（电力电子与电力传动专业论文）电流型pwm整流器及在感应加热方面的应用研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t c u r r e n t s o u r c ep w mr e c t i f i e ri sc o n s i d e r e da sa “g r e e n ”e l e c t r i c a le n e r g y c o n v e r t e rw i t l lal o to fm e r i t h a r m o n i cc o n t e n to fi n p u tc u r r e n to nl i n es i d ei sv e r y f j w i tc a na c h i e v eu n i t yp o w e rf a c t o ro rm a k ep o w e rf a c t o rb ec h a n g e d i tc a nv a r y o u t p u tp o w e r , a n dt h ed co u t p u tv o l t a g ei sb e l o ws o u r c ev o l t a g e i tc a nr e a l i z e f o u r - q u a d r a n tr u na n da l l o wb i d i r e c t i o n a lp o w e rf l o w b e s i d e st h e s e ，i th a sg o o d c a p a b i l i t yo fo v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o n , t h er e l i a b i l i t yo fs h o r tp r o t e c t i o ni sh i g h i nt h i s p a p e r , c u r r e n t s o u r c ep w m r e c t i f i e ra n di t sa p p l i c a t i o ni nt h ei n d u c t i o nh e a t i n gh a v e b e e nd e e p l ys t u d i e di nt h e o r ya n dp r a c t i c e i nt h eb e g i n n i n g ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h r e e p h a s ec u r r e n t s o u r c ep w m r e c t i f i e r sh a v eb e e nf o u n d e di nt h r e e p h a s es t a t i o n a r yc o o r d i n a t ef r o ml o wf r e q u e n c y a n dh i 曲抒e q u e n c y t h e ye s t a b l i s ht h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ed e e p e rr e s e a r c ho n t h r e e - p h a s e c u r r e n t - s o u r c ep w mr e c t i f i e r s t h ed i s s e r t a t i o n a n a l y z e ss p w m m o d u l a t i o ns t r a t e g yo ft h r e e p h a s ec u r r e n t s o u r c ep w mr e c t i f i e r s ，i ti n t r o d u c e s t r i - l o g i c a ls w i t c hf i m c t i o no f c u r r e n t s o u r c ep w m r e c t i f i e rt h a tc o m e sf r o mb i - l o g i c a l s i g n a lo f v o l t a g e s o u r c ep w m r e c t i f i e r i tr e s e a r c h e st h et r i - l o g i c a ls i g n a l sg e n e r a t i o n a n dt h es w i t c h e s o p e r a t i n gm o d eo ft h r e e p h a s ec u r r e n t - s o u r c ep w mr e c t i f i e r , a n di t d e c i d e st h ez e r o s t a t es e l e c t i o nf r o m s w i t c h i n gc o m b i