600kwIGBT串联谐振式节能中频电炉主电路的设计.doc

摘 要摘 要就目前来说，中频感应加热的加热速度快并且控制起来十分方便，已经在诸多行业中得到了广泛的应用。本文对600kwIGBT串联谐振式节能中频电炉主电路系统进行了设计，主要工作如下：一高压10kV进线开关柜的设计，高压10kV系统为小电流接地系统，设计过电压和过电流保护，设计电压、电流和电能计量。二设计整流电路、滤波电路以及逆变电路，说明其原理。三说明元件工作原理和电路设计原理及依据，说明降低谐波和节能原理。本设计阐述了串联谐振中频感应电炉的主电路整体结构，并且给予了基本电路的理论分析，推导了主电路的计算公式，阐述了经过整流桥和谐振负载改造后优点，完成了逆变电路、整流电路以及电抗器的设计。目前为止，串联谐振中频电炉仍具有大量的使用空间，使得该课题具有其现实意义。关键词：感应加热；串联谐振；晶闸管；逆变；整流- 39 -AbstractAbstractFor now, the rate of heating of the medium frequency induction heating, fast and control is very convenient, has been widely used in many industries. This article 600KwIGBT series resonant energy-saving intermediate frequency electric furnace main circuit system design, the main work is as follows:One. The design of high voltage 10KV line switchgear, high voltage 10KV system for small current grounding system, the design of overvoltage and overcurrent protection, design voltage, current and power measurement.Two. The design phase into the 10KV six line rectifier transformer wiring, selection of the rated voltage and the voltage drop, low pressure outlet overvoltage and overcurrent protection, indicating that reducing the harmonic principle.Thire. Description of the components working principle and circuit design principles and basis of the lower harmonics and energy conservation principle.The design described the overall structure of the main circuit, the series resonant medium frequency induction furnace and give a theoretical analysis of the basic circuit, the main circuit is derived formula on the advantages of the transformation after the bridge rectifier and the resonant load inverter circuit is completed, design of the rectifier circuit, reactor, and the line inductance. So far, the series resonant intermediate frequency electric furnace still has a lot of use of space, the subject has its practical significance.Keywords: induction heating; series resonance; thyristor, inverter;rectifier目 录目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 概论- 1 -1.1 选择课题的背景及意义- 1 -1.2 串联谐振中频电炉主电路结构的设计- 2 -1.3 