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串联谐振逆变器的功率调节方式
2021-05-20

1引言

串联谐振


  由图1可以得出逆变器的输出功率表达式(0.1),可以看出在负载一定的情况下,输出功率的大小是由Ud和大小决定的。其中Ud为输入直流电压的幅值,f为负载的功率因数角。从而可以将串联谐振逆变器的功率调节方式分为两种:

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a.直流调功:通过调节输入的直流电压的幅值来调节输出功率。

b.逆变调功:通过调节输出电压的频率来调节负载功率因数,或调节输出电压的有效值大小(调节占空比)来调节输出功率。

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2 直流调功

  直流调功也叫调压调功,它是通过调节整流电路输出电压的大小来调整负载功率,负载通过锁相措施保证工作在谐振或者接近谐振的工作频率处。调节整流输出电压的方式有两种:一种是采用晶闸管三相全控桥整流进行调压;另种是采用三相不控整流后用斩波器进行调压。

2.1 晶闸管三相全控桥整流进行调压

  这种方式主要通过控制晶闸管(注:晶闸管是PNPN四层半导体结构,它有三个极:阳极,阴极和门极; 晶闸管具有硅整流器件的特性,能在高电压、大电流条件下工作,且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。)导通角来控制整流输出电压值。这种方式电路简单成熟,控制方便。主要缺点是在深控下网侧功率因数低,动态响应慢,换流过程中电流容易出现畸变。

晶闸管整流调功的感应加热电源拓扑结构见图 2,与逆变侧不同的是,整流部分采用六只晶闸管组成的晶闸管相控整流桥。

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2.2 三相不控整流加斩波器进行调压

  感应加热电源中的直流斩波调功方式的调功原理如图 3所示。

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前端是由六只二极管组成的三相不可控整流器,输出的直流电压Ud经过电容C1滤波后送入由开关管VT、续流二极管D2、滤波电感Lo和滤波电容Cd 组成的斩波器,调节VT 的占空比,逆变器得到的电压就在0~Ud之间任意的电压值。这种方式可以获得较高的功率因数,但是开关管VT 是工作在硬开关方式,开关损耗较高,对开关器件的要求比较高。由于电路中电感的存在,将使开关器件关断时承受更高的电压,而器件的开关频率较高有利于减小滤波电路中储能元件的体积。

这种方式具有网侧功率因数高,电压动态响应快,保护容易等优点。但由于DC/DC变换环节的加入,电源的整机效率和可靠性将会降低。

3 逆变调功

  常见的逆变调功方法主要有脉冲频率调制法(PFM)、脉冲密度调制(PDM)、脉冲宽度调制法(PWM)等等。

3.1 脉冲频率调制法(PFM)

  PFM方法采用不控整流得到直流电压,通过改变逆变器输出电压的频率来改变负载的功率因数角f,从而调节输出功率的大小。

输出功率的表达式如(0.1)所示,其中f的表达式如(0.2)所示。根据表达式(0.1)和0.2)可以看出改变w就可以改变输出功率,而w则是由系统的开关频率所决定的。因此改变逆变器输出电压的频率就可以调节输出功率的大小。

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从图 4中可以看出,负载功率在谐振点频率0f处时是最大的,而偏离这个谐振频率时,负载功率都会降低。

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PFM方式最大优点是简化了设备,降低了成本,调频部分实现起来也比较简单。但是它也存在着一些难以克服的缺点。具体表现为以下3点:1、由于整流一般采用不控整流。这就要求逆变开关元件承受较高的浪涌电压或浪涌电流,这对逆变开关元件不利的:2、如果负载在加热过程中的参数变化比较大,那么负载工作频率可能会在一个相当大的频率范围内变化,负载适应性差。工件频率在功率调节过程中不断变化,导致集肤深度(注:导体中电流密度减小到导体截面表层电流密度的1/e处的深度。)也随之改变,这在要求严格的应用场合中是不允许的:3、在高频的工作场合,如果采用调频调功,由于没有对负载工作的相位角给出恒定的控制,在低功率输出时,负载功率因数较低,逆变开关元件承受较大的无功能量交换。但是由于PFM控制方法实现起来非常简单,在以下情况中可以考虑使用它:l:如果负载对工作频率范围没有严格限制,相位差可以存在而不必处于近谐振工作状态;2:如果负载的Q值较高,或者功率调节范围不是很大,则较小的频率偏片就可以达到调功的要求。总而言之,在要求严格的情况下,PFM方法不适用。


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