n a t i o na c c o r d i n g t ot h e m i n i m u ms w i t c hm l e t h i sp a p e ra l s or e s e a r c h e st h ec o n t r o ls t r a t e g y , i ti n t r o d u c e st h e d i r e c tc u r r e n tc o n t r o lm e t h o do ft h r e e - - p h a s ec u r r e n t - s o u r c ep w mr e c t i f i e r a f t e rt h e s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h r e e - p h a s ec u r r e n t s o u r c ep w mr e c t i f i e rw e r es t u d i e d ，t h e p a p e rg i v e sr e s e a r c ho nt h et h e o r ya n dm e t h o do f i n d i r e c tc u r r e n tc o n t r o lp a r t i c u l a r l y a n di n t r o d u c e st h ef e a s i b i l i t ya n dc o n d i t i o n so f u n i t yp o w e rf a c t o rc o n t r o lo nl i n es i d e o nt h eb a s i so f a b o v et h e o r ya n a l y s i s ，i tc o n s t r u c tai n d u c t i o nh e a t i n gs y s t e mb u i l do n t h r e e - p h a s e c u r r e n t s o u r c ep w mr e c t i f i e r i tc a r r i e s t h r o u g h s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h i ta l s og i v e so u tt h ed e s i g no fm a i nc i r c u i ta n di t sc o n t r o l s y s t e m i tp r e s e n t st r i l o g i c a ls p w md i g i t a li m p l e m e n tt e c h n i q u eo ft h r e e p h a s e c u r r e n t - s o u r c ep w mr e c t i f i e r t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l ta l lv a l i d a t et h i s m e t h o dc a nn o to n l ym a k eo u t p u tp o w e rv a r i a b l eb u ta l s oa c h i e v eu n i t yp o w e rf a c t o r a tl a s t ，c o m p a r i n gt ot r a d i t i o n a li n d u c t i o nh e a t i n gt e c h n i q u e ，i ta n a l y z e st h em e r i t s a n dd e m e r i t so f t h i sm e t h o d i tv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t yo f t h i si n d u c t i o n h e a t i n gt e c h n i q u eb u i l do nt h r e e - p h a s ec u r r e n t s o u r c ep w m r e c t i f i e r k e y w o r d s ：c u r r e n t s o a r c ep w mr e c t i f i e r ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ；t r i - l o g i c a l ； s p w mm o d u l a t i o n ；i n d i r e c tc u r r e n tc o n t r o l ；i n d u c t i o nh e a t i n g ；p a r a l l e li n v e r t i n g i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 随着电力电子技术的快速发展，其应用范围不断扩大，已经成为国民经济发 展的重要推动力量，同时也带来了谐波污染和无功功率损耗等问题。