该课题的研究目标- 3 -第二章 中频电炉的工作原理- 4 -2.1 中频电炉的内部结构- 4 -2.2 电磁感应原理- 4 -2.3 感应加热效应- 5 -2.3.1集肤效应- 6 -2.3.2邻近效应- 7 -2.3.3端部效应- 8 -2.3.4圆环效应- 8 -2.4 中频电炉负载- 9 -2.4.1负载磁场- 9 -2.4.2负载电阻- 10 -2.4.3负载参数- 11 -第三章 中频电源和小电流接地系统- 13 -3.1 中频电源系统- 13 -3.2 小电流接地系统- 15 -3.2.1 10kV进线开关柜的选择- 15 -3.2.2 电压、电流和电能计量- 17 -3.2.3 10kV线路过电压和过电流保护- 18 -第四章 整流电路- 19 -4.1 中频电源整流电路的条件- 19 -4.2 整流电路原理分析- 20 -4.3 阻感负载时的工作情况- 20 -4.4 十二脉进线消除谐波- 22 -4.4.1 串联谐振主电路- 22 -4.4.2 谐波分析- 23 -4.5 滤波电路原理分析- 23 -第五章 逆变电路- 25 -5.1 中频电源逆变电路的条件- 25 -5.2 逆变电路原理分析- 25 -5.2.1 串联逆变器原理分析- 25 -5.2.2 逆变器与谐振负载电路原理分析- 27 -5.3 逆变系统控制电路- 28 -5.3.1 调功电路- 28 -5.3.2 压控振荡器- 29 -第六章 IGBT串联谐振式节能中频电炉及其保护- 30 -6.1 IGBT简介- 30 -6.1.1 IGBT的概念- 30 -6.1.2 IGBT与晶闸管- 30 -6.2 串联中频电炉的节能原理- 30 -6.2.1串联谐振与并联谐振的关系- 30 -6.2.2节能原理- 31 -6.3 中频电炉的保护系统- 31 -6.3.1过电流保护- 31 -6.3.2过电压保护- 32 -6.3.3晶闸管保护- 32 -结 论- 35 -参考文献- 36 -致 谢- 37 -附录1：串联谐振式中频电炉主电路图- 38 -附录2：串联谐振式中频电炉设计总图- 39-第一章 概 论第一章 概论1.1 选择课题的背景及意义目前，在先进技术的指引下，我国研制出了串联谐振式的中频感应电源，并且可以提供相当可观的容量。这极大的提高了我国感应加热水平，更加好的促进了工业发展水平。就当前来说，我国使用的中频感应电炉，逆变电路大部分采用的是并联谐振的工作方式；我国的串联谐振正在起步，其中部分厂家已经将设备开始投入使用。我国的感应加热变频电源装置的发展方向一直是以沿着大容量、高频率、高效率、可靠性、拓宽用途为目标的。与国外完善的感应加热技术相比，国内的感应加热设备仅仅是少量的发展，这其中的差距还是相当大的。近年来，随着科学技术的发展，传统加热因为其耗能高和加热可靠性能不强等劣势无法达到国家发展的需要，世界各国急需得到有点多的加热器件。然而逆变电源具有体积不大、节能效果很好的优点，因此成为了前景较好的器件。与此同时，不断发展的电力电子技术，也利用其优势为对于高频逆变加热电源做好了铺垫。我国自从加入世贸组织之后，国内对中频感应电炉的需求急速上升，国家的产品市场大了，竞争也变的越来越激烈。世界一流的生产厂商所生产的产品价格虽然很高，但是可以应用高技术来占领市场，但是由于它的生产成本过高，因而在中国的市场正在不断的缩小。我国的中频电炉生产水平正在不断增强，通过其低廉的价格，在世界格局中占据了一席之地。感应加热装置由两部分组成，一是变频电源，其作用是提供一定频率的交流电源，另一部分感应加热负载，主要由感应圈及相应的补偿装置组成。按照频率的高低，变频电源可分为工频、中频和高频感应加热电源。(1)工频感应加热电源。电源频率与电网的频率（50Hz）相同，可直接从电网吸取能量，但是功率因数过低。(2)中频感应加热电源。将50Hz的工频交流电转变成中频（50010000Hz）电能的装置，通常为中频发电机和晶闸管变频电源。(3)高频感应加热电源。将50Hz交流电转变为高频（700001000000Hz）电能的装置，通常为电子管高频发生器。国内的电力电子技术起步比较晚，感应加热技术也落后于国外，但是由于市场前景好，所以研究感应加热技术的人员在逐渐增加。国内在此领域处于领先地位的是浙江大学，但距离国外先进技术还有相当大的差距。中频电炉是指炼钢铁厂所用的反应加热炉，它的加热方式是：利用中频频率的电磁场，对炉体内部的原料进行涡流的加热，钢铁原料将会在交变磁场中因为切割磁力线而产生很大的涡流电流，然后经过发热和熔化最终完成。由于我国当前电子技术的不断发展，我国的中频炉的控制系统已经更加的完善，中频的频率可以通过对原料的物理性状的调整，以使电、磁和热能的转换效率尽可能的高。基于以上的讨论，本课题选择中频感应加热电炉主电路的设计，目的在于提高金属的加热处理、加工工艺水平。