以控制c 点电位的高低时问。由于c 点的电位可以影响输 出频率，所以可以通过调节u k 来调节输出频率。 当负载电路的频率发生变化时，考虑a 点的高电位持续时间比c 点长的情况， 如果频率增加，那么a 点为高电平的时间会变短，c 点的电压波形不变，所以e 点为高电位的时间会变短，于是4 0 4 6 的控制电压降低，输出的脉冲频率也降低， 这样会使负载电路的频率降下来；相反，如果频率降低，那么a 点为高电平的时 间会变长，c 点的电压波形不变，所以e 点为高电位的时间会变长，于是4 0 4 6 的控制电压升高，输出的脉冲频率也增加，这样会使负载电路的频率长上去。再 0 l l 、 l 、 l ，7 一 ， l 广 。 。 r 卜 卜 u k l 。 l 。 厂1 图i 一9t o t 触发电路波形图 考虑a 点的高电位持续时间比c 点短的情况，如果频率增加，那么a 点为高电平 的时间会变短，c 点的电压波形不变，所以d 点为高电位的时间会变长，于是4 0 4 6 的控制电压降低，输出的脉冲频率也降低，这样会使负载电路的频率降下来：相 反，如果频率降低，那么a 点为高电平的时间会变长，c 点的电压波形不变，所 以d 点为高电位的时间会变短，于是4 0 4 6 的控制电压升高，输出的脉冲频率也 增加，这样会使负载电路的频率长上去。可见，这两种情况的结果都是一样的。 k 端接收到信号后，要经过a 点与c 点的电压比较，然后转化为电容充放电 的时间来影响4 0 4 6 的控制电压，然后影响触发脉冲的输出频率，这样的一个过 程对频率的影响是很小的，也就是说输出脉冲的频率对与输入信号不是很敏感， 变化比较缓慢。正是由于这种特性，这个触发电路可以很好的抑制高频干扰信号。 虽然干扰信号是没有规律的，随时都可能出现，但是该触发电路对于输入信号做 出很小的反应，所以不会对主回路的正常工作造成影响。 第二章自然换流型晶闸管逆变电源的干扰及抑制 晶闸管中频电源分为串联谐振逆变电源和并联谐振逆变电源两类，串联谐振 逆变电源在工作中会由于电压累加而出现过高压：并联谐振逆变电源则存在着起 振困难和逆变颠覆的危险。这些问题限制了串联谐振逆变电源和并联谐振逆变电 源的大功率发挥。我们设计的自然换流型晶闸管逆变电源很好的解决了串联谐振 逆变电源和并联谐振逆变电源所遇到的问题，使晶闸管中频电源可以向大型化发 展。然而，自然换流型晶闸管逆变电源也有自身的不足。由于其自身特有的电路 结构和工作方式，在工作过程中会产生很大的自身d u d t 干扰。本章对自然换流 型晶闸管逆变电源的工作原理进行介绍，分析其自身干扰，并且提出抑制干扰的 方法。 一、自然换流型晶闸管逆变电源简介 我们设计的自然换流型晶闸管逆变电源有双重并联谐振逆变电源( 图2 1 ) 和 自然换流型并联补偿晶闸管中频电源( 图2 2 ) 两种。它们的电路图只是在逆变部 分有所不同，一个是l c 并联槽路，一个是电容c ，其工作原理相似。在图2 2 中，自然换流型并联补偿晶闸管中频电源由两个恒流源和相应的并联谐振逆变回 路构成。 l d i 一一厂r 吼j c 。 当 !：ljl jl j a t 旦一b t l 一。、厂一 一 l _ - -一 j = 9 ：jjlj 图2 - 1 双重并联谐振逆变电源 i , d l 一一一 s l 、 ! 二 kj lj c d l =一c 1 ， a c l n c 一 一一 d 2 =：c 2 a-j j 【l d , 29 ：j 图2 2自然换漉型并联补偿晶闸管中频电源 d 3 主电路可以分为整流龟路和逆变电路两个部分。