为了达到节 约能源、降低成本、减少污染的目的，在电力电子技术的发展中探索一条“绿色” 之路，越来越多的电气设备对电能品质提出了新的要求，世界上各国学者也对电 力电子技术进行了广泛的研究，并取得了丰硕的成果。 谐波和无功的存在对于电网和电器设备产生严重的影响和危害p “一o l ，谐波 电流在输电线路阻抗上的压降使用户端的电压波形产生严重畸变，影响电器设备 的正常工作，谐波可引起供电电网中产生局部的并联谐振和串联谐振，使谐波放 大，形成正反馈，破坏电网的稳定性，引起严重事故，除此之外，谐波还会引起 继电保护和自动装置的误动作，使电能计算出现混乱，还会对通信设备和电子设 备产生严重干扰。 谐波主要的来源之一就是电网中的电力电子装置【3 4 1 ，而各种整流器所占的 比例最大 3 1 ，尤其是现在广泛采用的二极管不控整流器和晶闸管相控整流器【“2 】， 它们向电网注入大量的谐波及无功功率，网侧电流波形严重畸变，因此网侧功率 因数通常较低，谐波含量高，造成严重的电网污染，电网供电质量受到很大的影 响。随着电力电子装置的容量不断增加，应用范围不断扩大，谐波污染问题日益 突出，已经严重影响到电网安全。为此，各国也纷纷制定了电力系统谐波和用电 设备谐波的标准【卜研，我国从1 9 8 5 年起，电力工业部起草工作组作了大量课题 论证工作，同时学习国外先进经验和联系国内实际，完成了g b t1 4 5 4 9 9 3 电 能质量共用电网谐波的制定，并于1 9 9 4 年3 月起实施【9 】。这充分说明谐波 抑制问题已受到学术界和工程界的高度重视，使得谐波抑制成为当前电力电子技 术研究的一个热点方向，同时也有力的促进了谐波抑制问题的研究。 解决谐波和无功功率问题的主要思路有两种：一是在电网侧对已经产生的谐 波和无功功率进行补偿；二是通过对产生谐波的电力电子装置本身进行改造，使 装置的输入正弦电压和电流同相位，不产生谐波也不消耗无功功率。 针对电网的谐波抑制，国内外专家进行了大量的研究。目前主要所采用的主 要方法是装设无源滤波器和有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，a p f ) 【4 1 1 ， 浙江大学硕士学位论文 由于无源滤波器既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，可靠性高、 维护方便，因此得到了广泛的应用，而有源电力滤波器相当于一个谐波发生器， 用于产生和电网谐波大小相等，方向相反的谐波以抵消电网中的谐波。a p f 可以 对幅值和频率都变化的谐波进行动态补偿，使得电网电流只含基波分量，能够跟 踪基波的变化，其补偿效果不受电网阻抗的影响，因而受到广泛重视，是今后谐 波抑制发展的一个重要趋势。 针对无功功率补偿，主要采用的是并联电容器，在调节效果相近的条件下， 并联电容器补偿无功功率的费用要节省得多，不足的是电容器只能补偿固定的无 功功率，在系统中有谐波时，还有可能发生并联谐振，使谐波放大，从而烧毁电 容器。近年来，静止无功补偿装置( s v c ) 和静止无功发生器( s v g ) 获得了很 大发展。 对于作为主要谐波源的电力电子装置来说，谐波抑制和无功补偿都是被动的 方法。积极的方法应该是开发新型变流器或对传统变流器进行改进，使其不产生 谐波，功率因数为1 或可调。这种变流器被称为单位功率因数变流器，高功率因 数变流器可近似看成单位功率因数变流器。 几千瓦到几百千瓦的高功率因数整流器主要采用p w m 整流技术。迄今为止， 对p w m 逆变器的研究已经比较充分，而对p w m 整流器的研究则不够充分，但 是p w m 整流技术已受到各国学者的重视，并且也进行了一些研究，已成为当前 当前电力电子技术研究的一个热点。p w m 整流器可以实现交流侧电流正弦化， 且运行于单位功率因数或者功率因数可调，谐波含量很小，被称之为“绿色电能 变换器”。由于p w m 整流器可以实现能量的双向流动，不但能实现由交流侧电 网向负载传送能量的整流特性，而且能实现由直流侧向交流侧回馈能量的逆变特 性，被称为新型四象限运行的整流器，有效的节约和利用了能源。 根据直流储能元件的不同，p w m 整流器又分为电压型p w m 整流器和电流 型p w m 整流器。三相电压型p w m 整流器和三相电流型p w m 整流器是互为对 偶的二种整流器，均可作为网侧变流器，能得到单位功率因数，减少网侧电流畸 交，并且能够使再生能量回馈给电网。但长期以来，电压型p w m 变流器一直是 p w m 变流器研究的重点。这主要是因为通常的电力能源例如发电机，电网，电 池等均属电压源，而且在大功率场合电压型整流器中的储能元件电容与电流型 2 浙江大学硕士学位论文 p w m 整流器中的储能元件电感相比，储能效率和储能器件的体积、价格等都具 有明显的优势，从而制约了电流型p w m 整流器的应用和研究 1 2 - 1 4 1 。 