1.2 串联谐振中频电炉主电路结构的设计本设计阐述了串联谐振式中频电炉系统主电路的整体结构，着重于基本电路的主要理论分析。本次设计参考了国内外相关并联谐振电炉和串联谐振电炉电路的基础上，结合国内电炉的研制和使用情况，适当参阅了有关资料后，作出的尝试性研究，最终得到的。串联谐振中频电炉主电路的结构设计，主要内容包括：高压10KV进线开关柜的设计，高压10KV系统为小电流接地系统，设计过电压和过电流保护，设计电压、电流和电能计量；设计整流电路、滤波电路以及逆变电路，说明其原理。说明元件工作原理和电路设计原理及依据，说明降低谐波和节能原理。本设计的基本思路是首先进线的50Hz的三相交流电通过可控硅三相全控整流桥整流电路整流为直流电，然后通过控制IGBT的导通频率，将获得的直流电通过逆变电路转化成为中频的交流电，最后输出给负载。其中需要设计保护电路。保护电路的作用是为了解决负载的变化，电网的波动、负载阻抗的变化引起的系统的电压、电流、频率的变化、及逆变电流的重叠时间的不同程度的变化等问题。1.3 该课题的研究目标通过本设计可以对实际600KwIGBT中频电炉系统的结构和电炉运行特点进行了解,熟悉并掌握600KwIGBT串联谐振中频电炉系统中各部分环节的原理，熟悉实际工程中的问题处理和理论分析的方法。通过对系统结构和实际元件的分析与处理，最终得到实际600KWIGBT中频感应电炉系统结构的可行设计。这次设计是在前辈们的基础上改进而得出的，具有深远意义。关于中频感应电炉的特点：它的功率密度大，熔化速度快，适合于节能批料的熔化方法，操作使用较为灵活方便，适合于变换频繁的熔化金属品种场合。无需触摸的超高温加热；控制简洁方便，效率较高，因为是局部加热，所以不容易出现故障。工作场地好，没有过多对人体伤害的物质，加工零件容易恢复。第二章 中频电炉的工作原理第二章 中频电炉的工作原理2.1 中频电炉的内部结构图2-1 中频电炉内部结构示意图如图2-1所示，电炉炉衬的主要材料是二氧化硅，它的耐热温度最高可以到达1650C。电炉的周围是由感应线圈以及不锈钢丝网环绕组成的，其中感应线圈与中频电源直接连接，并且通过交频磁通来对电炉进行加热；不锈钢丝网与漏炉保护电路直接连接，它是保护电路的一部分。在科学技术的带领下，感应加热电源根据各种各样的需求，形成了不同模式： 整流器(AC-DC ) 滤波环节(FILTER) 逆变器(DC- AC) 谐振槽路及负载(RESONANT TANK) 控制及保护环节(CONTROL AND PROTECT)2.2 电磁感应原理根据电磁感应定律，我们可以得出：导体在交变的磁场下，感应电动势会从导体内部产生，感应电流会因为电流的闭合而产生，这便是感应加热的基本原理，也是电磁感应的基本原理。交变电流通入匝数为N的线圈后，感应线圈便生成磁通，由此生成感应电动势e。设交变磁通电磁方程式： 感应电动式有效值是： 它的焦耳热为： 其中： ：感应电流产生的热量（J）；：工件的等效电阻（）；：感应电流有效值(A)；T：工件通电时间（S）。 综上所述，将电流输送到载体，并且将电能转化成热能的过程便是感应加热。将金属或非金属的石墨放入一个闭合的螺管线圈之中，当交流电通过线圈的时候，就会产生交变磁场，这会使得线圈中的金属或石墨由于磁力线的影响而产生相应的电动势，从而流出涡流电流。以上便是电磁感应的基本原理。2.3 感应加热效应就感应加热而言，他有四种效应，他们分别是集肤效应、邻近效应、端部效应和圆环效应。感应电炉就是利用这四种效应来对负载进行加工的。通过将金属放入感应线圈中，并且对线圈的两端施以交流电压，进而在感应线圈中产生相应的交流电流，然后会产生出交变的磁场。在不断变化的磁场中，圆环效应便会产生，在线圈的内侧表面层之上电流会全部集中，而邻近效会产生于感应线圈与金属之间，集肤效应会出现在金属本体之上。综上为反应加热的效应全过程。2.3.1集肤效应线圈导体产生的交变电流与金属坯料产生的涡流有着不均匀分布的电流密度，其中，电流密度的峰值将会在它的表层产生，并且按照指数函数的形式向中心部缓慢削弱，这便是集肤效应。本设计引用长柱型导体，在其感应加热器件的内部，它的电磁场和涡流密度分布方程如下所示： 图2-2 交流电流在导体中的分布图-表面电流密度 -沿导体径向任意一点的电流密度集肤效应使得电流在导体表面流过，这会使得导体的有效面积不断减小，电阻不断增大。如果交流电流的频率很高，那么集肤效应则会更加明显。因为电流的流动是沿着其表面的，导体的表面会产生很大的热量，所以可以应用这种现象对导体的表面加热。为了计算的方便，本设计引入了电流渗透深度“”这个概念。所谓的电流渗透深度，是指在导体的径向上，它从导体的表面到某一特定点之间的距离。利用电磁理论可以得到（厘米）其中 电阻率，欧厘米； 相对磁导率，； 电流频率，赫。2.3.2邻近效应邻近效应指的是当通有交流电的两根导体相互距离短时，两者分别作用对方，这会更改电流的分布。