整流电路部分由两个三相 半波晶闸管整流电路组成，图中的上半部分是共阴极的三相半波整流电路，下半 部分是共阳极的三相半波整流电路。整流后的两路脉动直流电压分别与续流二极 管d 1 和d 2 反并联。然后经过平波电抗器l d l 和l d 2 ，形成稳定的直流电流给 逆变电路供电。在这里，可以把它们看作是两路恒流源。与整流电路相对应，逆 变电路也是由两部分组成，其是由c ! 、s i 、d 3 、l 和c 组成，这部分电路由 共阴极的三相半波整流电路经过l d l 提供电流；其二是由c 2 、s 2 、d 4 、l 和c 组成，这部分电路由共阳极的三相半波整流电路经过l d 2 提供电流。其中，l 是感应线圈，它绕在熔炼炉体上，通过电磁感应来熔炼金属，c 的电容量远大于 c i 和c 2 ，它的作用是隔直流。 续流二极管叭和d 2 的作用有两点：其一是阻止晶闸管整流器拉逆变。这样 做的好处是当整流器负载发生剧烈变化时( 比如，中频电源起振时) 整流器的输 出电压比较稳定，从而保证了中频电源有更高的起振成功率。其二是当整流器交 流侧突然断开时，d l 和d 2 可以分别给平波电抗器l d l 和l d 2 续流，避免了平波 电抗器因突然电流中断而产生极高的自感电动势，从而保护了整流晶闸管不被高 电压击穿。 整个电源的主回路工作过程如下：在逆变电路工作前，c 1 与c 2 由恒流源 供电，预先储存了能量。当导通s 1 的时候，c 1 上储存的能量就会通过s l 和负 载释放，在图2 2 中，电感线圈会有从右到左的电流流过。此电流大致按照正弦 4 波变化，当电流为零时，s l 会自然关断，同时d 3 担负起反相续流的作用。这时 可以导通s 2 ，c 2 上储存的能量就会通过s 2 和负载释放，电感线圈会有从左到 右的电流流过，当电流为零时，s 2 会自然关断，同时d 4 担负起反相续流的作用。 在s 2 导通的过程中，恒流源会给c l 充电，使c l 有足够的能量进行下一个循环。 s 2 自然关断后，就可以导通s l ，同时恒流源会给c 2 充电，使c 2 有足够的能量 进行下一个循环。、随着s l 和s 2 的交替导通，电感线圈l 与电容分别完成正负半 波的中频电流谐振。电流谐振可以使s l 和s 2 自然关断，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。谐振电容c 1 和c 2 分别由 两组相互独立的恒流源供电，彼此不发生电压累加，根除了传统的串联谐振中的 过电压问题。 总之，自然换流型晶闸管逆变电源完全解决了并联补偿逆变电路和串联补偿 逆变电路所存在的严重问题，有效的克服了逆变颠覆、起振困难和过电压带来的 危险问题。从而使晶闸管中频电源大功率化和特大功率化可以实现。但是该电源 在工作过程中会产生严重的自身干扰。 二、自然换流型晶闸管逆变电源的自身干扰 我们设计双重并联谐振逆变电路和自然换流型并联补偿晶闸管中频电源都 有十分严重的自身d u d t 干扰，两者自身干扰的原因也是相同的，下面与传统的 串联谐振逆变电路和并联谐振逆变电路进行比较，分析其自身干扰的成因。 首先分析传统的串联谐振逆变电源，如图2 - 3 所示。 l d 厂厂】广 - s t 9 【j lj l d l j巳j ： ab c d ： ”cl ，乙 f 广 d 2 v s 2酆e 二 、j 图2 - 3 传统串联谐振逆变电源 在电路图中，三相电a 、b 、c 经过整流滤波后，在电容c d 两端形成了上正 下负的恒定电压u d ，这里可以把它当作恒压源。