随着p w m 整流技术的发展，例如像并联逆变感应加热电源这类电流型装置， 采用传统晶闸管相控整流电路，会带来网侧电流的畸交，造成严重的电网污染， 引入电流型p w m 整流技术，可以很好解决网侧功率因数低、谐波含量高等问题， 将成为今后感应加热电源技术的重要发展方向之一，这也直接推动了电流型 p w m 整流技术的发展，其作为与电压型p w m 整流器对偶的一种基本拓扑结构， 也可以用于国民经济各部门，受到了各国的专家和学者的重视，成为当今电力电 子技术最具前景的技术之一。本文就是在研究电流型p w m 整流器的基础上，展 开对电流型p w m 整流器在感应加热方面的应用研究。 本章首先介绍了本文的研究背景，然后回顾了电流型p w m 整流器和感应加 热电源的研究现状，最后对本文的选题意义和主要内容作了概括介绍。 1 2 电流型p w m 整流器的发展现状 将p w m 控制技术应用于整流器始于2 0 世纪7 0 年代末，但由于当时谐波问题 不突出，加上受电力电子器件发展水平的制约，p w m 整流器没有引起充分的重 视。进入8 0 年代后，由于自关断器件的日趋成熟及应用，推动了p w m 技术的应 用与研究。但长期以来，电压型p w m 变流器一直是p w m 变流器研究的重点。这 主要是因为通常的电力能源例如发电机，电网，电池等均属电压源，而且在大功 率场合电压型整流器中的储能元件电容与电流型p w m 整流器中的储能元件电感 相比，储能效率和储能器件的体积、价格等都具有明显的优势，从而制约了电流 型p w m 整流器的应用和研究。但随着电力电子技术的发展，不同的负载对p w m 整流器提出了新的要求，尤其是像并联逆变感应加热电源之类的电流型负载，其 对应的是电流型整流器，它具有良好的电流保护性能，因此与电压型p w m 整流 器相比，电流型p w m 整流器更为合适。在中小功率场合，电压型p w m 整流器和 电流型p w m 整流器各具自己的特点，电压型p w m 整流器只能提供高于电源电压 的恒定直流电压，若要求低于电源电压的场合，则还需一级降压电路。而电流型 p w m 整流器提供的是恒定的直流电流，其直流电压可调，并且低于电源电压。 另外，电流型p w m 整流器用于电机驱动具有动态响应快，便于实现再生制动和 四象限运行，限流能力强，短路保护可靠性高，能在宽范围内精确控制转矩和速 浙江大学硕士学位论文 度等优点。 经过数年的研究，电流型p w m 整流器技术同样得到了发展，其研究主要集 中在以下几个方面。 1 2 1 电流型p 删整流器的拓扑结构 1 ) 单相电流型p 删整流器拓扑 图1 1 单相c s r 拓扑 在小功率场合一般采用单相c s r 拓扑，其交流侧由l 、c 组成二阶低通滤波 器，滤除交流侧电流中的开关谐波；直流侧接大电感，使直流侧电流近似为直流； 开关器件由可控器件与二极管串联组成，在可控器件关断时，二极管起到承受反 压的的作用。 2 ) 六开关三相电流型p 聊整流器拓扑 图2 2 六开关三相c s r 拓扑 对于中等功率场合，一般采用六个开关器件构成的三相c s r ，和单相c s r 拓 4 浙江大学硕士学位论文 扑类似，三相六开关c s r 交流侧也是由l 、c 组成二阶低通滤波器，直流侧接大 电感，开关器件由可控器件与二极管串联组成。该拓扑能实现能量的双向传输， 并且是应用范围最广泛，研究最多的一种c s r 拓扑，本文所要研究的电流型p w m 整流器也是基于该拓扑的。 3 ) 组合型电流型p 删整流器拓扑 图1 3 组合型电流型嗍整流器拓扑 在大电流应用场合，常采用整流器组合拓扑结构，但是与普通并联不同的是， 每个并联的p w m 整流器中的p w m 信号发生采用移相p w m 控制技术，从而以 较低的开关频率获得等效的高开关频率控制，即在降低功率损耗的同时，有效地 提高了p w m 整流器的电流、电压波形品质。 1 2 2 电流型p w m 整流器的控制策略 1 ) 间接电流控制 间接电流控制的基本思路是通过控制整流器输入电压基波的幅值和相位，间 接的控制输入电感电流，使得交流侧输入相电流与交流电源相电压保持同相位， 因此又称为幅值相位控制1 1 6 1 。 间接电流控制的优点是控制结构简单、无需电流传感器，并且具有良好的开 浙江大学硕士学位论文 关特性，静态特性良好，便于微机实现。其缺点是动态响应慢，且对系统参数交 化灵敏，动态过程中存在直流电流偏移【1 6 】。目前，间接电流控制是应用在电压 型p w m 整流器比较成熟的一种控制策略，有大量的文献报道，而电流型p w m 整流器的间接电流控制的研究则很少。 电流型p w m 整流器的间接电流控制，是指通过控制整流器交流侧电容电压 或交流输入电流的幅值和相位，从而间接控制电流型p w m 整流器的网侧电流。 电流型p w m 整流器交流输入电流的基波分量是s p w m 调制信号的线性放大， 应用s p w m 技术，通过对调制信号的控制就可以实现对整流器输入电流相位和 幅值的调节，然后通过交流测l c 滤波器滤波作用，就可以实现整流器的间接电 流控制，达到网侧单位功率因数。当然，为了稳定输出直流电流，间接电流控制 还需要引入电流闭环反馈。 2 ) 直接电流控制 直接电流控制是一种电流瞬态跟踪控制方法，由运算求出交流侧电流指令信 号，再引入交流侧电流反馈，通过对交流侧电流的直接控制使其跟踪指令电流值。 