倘若两根导体中电流的流通方向不同时，电流的最大密度会在导体内侧；倘若两根导体中电流的流通方向相同时，电流的最大密度会在导体外侧。无论在何时，如果两根平行的导体中的电流方向不同时，这会使得导体之间磁场方向相同，总磁场不断增大，而两导体外的磁场强度不断减少。磁通的流通是通过空气和导体的内部的，位于导体外侧的电流的交链磁通是，这比内侧的交链磁通多一些，所以，外侧的电流线所感应的电动势比内侧的大，外侧电源电动势和自感反电势的总电势与内侧相比数值偏低，因而导体外侧的电流密度会比导体内侧的低很多。图2-3 感应加热中的临近效应对于邻近效应来说，导体间的距离越近，其作用越明显。相比肌肤效应来说，邻近效应与其略有不同，电流密度的分布不仅取决于导体本身所产生的磁场，而且与邻近的导体磁场对它的作用有关。2.3.3端部效应在感应加热时，工件端部的温度常常与非端部的温度略有不同，这就是感应加热的端部效应。端部效应分为两部分，他们分别是坯料和感应线圈的端部效应。集肤效应与端部效应的不同之处在于，集肤效应主要是对金属坯料磁场分布的反应，而端部效应主要是对坯料和感应线圈端部磁场分布的反应。因为这个的不同，使得坯料的功率分布和加热温度遭受一些限制。2.3.4圆环效应圆环效应是指当交变的电流在圆环形线圈上流动时，线圈导体的内侧出现最大电流密度。通常情况下，在环内的磁力线较多，而在环外较少，所以，外侧的电流线会比内侧的电流线穿过更多的磁通。综上，外侧的电流密度和总电势会比内侧的小很多。图2-4 感应加热中的临近效应圆环效应在对其加热时是有好处的。这也是在没有导磁体的情况下，原料在其之中仍然可以进行加热的主要原因。然而在对其内孔温度升高时，这样的加热有很大缺陷，我们可以通过导磁体更改磁力线，从而将电流从导磁体的内侧移动到外侧。2.4 中频电炉负载2.4.1负载磁场 图2-5 感应熔炼电炉磁场当中频电流流进感应线圈后，感应线圈周围形成中频磁场。其中，进入中膛内部的称为漏磁通；进入钢材内部的磁通称为主磁通。主磁通可以在电炉内形成相应的感应电流，并在钢材内使之发热熔化。而漏磁通由于没有在其内部流通，所以对于加热没有任何影响。由此可见，主磁通和漏磁通的确同时存在，不过漏磁通往往比主磁通大得多。影响主磁通和漏磁通相对大小的因素有： 石英砂坩埚越厚，炉膛越小，则漏磁通越大，主磁通越小；故新打的坩埚漏磁通较大，而熔炼了若干炉的坩埚会变薄，漏磁通便会变小。 当炉膛内放的材料较少时，则主磁通减少，漏磁通增大。 当钢材熔化成钢液时，填满了炉膛，使得进入炉膛的磁通全部穿过钢液，于是主磁通增大，漏磁通减小。 被熔炼的钢材的温度超过居里点时，刚刚失去磁性的钢材而称为非磁性材料，非磁性材料使主磁通减小。 不同的导磁材料所影响的磁场分布也是不同的，例如熔炼钢铝等导磁材料时，由于其电阻率比较低，透入的深度又比钢的大，故钢铝中感应的涡流电流回路具有很小的电阻，因此当中频主磁通一进入钢炉内，立即被感应出来的涡流所抵消，于是主磁通便得到减弱。2.4.2负载电阻感应炉内有两个流通的电流部分：一是感应圈本身所流通的电流，这是中频电源通入的中频电流部分；二是被熔炼的金属所流通的电流，由电磁感应所感应出的涡流部分。由于两者都是具有电阻的，所以应该作发热处理。感应圈电阻感应圈不但具有电感，而且还有电阻。感应圈的铜管虽然很粗，电阻很小，但因通过的电流很大，故它的电阻引起的电损耗是相当可观的。而且在中频时，铜管壁内电流因集肤效应而密集于靠向坩埚壁的一侧，如图2-6所示。由于电流很大，且密集于铜管一侧的薄层内，因此，层的密度很大，引起铜管内大量发热，故需要通水来冷却。图2-6 感应圈的电流集肤效应感应圈本身的电阻虽然由于频率、漏磁场分布、水温等不同而有变化，但因在熔炼过程中这些因素变化不是很大的，故感应圈本身的电阻可以认为是基本不变的。熔炼金属电阻熔炼金属的电阻比感应圈的要大很多，并且它的电阻率也要大许多，并且集肤效应很明显，因此同样可以产热。熔炼金属被放置在感应圈的内部，主磁通通过金属，并在其中感应出了涡流电流，同时产生热量。下图示，感应炉等效电路 （a）感应炉等值电路 （b）串联等效电路 （c）并联等效电路图2-7 感应炉等效电路 感应圈的漏磁通引起的感抗； 主磁通引起的互感抗 ；由涡流产生的漏感抗； 感应圈本身的电阻 ； 代表熔炼工件的电阻。感应电炉的运行状态是类似于变压器的工作状态，然而 、器件加热之中并非定值，并且变化幅度很大，因此等效成为电阻电感串联电路（图2-7（b）或电阻电感并联电路（图2-7（c）。2.4.3负载参数通常情况下，随着外界条件的不断变化，磁导率和电阻率都会随之不断变化。倘若温度不断提高，那么金属的电阻率会由此而增加。如果温度不断提高，工件的加热层不断便厚，电阻会随之变大。它在串联等效电路表示，等效串联电阻变大；在并联等效电路表示，并联电阻变小。