假设逆变电路在某时刻工作时， 晶闸管s 1 和s 4 导通，那么电容c 会被充左正右负的电。当s 1 和s 4 关断的时候， d 1 和d 4 就会导通起续流作用。这时a b 两端的电压与u d 相近，s l 和s 4 所加的 反压也非常小。在d l 和d 4 导通的过程中，触发s 2 和s 3 ，d l 和d 4 就会截止， 同时，随着s 2 的导通，s l 的阴极电位会很快下降；随着s 3 的导通，s 4 的阳极 电位会很快上升。于是s 1 和s 4 就会出现较大的电压上升率。一般在晶闸管和续 流二极管的线路上会有磁环等电感性元件来限制电流上升率，以保护晶闸管和续 流二极管。这样做会使换流的时间增加，对减小晶闸管的电压上升率有一定帮助。 通过对主回路进行一些改动，可以达到较好的效果。如图2 - 4 所示。 a b c f _ _ 一广 r s ls 3 1 【】kjl d i jc j c d m v t = ! a 叫竹：“ b 广 厂】厂ljl d 2 ：_ - j：s 2酆 ：j 囝2 - 4 传统串联谐振逆变电路的改进 图中的v t 是一个降压变压器，它的初级线圈接在a b ，次级线圈接在心，次 级线圈的电压比初级线圈的电压低。假设逆变电路工作在某时刻，晶闸管s 1 和 s 4 导通，电容c 被充左正右负的电。a b 两端的电压与电容c d 两端的电压u d 相 近，因此在v t 的次级产生的压降要低于u d ，即州两端的电压低于u d ，四个二 极管都不会导通，所以v t 对电路不会有影响。当s l 和s 4 关断时，电容储存的 电量要通过v t 的初级线圈释放，于是在v t 的初级线圈产生左正右负的高压，v t 的次级线圈压降也会升高，当次级线圈的压降高出u d 时，d l 和d 4 导通，次级 线圈给c d 充电，同时次级线圈的压降也固定在稍高出u d 的一个值于是初级线 圈的电压值也被锁定。这个电压值即a b 两端的电压，它要高于u d ，具体值由v t 的变压比决定。它高出u d 的那部分电压会反向加在s l 和s 4 上，让它们处在较 高的反压下更好的关断。这时触发s 2 和s 3 ，s l 的阴极电位会下降，同时s 4 的 阳极电位会上升，但是由于触发s 2 和s 3 时它们两端都有较大的反压，所以与图 2 - 3 相比。它们两端的电压变为正向需要更长的时间，所以正向电压上升率会减 小得更多。 并联谐振中频电源不会出现正向电压上升率太大的问题，因为并联谐振逆变 电路采用的是强迫换流方式，在触发一路晶闸管时，另一路晶闸管正处于导通状 态，因而不存在晶闸管被误导通的问题。 自然换流型晶闸管中频电源的自身干扰是非常严重的。如图2 2 所示，在电 路的逆变部分，晶闸管s l 的阳极与上半波整流滤波输出后的正电位相连，晶闸 管s 2 的阴极与下半波整流滤波输出后的负电位相连，s l 的阴极与s 2 的阳极相 连，然后和负载连在一起。当s 1 导通时，电容c 1 会通过s 1 向负载放电，电流 波形近似正弦波。当该回路的电流为零时，由于有负载电感l 和续流二极管d 3 的存在，电流不会稳定在零不变，而是会通过d 3 反向流过该回路。这个过程中 s l 关断，它的两端有反压，这个反压就是d 3 的管压降。接着就要导通s 2 以便 让负载在中频交流的状态下工作。在导通s 2 的瞬间，s 2 的阳极电位会被突然拉 低。s 2 的阳极与s 1 的阴极相连，那么在这一瞬间，s 1 两端的电压会由原来的 反向电压变为正向的高压。于是这一瞬间在s 1 两端出现了一个非常大的正向电 压上升率，它将很可能使晶闸管误导通。