这种控制方式具有电流内环和电压外环的双环控制结构；在电流内环中，通过对 功率因数角的控制可实现对无功功率的控制。在电流外环中，对直流电流的控制 则是通过调节交流电流的参考幅值来实现的。外环电流稳定与否取决于内环电流 能否快速准确地跟踪电流给定。由于这种控制方式能有效地跟踪负载电压的变 化，具有动态性能好，限流容易、电流控制精度高等优点【l - q ，因此受到了学术 界的广泛关注，并先后研究出各种不同的控制方案，主要包括有p i d 控制1 3 1 ，预 测电流控制1 9 1 ，滑模变结构控$ 0 t 2 0 j ，l y a p u n o v 方法【2 n ，极点配置1 2 2 ，二次型最 优控制圆，非线性状态反馈控制凹l ，模糊控制等方式嘲。但它们的共同特点是 需要对控制变量解耦，计算量大，实现困难，而且对状态变量的检测需要两个电 流传感器，有的还需要交流电动势传感器和电容电压传感器，成本较高。 1 2 3 电流型p w m 整流器的调制方式 1 ) s p w m 技术 s p w m 技术是将正弦波调制信号与频率固定的三角载波信号相比较，交点 作为开关点，得到一系列幅值相等、宽度不等的高频脉冲序列，经过整流器的功 6 浙江大学硕士学位论文 率放大后，能够准确地再现调制波信息。s p w m 具有优良的传输特性、优化的 频谱分布，成为当今调制技术的基本方式。 电流型整流器s p w m 调制技术是在传统的二逻辑双极性s p w m 调制技术的 基础上，通过一定的矩阵运算转化为三逻辑p w m 波形，这种三逻辑信号也充分 体现调制波的信息，并且在高频和低频的情况下都是解耦的，可以用其来控制主 电路开关的开通与关断，从而达到控制交流侧电流的目的。 2 ) s v m 技术 s v m 是八十年代中后期发展起来的，最初的应用是使电机获得圆形的旋转 磁场，称为“磁链跟踪”。相对于s p w m 技术，空间矢量调制技术( s v m 技术) 具有直流电压利用率高、采用最小开关损耗方式调制时器件的开关损耗低、便于 数字实现等优点，因此在电机传动、电力电子器件的控制等方面得到了广泛的应 用。目前，s v m 的概念远远超出了电机调速的范畴，成为与s p w m 相并行的一 种p w m 调制技术。 对于三相电流型p w m 整流器s v m 技术，可以根据电流型p w m 整流器开 关矢量的特点推导电流空间矢量的作用时间、作用次序、判断扇区等，然后直接 用于电流型p w m 整流器的驱动；也可利用三相电压型p w m 整流器的电压空间 矢量调制( s v m ) 技术实现三相电流型p w m 整流器的电流空间矢量调制技术， 即二逻辑s v m 转化为三逻辑s v m 技术。目前，国内外对这方面研究还比较少， 作者仅在文献【1 5 】中见到有关这方面的研究。 1 2 4 电流型p 删整流器的应用 1 ) 在s l f f _ s 中的应用1 2 6 , 2 7 1 近年来国际和国内超导技术都取得了突破性的进展，国外的研究机构已经开 发出了商用小型s m e s 系统( 储能范围为1 “m j ) ，并在电力、军事领域得到应 用。近年来，随着电力工业市场化的潮流和电力电子技术的发展，s m e s 在电力 系统的应用前景非常广阔。 大容量s m e s ( 1 g w h 等级) 可以用来平衡电网日高峰负载和夜低谷负载和 用于电力系统大块能量的管理。中小容量s m e s ( 储能容量小于1 0 m w h ) 可以 用于消除电力系统中低频振荡，用于稳定系统的频率和电压、可以用于电网无功 7 浙江大学硕士学位论文 功率控制，谐波电流补偿和功率因数的调节，提高输电系统的稳定性和功率传输 能力，超导储能可迅速向电网输入或吸收有功功率，是灵活交流输电系统 ( f a c t s ) 的理想组件。 2 ) 在电机调速中的应用勰l 在风机水泵类负载中，用电流型p w m 变流器实现的绕线转子感应电动机 的调速系统，既满足了风机水泵类负载的调速要求，又节约了能源，且系统具有 效率高、功率因数接近为1 0 、系统过流保护能力大大提高、谐波含量小、成本 大大降低等特点。 3 ) 在有源电力滤波器中的应用1 4 1 由于电网中的晶闸管、二极管整流器、电弧炉、变频器以及各种电力电子设 备用量不断增加而导致电网严重污染，这主要是因为这些负载的非线性、冲击性 和不平衡的用电特性造成的。因此，用于谐波抑制的有源电力滤波技术以成为电 力电子及电工领域的研究热点之一。 而电流型p w m 整流器作为一种并联型有源电力滤波器，它具有电流源的特 性，它向电网注入补偿电流，并抵消谐波产生的谐波电流，使电网电流为正弦波， 达到抑制谐波的目的，解决电网污染问题，提高了电网供电质量。 4 ) 其他应用 随着深入的研究，基于电流型p w m 整流器的中频感应加热电源、柔性交流 输电系统以及太阳能 2 9 1 、风能等可再生能源的并网发电等相关的研究也发展起 来。这些应用技术的研究，又促进了电流型p w m 整流器及其控制技术的进步和 完善。 1 3 感应加热技术的发展过程及现状 1 3 1 感应加热原理1 3 0 ，3 1 l m i c h a e lf a r a d y 于1 8 3 1 年建立的电磁感应定律说明，在一个电路围绕的区 域内存在交变磁场时，电路两端就会产生感应电动势，当电路闭合时则产生电流。 