这时，其相对导磁率趋近于1。同相对磁导率相同，负载等效电路及和温度同样没有关系。如下图所示，这是钢材加热时参数的变化情况图 2-8 铁磁材料加热时参数的变化在0TT2区间，温度高于居里点之后，电阻率和相对导磁率都不再发生明显变化，各参数几乎保持不变。负载参数的变化由许多因素有关，不仅仅受到温度的影响，炉中加料、工人捅炉等都会引起参数改变。第三章 中频电源和小电流接地系统第三章 中频电源和小电流接地系统3.1 中频电源系统中频电源是一种可以变频的电源，它可以把电能由工频变为中频，通过整流变换，工频的交流电变为了直流电，然后利用逆变器，将其转换为交流输出电流，在这里电网频率是不会限制频率变化的。这种电源对各种负载适应能力强并且适用范围更加广阔，它主要应用于各种金属的熔炼、焊接、淬火、回火、透热、金属液净化、热处理、弯管、以及晶体生长等。根据感应圈与补偿电容不同连接方式，中频感应电炉可分为并联谐振式与串联谐振式，并联谐振电炉流过感应圈的电流是主槽路电炉的倍，为谐振电路的品质因数，因此感应圈能耗相对较高。串联谐振亦为电压谐振，感应圈两端的电压高，因此相同的功率条件下，串联谐振电炉节能效果较好。如图3-1所示，晶闸管、和组成了串联整流电路，电抗器、电容器和扼流线圈组成滤波电路，晶体管、和二极管、组成半桥逆变电路。三相电网输入的的电压经过整流电路整流后形成脉动的直流，然后经过电抗器平波以及扼流线圈的阻断交流电流作用形成平稳的直流，直流电流通过和的充电后形成稳定电压，最后通过半桥逆变电路将电压逆变成中频电压和电流送给感应线圈。图3-1 串联谐振中频电源主电路主电路由五个环节组成：整流环节(AC-DC)，在整流电路之中，通过三相桥式全控整流电路，可以将工频50Hz的交流电整流成脉动的直流电，可以改变电路的直流电压U来改变负载电流；中频电源整流电路的负载是逆变器，逆变器输出的有功功率是由整流电路提供的。要求整流电路的直流输出电压能连续平滑可调；滤波环节(FILTER)，在滤波电路中，通过Ld把工频和中频网络分开，同时滤掉部分不平滑的电流，然后再通过滤波电容Cd把直流电流滤成平化的波形光滑的直流电。逆变环节(DC-AC)，逆变电路是由IGBT组成的全控桥式逆变电路，通过逆变环节把直流电流转化为交流电流，然后通入负载，逆变电路的输出频率是受负载电路振荡频率控制的，工作于比负载振荡频率还要高的频率之中。负载及谐振槽路环节(RESONANT TANK)，负载部分是由感应加热线圈L和补偿中频电容器C组成的串联振荡电路；在这样的情况下，负载的适应能力得到显著增加并且在工件运行时，它的可靠性也增加了。控制及保护环节(CONTROL AND PROTECT)，通过它来调节功率的输出，并提供系统的安全保护。这个环节主要利用改变整流桥的触发角来更改整流桥的输出电压，进而改变电源的输出功率。中频电源主电路结构图，如图3-2 所示负载图3-2 中频电源系统框图图3-1的工作原理为三相50Hz交流电通过可控硅三相全控整流桥整流成电压可调整的脉动直流电，然后经过平波电抗器和滤波电容将脉动的直流电滤波变成位光滑平稳的直流电，再通过控制IGBT的导通频率，而后输送到单相逆变桥，最后通过逆变桥将直流电变成单相中频交流电供给负载。对于感应加热过程，通常由感应线圈输送电能，然后将电流输送入负载进行加热。感应线圈可以将它归类于电源逆变器之中，因此，感应线圈与负载并成为等效负载。3.2 小电流接地系统所谓的小电流接地系统是指在经消弧线圈接地或中性点不接地系统之中，当单相接地短路故障出现时，因为短路回路无法形成，接地短路电流往往比负荷电流要小得多，由此得名。小电流接地系统一般适用于66kv及其以下的系统。在中性点直接接地系统之中，当发生单相短路接地故障时，接地电流一般都比较大，所以称之为大电流接地系统。大电流接地系统一般适用于110kv及以上的系统。配电系统多数采用小电流接地系统，因为其电流较小，供电时安全可靠。同时为了能及时发现和切除发生单相短路接地故障的线路，通常采用加装单相接地自动选线装置。本设计采用的是高压10KV系统进线的小电流接地系统。下面设计进线开关柜和电压、电流和电能计量以及过电压过电流保护。3.2.1 10kV进线开关柜的选择本设计选用KYN-12-001作为电源的进线柜，该柜满足一次系统的要求柜内主要设备配置见表3-1：表3-1 KYN-12-001电源进线柜柜内主要设备配置开关柜型号断路器操作机构电流互感器备用KYN-12-001VD或VS1CD-10AS12数 量112开关柜的技术参数见表3-2（总体参数）：表3-2 开关柜的技术参数名 称单 位参 数额定电压KV3.6,7.2,10,12额定电流A630,1250,1600,2000,2500,3150外形尺寸m(宽深高)柜的选择条件： 额定电压： 额定电流： 为计算电流： , 为全厂的计算容量 断流容量： 查VS1： 额定短路电流： 则 有： ，为最大短路电流有效值 热稳定校验： 对于10KV的电器，它的热稳定校验的后备保护动作时间，应该选取变压器高压侧的过电流保护时间，即。