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串联谐振式中频电源的节能效果分析
2021-06-29

 随着社会的发展以及人们对环保节能高效需求的提高,用感应加热电源代替传统的煤、气加热方式,在金属熔炼、热处理及工件透热等行业已得到广泛应用,但单纯标准型的感应加热设备已经远远不能满足市场的需求,需要的是不断改进提升的加热设备,因此节能环保型加热设备将会有广阔的市场发展前景,目前用于钢管加热的中频电源逆变电路部分,主要采用的是并联逆变电路,而对串联谐振逆变电路的研究相对较少。本文将对串联谐振的工作特性进行分析,并以应用实例来证明其显著的节能效果。


串联谐振


1 中频电源电路的核心构件

1.1 中频电源整流器及其类型

  无论中频电源采用何种谐振形式,必须先将三相供电电源整流为直流电源,再将直流电源逆变成单相中频电源,才能向负载提供电能。根据逆变器种类的不同,中频电源采用的整流器形式也不同。整流器共分 3 种形式:①三相不可控整流器,其输出电压取决于电源进线线电压,整流器的输出电压不可控制;因此,不可控整流器必须与一个可调电源输出功率的逆变器一起使用。②三相全控整流器,通过调节可控硅的控制角 α 来控制整流输出电压,从而调整输出功率。其优点是整流输出电压可控、可调,但存在两个缺点:一是当整流器的直流输出电压下降时,进线电网的功率因数也将随之下降;二是控制响应时间较慢,因为它不可能比其采用的进线频率响应更快。当然可以弥补这些缺点,但需采用一些复杂的附加功率器件。③三相半控整流器,该整流器可通过调节可控硅 SCR1~SCR3 来调节整流电压。在以上 3 种整流器中,应用最广的是三相全控整流器,该整流器的优点是输出电压连续可调,适用于各种直流负载电路。中频电源的并联谐振逆变器中,由于逆变器的工作频率必须和其负载 LC 的振荡频率相同才能正常工作,并联逆变器的输出功率无法自己调整,必须通过改变其输入电压大小才能调整输出功率;因此,并联谐振逆变器必须采用三相全控整流器为其提供电能。

1.2 中频电源逆变器及其类型

  中频电源的逆变器常见的有两大类:一类为并联谐振式逆变器,另一类为串联谐振式逆变器。

  并联谐振式逆变器就是电容器 C 和线圈 L 连接成并联式谐振回路,串联谐振式逆变器是电容器C 和线圈 L 连接成串联式谐振回路。并联逆变器和串联逆变器是中频电源逆变器的基本形式,但特性各异,目前应用最多的是并联谐振式逆变器。串联谐振式逆变器受技术条件限制,在我国发展较晚,至今也只有为数不多的企业能够生产制造。

  并联谐振式逆变器的输出电压为正弦波,电流为方波,采用自激方式控制,其工作频率为 LC 的自由振荡频率,输出功率大小根据输入电压高低确定,需要恒流源供电。串联谐振式逆变器输出电压为方波,电流为正弦波,采用他激方式控制,通过改变逆变器的频率来调整逆变器的输出功率,采用恒压源为其供电。

2 中频电源电路的基本形式

  通过以上介绍可以看出,并联逆变器必须采用三相全控整流器作为直流电源,其主电路原理如图1 所示。而串联逆变器原则上 3 种整流器均可为其供电,但为了控制方便和节能,一般采用三相不可控整流器或三相半控整流器作为直流电源,如图2~3 所示。其中:a、b、c 代表三相,SCR1~SCR10 为可控硅,LD 为滤波电抗器,L 为振荡线圈,C 为振荡电容器,D1~D8 为整流二极管,Cd1、Cd2 为滤波电容器,Cn1、Cn2 为谐振电容器。

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  串联谐振逆变器虽然采用三相半控整流器提供直流电源,但不用来调压,只用来在软启动和出现故障时作为电子开关,快速切断电源。正常工作时,可控硅总是处于全导通状态,其工作特性与图2 所示的三相不可控整流器串联谐振电路完全相同。一般 100 kW 以上的中频电源多采用此种整流方式。

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