这个定律同时也就是今天感应加热的理论基础。 感应加热的原理图如图l 一4 所示： 浙江大学硕士学位论文 。f 图1 4 感应加热电源原理图 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 变磁通牛，交变磁通币又会在金属工件中产生感应电势和电流。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。不难发 现，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。 根据m a x w e l l 电磁方程式可知，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，涡流的大小还与金属 的截面大小、截面形状、导电率、导磁率以及透入深度有关。 1 3 2 感应加热电源的发展过程3 2 3 3 9 5 1 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 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后，逐步建立了感应加热的理论基 础，同时人们也开始意识到电磁感应中涡流效应的应用价值，并在二十世纪初将 感应加热技术开始用于工业部门。 2 0 实际5 0 年代以前，感应加热电源主要有：工频感应熔炼炉、电磁倍频 器、中频发电机组和电子管振荡式高频电源。工频感应炉以电网电压产生的交流 9 浙江大学硕士学位论文 磁通对被加热负载进行加热。由于电网频率很低，为达到足够的输出功率和发热 效果，电网必须提供足够大的电流以建立足够强的磁通。由于电网频率固定不变， 而感应加热负载参数在加热过程中不断变化，为保证输出功率因数角不至于过 大，需要采取接触器来切换电容。电磁倍频器采用饱和变压器，使之产生非正弦 磁通，再适当连接含有非正弦磁通的变压器的二次绕组，就可直接获得倍频电压， 常用的为三倍频器。中频发电机组于1 8 9 2 年问世，在1 9 6 6 年晶闸管中频感应加 热装置出现以前，这种感应加热电源在中频感应加热领域一直处于统治地位，为 保证较高的输出功率因数，也必须采用中频接触器频繁切换补偿电容电子管诞生 于1 9 0 6 年，而将电子管用于构成感应加热装置则是在2 0 世纪2 0 年代后期，目 前电子管高频振荡器已被应用于工业生产的许多场合。 上世纪5 0 年代末，晶闸管的出现引起了感应加热电源技术以至整个电力电 子学的一场革命，它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， 感应加热电源及应用得到了飞速反展。到7 0 年代后期，晶闸管中频感应加热装 置己逐渐取代了中频发电机组和电磁倍频器，成为主导产品。 到了8 0 年代，相继出现了一大批全控型电力电子半导体器件如m o s f e t 、 i g b t 、s i t 、 i c t 等，促使电力电子技术向更高频率的应用领域发展，为固态超 音频、高频电源的研制提供了坚实的基础，在高频阶段正处于从传统的电子管电 源向晶体管全固态电源过渡，频率高达l o o k h z ，功率高达栅级电源已可实现。 1 3 3 感应加热电源技术现状 由上面分析可知，感应加热技术从诞生至今，经过了近百年的发展，取得了 令人注目的成果，尤其是六十年代以后，固态电力电子技术的出现与发展，使感 应加热技术与现代化生产的许多方面密切相关，发挥了很大的生产力的作用。因 此世界各国十分关注感应加热技术的发展，并投入相当的经济支持和技术力量。 1 ) 国外感应加热电源技术现状 目前，在低频感应加热领域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透热或数百吨的食用水保温。预计 短期内，以固态器件构成的低频感应加热电源在功率、价格、可靠性方面还很难 与简单可靠的工频感应炉竞争，虽然其效率、体积和性能均大于工频炉。 在中频( 1 5 0 h z 2 0 k h z ) 范围内，晶闸管感应加热装置已经完全取代了传统 浙江大学硕士学位论文 的中频发电机和电磁倍频器，国外的装置容量已经达到数十兆瓦。 在超音频( 2 0 k h z l o o k h z ) 范围内，i g b t 的应用占主导地位。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 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。1 9 9 3 年西班牙也报道了3 0 6 0 0 k w 5 0 l o o k h z 的i g b t 电流型感应加热电源。欧美地区其他一些国家的系列化超音频感应加热电源的最 大容量也达数百千瓦。 在高频( 1 0 0 k h z 以上) 领域，国外已从传统的电子管电源过渡到晶体管全 固态电源。以日本为例，其系列化的焊管用电子振荡器的水平为5 1 2 0 0 k w 1 0 0 5 0 0 k h z ，而采用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 。