查手册得，VS1型少油断路器的固有分闸时间为，所以，短路故障的存在时间：。 不计非周期分量的影响，因为冲击系数，经查曲线（，t=1.25）得，短路电流周期分量的最佳时间为秒，所以，总短路电流发热等值时间 查手册VS1的动稳定电流（峰值）少油断路器的2的热稳定电流为31.5KA。即： 综上所述，热稳定满足要求。 动稳定校验：查手册VS1的动稳定电流（峰值）。即： 综上所述，动稳定满足要求。3.2.2 电压、电流和电能计量随着我国电力市场体系的发展，电能计量装置的准确性已经越来越高，性能也越来越可靠，这对于提高电力市场的经济效益和社会效益有着十分重要的意义。因此，对于电压、电流和电能计量的要求不断提升。中性点不直接接地系统 (NuGS)（小电流接地系统）被广泛应用于配电网络。其中，中性点经消弧线圈接地系统(NES)、小电流接地系统包括中性点不接地系统 (NUS)等。电能计量装置是由电能表、电流互感器、电压互感器和它们的二次回路所组成。在工厂的电源进线或经供电部门同意的电能计量点处，必须装设由计费的有功电度表和无功电度表；为了解掌握负荷的电流，进线上还应装设一只电流表；变配电所的每段母线上，都需要装设电压表予以测量电压；在中性点的非有效接地（即小接地电流的）系统中，各段母线上还应装设绝缘监视装置，如果母线上出线很少，绝缘监视电压表可不装设；由地区电网供电的变配电所电源出线处，最好装设供计费使用的专用电压互感器和电流互感器（一般都安装计量柜）；对于10KV供电网络最好采用小电流接地系统，其电能计量装置都是三相三线制电能表。如下是电能表和电压、电流互感器的基本概念 三相三线制电能表：其接线为：一个元件所加的电压为线电压UAB，通过的电流为IA；另一个元件所加的电压为线电压UBC，而通过的电流为IC。有功和无功的计算公式为： 测量及检验电压互感器：该电压互感器除用于连接功率表、电流表等仪表外，还可用于自动投入使用备用电源。10KV电源进线应在外部接入电压互感器，与此同时，对于10KV的中性点不接地系统，还应接入绝缘检查装置。 两相两电流互感器：两相两电流互感器主要用于测量使用，根据测量的选择，以便于选择电流互感器的变比，通常正常仪表应工作在2/3刻度。3.2.3 10kV线路过电压和过电流保护过电压的保护通过过电压保护器来实现，它是用来抑制暂态过电压的一种过电压保护装置。它可以为高压设备排除雷电过电压、内过电压以及工频升高等干扰的危害，避免高压线路及变压器等高压设备受过电压的干扰和侵害，保证系统线路的正常运行。过电流的保护采用的是过电流保护器，它是由电流继电器，时间继电器和信号继电器组成。其中，电流互感器和电流继电器共同组成了测量元件，可以用来判断通过线路的电流是否超过标准，予以保证系统的正常运行；时间继电器作为延时元件，可以通过适当的延时确保系统的有效运行；信号继电器的主要作用是发出保护动作信号。 在正常运行时，电流继电器和时间继电器的触点都是断开的，当被保护区发生故障或电流过大时，电流继电器就会动作，通过其触点启动时间继电器，经过预定的延时后，时间继电器的触点闭合，将断路器跳闸线圈接通，与此同时，断路器跳闸，由此切除故障线路，同时启动信号继电器，使得信号牌掉下并接通灯光或音响信号。第四章 整流电路第四章 整流电路4.1 中频电源整流电路的条件由于中频电源整流电路的负载是逆变器，而逆变器所输出的有功功率是由整流电路提供的，因此，这就要求整流电路中的直流输出电压能够在规定的范围内能进行连续平滑的可调。在中频电源系统中，负载的变化是很大的，这就要求整流电路应能够自动的限制输出电压，通常所采用的方法就是通过在负载端获取电流和电压信号，然后通过控制信号来改变整流电路的移相控制角，由此来完成限制电流和限制电压。通常要求整流电路应对系统进行过电压和过电流保护，由此需要采用移相控制角=150，使其形成有源逆变。由于三相全控桥式整流电路的输出电压调节范围比较大，所以中频电源多数应用它。另外移相控制角的变化范围比较小，这便有利于系统的自动调节，然后通过输出较高电压脉动频率来减轻直流滤波环节所带来的负担。三相可控整流电路的控制量是可以变的很大的而且输出电压脉动是可以变的很小的，整流电路易于滤波并且控制滞后的时间很短，因此三相可控整流电路在工厂中应用广泛。当碰到大功率电源时，我们可以通过增加其应用效率来削弱其系数。 当电感足够大时，负载电流波形类似于一条水平线。单相可控整流电路大多数应用于小功率的场合，不过一旦功率超过4KW，三相负载的无法保持平衡，因而需要应用三相桥式全控整流电路。在本设计中，中频电源使用的是三相全控桥式整流电路，它可以更改电压数值，且幅度比较大而且移相控制角的变化不大，为系统的自动调节提供了便利。