同样，s 2 关断后，电流会通过d 4 续流， s 2 两端的反向压降就是d 4 的管压降。接着导通s 1 ，s 2 的阳极电位会突然升高， 于是s 2 的两端出现了很大的正向电压上升率。在实际的运行中，s 1 产生的d u d t 会给电路带来很大的干扰，s 2 产生的d u d t 相对要小得多，因为s 1 的阴极和触 发电路与晶闸管的接口部分相连，而接口部分的电路连接强电和弱电，它容易被 晶闸管阴极的电压跳变干扰，产生误触发信号。 上述就是该电路所遇到的自身干扰问题。晶闸管被误触发而导通是特别严重 的问题，因为此时系统不再完全置于控制信号的控制之下。这种误导通引起了不 需要的负载电流的流通，有可能危及晶闸管自身或负载。 l d l f f ， 一 l 娃 d l：c 4 j ： 型i ： l 。c 上 图2 5 没有自身干扰的中频电源电路 2 图2 5 所示所示的中频电源电路，相当于自然换流型并联补偿晶闸管逆变电 源的一半。与自然换流型并联补偿晶闸管逆变电源相比，这种电路结构不会产生 自身干扰，但是它的功率发挥却要小得多。这种电路型式使用三相半波整流，经 电抗器输出恒定电流到负载，而该电路的负载部分相当于我们电路负载部分的一 半。根据该设备逆变电路的结构可以分析出它的逆变电路的工作情况：当逆变晶 闸管s 导通时，电容c l 会通过电感线圈l 和电容c 组成的负载释放电流，当电 流逐渐转变为零时，晶闸管s 关断，负载l 和c 会通过自身的谐振产生反向电 流通过续流二极管d 2 形成回路，同时电源给c l 充电：接着s 再导通，如此一 直循环下去。由于该电路只有三相半波整流供电，其功率发挥要小很多。该设备 的满功率发挥为7 0 0 k w ，自然换流型并联补偿晶闸管逆变电源现在还处于试验阶 段，功率发挥已经达到了10 0 0 k w ，满功率运行预计可以达到2 0 0 0 k w 。 三、自然换流型晶闸管逆变电源的抗干扰措旋 为了抑制自然换流型晶闸管逆变电源的自身干扰，我们采取了有效的措施。 首先，在晶闸管的控制极与阴极之间并联电容，使它可以在不削弱触发信号的前 提下起到抑制晶闸管正向电压上升率的作用。其次，在控制部分使用了抗干扰性 能好的电路。 在触发电路的选取上，考虑到负载电路工作期间可能会有高频干扰，所以选 用了多谐振荡器作为触发电路的频率发生器，而不是从负载获取控制信号。这样 触发电路就不会再受到负载电路的影响。 晶闸管与触发电路的接1 3 部分连接强电和弱电，当晶闸管的阴极电位发生跳 变时，接口电路很容易被干扰，为此，我们对常用的接1 3 电路进行分析，找出被 干扰的原因，并在此基础上设计出抗干扰性非常好的电路。 图2 - 6 是一种常见的接1 3 电路。当触发脉冲i n 到来时，三极管t 会导通， 于是有电流瞬时从变压器v t 的初级线圈流过，在变压器的次级线圈产生感应电 动势，这是相当于一个脉冲信号，这个脉冲信号会触发晶闸管使其导通。图中与 变压器初级反并联的二极管起续流的作用，当触发信号i n 过去后，三极管t 关 断，初级电感线圈上的残余电流可以通过反并联二极管形成的回路流过以避免 出现瞬时高压。v t 在这里起隔离强电和弱电的作用。 瑁ci-e_醢r2 o g k 固t 此接口电路可以应用于一般的中频电源装置，但是，在自然换流型并联补偿 晶闸管逆变电源的晶闸管上使用该接口电路却不能正常工作。在实际的应用中采 集到的波形如图2 7 所示。从图中可以看到，除了正常的触发脉冲信号外，还有 很多其他的干扰脉冲信号，这些脉冲信号随着逆变器的功率发挥增大而增大，严 重的干拢了晶闸管误的正常工作。 