欧美各国采用m o s f e t 的高频感应加热电源的容量也在突飞猛进， 美国应达公司网页最近可以看到他们已经推出2 0 0 0 k w 4 0 0 k h z 高频感应加热电 源。 2 ) 国内感应加热电源技术现状 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，浙江大学首先研制成功国内第一台晶闸管中频电源， 到目前已经形成了一定范围的系列化产品刚，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 l o o 5 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l 朔，采用时间分隔电路研制了3 0 k h ：的晶闸管 超音频电源。从九十年代开始，浙江大学开始对i g b t 超音频电源进行研制，1 9 9 6 年研制开发的5 0 k w 5 0 k h z 的i g b t 电流型并联逆变感应加热电源已经通过了浙江 省技术鉴定，目前的研制水平为2 0 0 k w 5 0 k h z 。另外，浙江大学在9 0 年代已经 研制成功3 0 k w 3 0 0 k h z m o s f e t 高频感应加热电源1 3 6 ，并已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试验中。总体上来说，国内目前的研 制水平与国外的水平相比还有一定的差距。 浙江大学硕士学位论文 1 4 选题的意义和本文的主要内容 1 4 1 选题的意义 感应加热电源系统一般由4 个部分组成：整流环节( a c d c ) 、逆变环节 ( d c - a c ) 、负载及谐振槽路环节、控制及保护环节，而逆变电路存在着两种对偶 关系的电路：电压型逆变电路和电流型逆变电路，电流型逆变器具有结构简单， 电源运行可靠，对负载适应能力强及过流保护容易等优点，因而获得了广泛的应 用，对应于电流型逆变器的负载是并联谐振电路、整流环节是电流型整流器，而 传统的感应加热电源就是采用由晶闸管组成的三相全控桥式整流电路，这种整流 电路优点是主电路结构简单，控制方便，晶闸管价格便宜，技术成熟，目前已得 到广泛应用，但是它会引起网侧电流畸变，产生大量的谐波，降低系统的功率因 数，在换流过程中还会引起电网电压波形畸变，此外，相控整流电路是个时滞环 节，这导致晶闸管相控整流电路无法实现输出电压的快速调节。 而电流型p w m 整流电路采用的是由m o s f e t 或者i g b t 组成的三相全控 p w m 整流电路，它与传统的由晶闸管组成的相控整流器相比，除了具备能量回 馈、四象限运行等优点外，它还有更优越的性能。首先，晶闸管相控整流电路是 通过控制移相角口来调节输出功率的，当口 0 时，网侧电流和电压将会产生一 个相位差，尤其是在深控状态下，这个相位差会很大，极大的降低了网侧功率因 数，而电流型p w m 整流电路采用的是p w m 斩控技术，它不存在移相角问题， 能达到网侧电流电压同相位；其次，它按照一定的调制方法并在网侧装设l c 滤 波器，可以消除网侧电流的各次谐波，达到网侧电流正弦化，提高系统的功率因 数；再次，电流型p w m 整流电路采用的开关器件是m o s f e t 和i g b t 电力电 子半导体器件，它们具有快速关断的能力，所以能实现输出电压的快速调节。 由于电流型p w m 整流器能真正达到“绿色”变流器的目的，已经受到国内 外学者普遍的重视，成为竞相研究的热点。但是电流型p w m 整流器应用于工业 实例还比较少，本文的选题就是在这样的背景下展开的，通过对电流型p w m 整 流器及在感应加热方面应用研究，既是对电流型p w m 整流器应用研究的一种探 索，也是对感应加热技术的发展一大推进，所以基于电流型p w m 整流器的感应 加热技术是具有很大的应用前景，对电流型p w m 整流器及在感应加热方面的应 浙江大学硕士学位论文 用研究具有重要理论意义和实际意义。 1 4 2 本文的主要内容 本文在阅读和分析国内外文献的基础上，着重研究了三相电流型p w m 整流 器的拓扑结构、调制策略和控制策略，分析了并联谐振逆变电路的工作特性，并 进行了大量的仿真研究，总结了基于电流型p w m 整流器的感应加热技术的优 势。此外，在理论分析的基础上，设计了基于电流型p w m 整流器的感应加热电 源的实验装置，并对电流型p w m 整流器及在感应加热方面的应用研究作了详细 的评价，论文的具体内容如下： 第一章，首先概括介绍了课题的研究背景，从当前电力电子技术发展引出谐 波抑制和无功补偿问题，然后针对这两个问题，引入p w m 整流技术，分析了电 压型整流器和电流型整流器，并且针对感应加热电源，强调了电流型p w m 整流 器的优点；然后从拓扑、调制方式、控制策略及应用等四个方面介绍了电流型 p w m 整流器的研究现状；此外，还阐明了感应加热的原理，叙述了国内外感应 加热技术的研究水平。 