由于逆变电路输出的有功功率是由整流电路提供的，所以要求其输出电压在规定范围内能够连续平滑地调节，由此输出脉动的直流电。中频感应加热的负载变化很大，整流电路应能对输出的功率、电压和电流进行自动的限制，并能应用整流电路保护系统。4.2 整流电路原理分析如果整流电路的负载容量很大或者要求直流电压的脉动很小时，适宜应用三相整流电路。就目前来讲，三相桥式全控整流电路应用范围广阔。其原理图如图4-1所示。图4-1 三相桥式全控整流电路原理图如图所示，这6只晶闸管分成两组：VT1、VT3、VT5称之为共阴极组；VT4、VT6、VT2称之为共阳极组。无论在任何的导电时刻，电流总是从三相中的任一相流入，经过共阴极组晶闸管，然后流过直流滤波电抗器Ld和负载Rd，再经过共阳极的晶闸管，最后由另一相流出。无论何时，共阴极组的阳极处于最高电位的导通，共阳极组的阴极一定处于最低电位的导通。现在讨论三相桥式全控整流器的理想工作状态。所谓的理想工作状态是指在假设具有如下的理想条件下的工作状态，理想条件为： 理想变压器。即变压器的漏抗、绕组电阻和励磁电流都可忽略。 晶闸管元件是理想的。 电感性负载时，直流电感Ld足够大，输出电流的纹波可以不计。 电源为三相对称系统。4.3 阻感负载时的工作情况三相全控整流电路主要是为阻感负载和反电动势阻感负载提供电能，在理解了阻感负载的基础上，在面对带反电动势阻感的负载时，仅仅掌握其特点，便可以完全理解。三相全控整流电路阻感负载电路如图4-2所示：图4-2 电感负载时三相桥式全控整流电路及其在=30时的波形如下所示，为阻感负载的输出情况： 输出电压 输出电流 元件电流和变压器副边绕组的电流 其中为整流电路的移相控制角。4.4 十二脉进线消除谐波在本节提出采用12脉整流串联电路，利用两个整流桥串联的方式，可以有效的降低进线电流的5、7等次谐波，从而降低了中频电炉对电网的谐波污染。4.4.1 串联谐振主电路整流串联电路属于多重整流的范畴，在整流电路中需要用到移相变压器，移相变压器的每一相线包内有多个绕组，一个是一次绕组，其余为二次绕组，而常规的变压器只有一个二次绕组。通过不同的联接方式使移相变压器的二次绕组依次错开一个相同的相位角。将两个三相桥式全控整流电路串联，利用整流变压器二次侧的不同接法使两组三相交流电源相位错开30，而变压器的电压比对各二次输出绕组是相同的，即变压器电压比相同，二次侧绕组电压等幅值变化。为简化分析，暂不考虑变压器漏感引起的重叠角，并假设整流变压器各绕组的线电压之比为1:1。整流变压器二次绕组分别采用星形与三角形接法构成相位相差30、大小相等的两组电压，分别与两串联的整流桥联接。图4-3是移相30构成的整流串联电路的原理图，其整流输出电压在每个交流电源周期中脉动12次，故该电路为12脉整流电路。图4-3 移相3012脉整流串联电路4.4.2 谐波分析图4-4为12脉整流电路电流波形图。其中是整流桥II电流折算到变压器一次侧A相绕组中的电流值，A相总输入电流为电流和之和。图4-4 移相30整流串联2重联接电路电流波形对进线电流进行傅里叶分解可得其基波幅值和如下： ， 根据上式可知：12脉整流电路进线电流谐波次数为，且谐波电流幅值随谐波次数的增大而降低。4.5 滤波电路原理分析滤波电路为上下两列的两组电抗器，通常这两组电抗器共用一个铁心，使负载从脉动的直流电压源得到平直的电流。使整流桥的增大时输出的电流平稳连续，且使纹波减小，这样就可以大体上把从把整流桥上输出的电流看成平直的电流。的第二个作用是防止中频电流流入工频电网，起到隔离作用；当逆变电路颠覆时，能抑制短路电流的上升速度，以便及时实施短路保护；当系统产生故障时，它满足整流桥工作在有源逆变状态。滤波电路如图4-5所示，图4-5 滤波电路从不同的角度计算电感量，选用计算得出的最大值可以满足其它要求。整流电流连续时求得的电感量可以满足要求，按工程计算的经验公式求得平波电抗器的值为：式中：为直流等值电阻，单位为； 为工频电源频率，单位。第五章 逆变电路第五章 逆变电路5.1 中频电源逆变电路的条件逆变就是指把直流电转化为交流电的电流变换过程，逆变过程中的电路和装置便是逆变电路和逆变器。所谓的有源逆变是指把直流电能转换为交流电能并输送给交流电网的逆变过程，通常就是将直流电能转换为50Hz（或60Hz）的交流电能并反馈进入公共电网之中，它相对应的装置称之为有源逆变器；所谓的无源逆变就是指当交流侧不与电网连接，而是供给负载的逆变电路。当同时满足下述两个条件时，便可以使电路投入工作状态，在调节控制角大于时，这个有源逆变就可正常工作： 能量传递条件：直流侧需要有一个直流电源或等效的直流电源，即当变换器进入有源逆变状态时，能通过能量传递，把直流侧的能量传送到交流侧的电网中去。 有源逆变条件：在直流侧存在一个直流电源。