在这个接口电路里，我们使用变压器作为隔离器件，变压器的分布电容和耦 合系数等参数直接影响电隔离的效果，而这些参数取决于变压器的形式、结构、 功率、性能、参数和材料( 铁芯、导线、绝缘材料等等) 。虽然对于一般的电路 图2 7 图2 - 6 电路在实际应用中的效果图 来说，变压器是可以安全隔离而不被干扰的，但是对于我们的设备，由于晶闸管 阴极电位变化率太大，变压器会受到干扰而发出误触发信号。在电隔离器件中， 光电耦合器的隔离性能可达2 3 0 d b ，可以说是最好的。所以我们在变压器的基础 上，又加入了光电耦合器作双重隔离，设计出一套接口电路，如图2 - 8 所示。 v c c 图2 - 8 使用光电耦合器的接口电路 2 0 g k 在图2 8 的电路中，电隔离部分包括变压器和光电耦合器，t 1 和t 2 组成达 林顿管，用于放大电流。这个电路的工作过程是这样的：输入信号负脉冲有效， 当负脉冲到达i n 端时，变压器初级线圈便会有电流流过，于是在次级线圈产生 上正下负的电压信号；同时，光电耦合器进入工作状态，这将使达林顿管导通， 这样变压器次级线圈上产生的电压信号就会通过达林顿管电流放大后，射极跟随 输出作为触发信号加到晶闸管的控制极和阴极。 在这个电路里，变压器和光电耦合器只有同时工作，才能成功输出触发信号。 两个元件在电路中所起的作用也是有区别的：对于变压器，可以把它的次级线圈 看作是电源只有当i n 端有负脉冲信号时这个电源才有电压，其它的时间没 有电压：对于光电耦合器，它起的是控制作用，只有让它处于工作状态，达林顿 管才能导通，变压器次级线圈的电源作用才能发挥出来，并发出触发信号，如果 光电耦合器不工作，次级线圈与晶闸管的控制极被三极管t 2 高阻隔离，起不到 作用。 图2 - 9 图2 - 8 电路的输出波形图 下面分析该电路对干扰的抑制。当逆变电路换流时，即晶闸管阴极k 电位 发生突变的时候隔离变压器有可能会被干扰，产生误触发信号，于是在次级线 圈出现上正下负的电压。但是，光电耦合器不会被干扰，所以达林顿管就不会工 作，变压器产生的干扰信号就被三极管t 2 阻断，不会在晶闸管的控制极产生误 触发信号。实践证明这个电路的性能非常好，图2 - 9 是该电路在工作中输出的触 发信号波形。 下面作进一步的分析，晶闸管是在不需要触发信号的时候被触发，才会导致 误导通，而这个误触发信号是加在晶闸管控制极和阴极之间的具有一定功率的脉 冲信号。如果在不需要晶闸管导通的时候，让它的控制极与阴极相连接，形成短 路，那么误触发脉冲信号就会从短路回路中流过，不会再触发晶闸管了。这样就 从根本上解决了干扰问题。在图2 8 电路的基础上做一些改进，就形成了具有上 述功能的新的电路，如图2 1 0 所示。 v c c 图2 - 1 0 图2 - 8 电路的改进电路 在图2 一l o 的电路中，输入端i n 负脉冲有效。如果把图中的光电耦合器g 2 以及三极管t 3 、t 7 、t 8 全部去掉，那么剩下的部分就与图2 8 的电路基本相同 了。在本电路中，新加的这些元器件的作用就是让晶闸管在不需要被触发的时候， 控制极与阴极处在相当于短路的状态，并且该电路的输入端也增加了抗干扰能 力。下面具体分析：当没有负脉冲信号从i n 端输入时，t l 处于工作状态，t 2 关断，t 3 也关断，有高电位给g 2 ，所以g 2 会一直保持在工作状态。于是，在 光电耦合器g 2 的另一端，由t 7 和t 8 组成的达林顿管也处于工作状态，这时候 如果有误触发脉冲信号，那么该信号