第二章，首先分析了三相电流型p w m 整流器在三相静止坐标系下的时域模 型和频域模型；然后分析了三相电流型p w m 整流器s p w m 调制信号的产生和 分配技术，通过自然采样规则如何将电压型二值逻辑开关函数转化为电流型三值 逻辑开关函数，并且按照最小开关原则，着重分析了零状态的选取；介绍了三相 电流型p w m 整流器的直接电流控制和间接电流控制，在分析了三相电流型 p w m 整流器静态特性的基础上，给出了网侧单位功率因数控制的可行性及条件， 并详细的介绍了间接电流控制的原理和方法。 第三章，首先给出了基于三相电流型p w m 整流器的感应加热电源系统的总 体设计框图，并对d s p 控制系统的设计、并联谐振逆变电路开关信号的发生电 路的设计、主电路参数的设计作了详细的分析。 第四章，在前面分析和设计的基础上，对整套实验装置作了仿真，并得到了 很好的预期效果，此外还构建了一套样机，分别进行了开环实验和闭环实验，给 出了实验结果，并对实验结果进行了详细的分析，最后对该套基于三相电流型 p w m 整流器的感应加热电源系统作一个客观的评价，并与传统感应加热系统比 较，指出它的优缺点。 1 3 浙江大学硕士学位论文 第五章，对本文所做的工作进行概括的总结，并对今后该研究课题的难点作 了总结，给出了值得进一步深入研究的方向。 1 5 本章小结 本章首先从电力电子技术的快速发展引出谐波抑制和无功补偿问题，针对 这两个问题，目前有两种解决方案，一种是装设滤波器，一种是对电力电子装置 进行改进，显然后面一种方法更主动，是今后发展的重点和趋势，为此引入了 p w m 整流技术，分析了电压型p w m 整流器和电流型p w m 整流器，并且针对 并联逆变感应加热电源，强调了电流型p w m 整流器的优点。其次概括地介绍了 电流型p w m 整流器的发展现状，然后分拓扑、调制方式、控制策略及应用等四 个方面介绍了电流型p w m 整流器的研究现状，并介绍了感应加热的原理，然后 叙述了国内外感应加热技术的研究水平。最后通过对传统感应加热技术和基于电 流型p w m 整流器的感应加热技术之间的比较，引出本课题研究意义，既是对电 流型p w m 整流器应用研究的一种探索，也是对感应加热技术的发展一大推进， 并对本文研究的内容作了概括地说明。 1 4 浙江大学硕士学位论文 第二章三相电流型p w m 整流器建模与控制 长期以来，电压型p w m 整流器以其简单的结构、较低的损耗、方便的控制 等一系列优点，一直成为p w m 整流器的研究重点【3 8 , 3 9 1 。而电流型p w m 整流器 由于需较大的直流储能电感，以及交流侧l c 滤波环节所导致的电流畸变、振荡 等问题，使其结构和控制相对复杂话，从而制约了电流型p w m 整流器的应用与 研究，但是作为电压型p w m 整流器的对偶形式，电流型p w m 整流器在中高功 率交流电机传动、无功补偿、功率因数校正等方面有着广泛的应用，因此对其进 行深入的研究十分必要。建立数学模型是深入分析和研究电流型p w m 整流器的 工作机理和运行特性的重要基础，本文从低频和高频的角度，分别建立了三相电 流型p w m 整流器在三相静止坐标系下的低频和高频时域模型，并且从高频角度 研究了三相电流型p w m 整流器的频域模型，此外着重研究了三相电流型p w m 整流器的调制策略，给出了信号发生和分配技术，并针对s p w m 调制策略分析 了三相电流型p w m 整流器的直接电流控制和间接电流控制。 2 1 三相电流型p w m 整流器的数学模型 电流型p w m 整流器的数学模型是所有分析的理论基础，其具有多变量、强 耦合、非线性的特点。与三相p w m 电压型整流器系统的分析类似，三相电流型 p w m 整流器基于各种坐标系下的低频模型、高频模型、时域模型、频域模型及 降阶小信号模型等都有相关的文献报道。 2 1 1 三相电流型p w m 整流器在三相静止坐标系下的时域模型 ( 1 ) 三相静止坐标下的低频模型 三相电流型p w m 整流器拓扑结构如图2 - 1 所示，交流侧由厶c 组成二阶 低通滤波器 4 0 l ，以滤除交流侧电流中的开关谐波；直流侧接大电感，使直流侧 电流近似为平滑的直流。开关器件由可控器件与二极管串联组成，使得在可控器 件关断时由二极管承受反压，以达到提高器件的反向阻断能力的目的。 浙江大学硕士学位论文 n 图2 1 三相电流型p w m 整流器拓扑结构 三相电流型p w m 整流器的等效电路如图2 - 2 所示。整流器交流侧等效为受 控电流源，其交流侧电流与调制波信号成正比，直流侧等效为受控电压源。 分析三相电流型p w m 整流器时假定三相电路完全对称，开关元件是理想 的，并且开关频率远大于电网频率，电感线性，考虑电感的内阻，设交流侧滤波 电感l 。= 厶= 厶= 三，电感和线路的内阻尼= 凰= r e = r ，c 为交流侧滤波电容。 k 、乙为直流侧滤波电感参数和负载等效电阻。n 为电网中点，n 为三相电容 的中点。 n n 图2 * 2 三相电流型p w m 整流器低频等效电路图 图2 - 2 利用基尔霍夫定律可得到如下的状态方程： c 村i h 纠 r 出 ( 2 一1 ) 浙江大学硕士学位论文 上丢 差 + r 耋 + 兰 = 圣 + 乞讲- “1 c 2 2 ， 2 欺t + k 号尹 ( 2 3 式中吩为网侧电压瞬时值