直流电源的电动势极性必须和变换器所允许的电流流动方向相同；在无特别的附加限流电阻的情况下，其电动势值应小于变换器所能产生的最大负电压的幅值。5.2 逆变电路原理分析5.2.1 串联逆变器原理分析逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。本设计采用的是电压型逆变电路。电压型逆变电路有以下主要特点：直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。串联谐振逆变电路可分为全桥逆变电路和半桥逆变电路，目前串联谐振式电炉主要以半桥逆变电路为主。半桥逆变主电路图如图5-1所示（a）（b）图5-1 半桥逆变主电路及其工作波形半桥逆变电路原理图如图5-1(a)所示，它有两个桥臂，每一个桥臂有一个可控器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的连接点便成为直流电源的中点。负载连接在直流电源中点和两个桥臂连接点之间。 设开关器件和的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏，且二者互补。当负载为感性时，其工作波形如图5-1(b)所示，。输出电压为矩形波，其幅值为。输出电流波形随负载情况而异。设时刻以前为通态，为断态。时刻给关断信号，给开通信号，则关断，但感性负载中的电流不能立即改变方向，于是导通续流。当时刻将为零时，截止，开通，开始反向。同样，在时刻给关断信号，给开通信号后，关断，先导通续流，时刻才开通。各段时间内导通器件的名称标于图5-1(b)的下部。当或为通态时，负载电流和电压同方向，直流侧向负载提供能量；而当或为通态时，负载电流和电压反向，负载电感中储存的能量向直流侧反馈，即负载电感将其吸收的无功能量反馈回直流侧。反馈回的能量暂时储存在直流侧电容器中，直流侧电容器起着缓冲这种无功能量的作用。因为二极管、是负载向直流侧反馈能量的通道，故称为反馈二极管；又因为、起着使负载电流连续的作用，因此又称为续流二极管。半桥逆变电路的优点是简单，使用器件少。其缺点是输出交流电压的幅值仅为，且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡。因此，半桥电路常用于小功率逆变电路。5.2.2 逆变器与谐振负载电路原理分析 感应线圈添加在变压器原边，工件添加在副边。如下图5-2所示 图5-2 负载等效电路由此，可以得到负载功率因数： 其有功功率和无功功率分别为： 负载品质因数为： 由上可得，品质因数Q与功率因数间关系为： 在通常情况下，Q值很大，功率因数十分低。对于电源容量更加充分的使用，我们需要对其功率因数进行提高。通常，我们利用电容器来对无功功率进行补偿。 5.3 逆变系统控制电路逆变控制系统在中频电源装置中起着重要作用，若设计不到位，则会引起逆变失败致使整个系统不能正常工作。而逆变保护系统是为了解决负载的变化，电网的波动、负载阻抗的变化引起的系统的电压、电流、频率的变化、及逆变电流的重叠时间的不同程度的变化等问题，也是不可或缺的。5.3.1 调功电路图5-3 调功电路调功电路中通过调节调功按钮来调节，当把调功按钮调到（213）时，可调电阻主下调，则此时电流通过和的滤波后，流入LF353运算放大电路中2脚的电流增大，电流通过中的运算电路后电流减小，即中的的6脚的输入电流减小。由于的经反馈电阻反馈后变成了反相器，所以电流经过的后，电流将增大，随之功率也增大，然后通过反映到电炉内。同理，当把调功按钮调到时，功率将减小。当调功时，中与构成运放电路的、和在电路起到限制电流突然增大或减小的作用。5.3.2 压控振荡器这里4046主要作为一个压控振荡器用，（直流电流）过流保护反馈信号、中频电流反馈信号、限流限压保护反馈信号等都是通电阻R32送到4046的9脚，调节4脚输出脉冲频率，进行保护控制。图5-4 压控振荡器CD4046工作过程如下：输入信号从14脚输入后，经放大器A1进行放大、整形后加到相位比较器、的输入端。误差电压经过电阻和电容的滤波后得到一个控制电压加至压控振荡器的输入端9脚，调整的振荡频率，使迅速逼近信号频率。的输出又经除法器，再进入相位比较器，继续与进行相位比较，最后使得，两者的相位差为一定值，最终实现了相位锁定，达到了预期的目的。第六章 IGBT串联谐振式节能中频电炉及其保护第六章 IGBT串联谐振式节能中频电炉及其保护6.1 IGBT简介6.1.1 IGBT的概念IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。IGBT拥有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。6.1.2 IGBT与晶闸管本设计的整流部分采用的是晶闸管，而