專利名稱：一種雙諧振式晶閘管中頻電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電源領(lǐng)域，尤其涉及一種用于感應(yīng)加熱線圈的晶閘管電力電子整流裝置。
背景技術(shù)：
在工業(yè)電源設(shè)備中，通常由電力電子整流器、中間電路、逆變器、并聯(lián)諧振式感應(yīng)加熱線圈及起動(dòng)電路組成晶閘管中頻電源。而雙諧振式晶閘管中頻電源，則是由整流器、中間電路、準(zhǔn)諧振電路、逆變器、并聯(lián)諧振式感應(yīng)加熱線圈及起動(dòng)電路組成中頻電源。由于增加準(zhǔn)諧振電路后，中頻電源工作特性得到改善，裝備可靠性及電源效率也得到提高。通常晶閘管并聯(lián)諧振中頻電源屬恒流源供電工作方式，即讓交流電通過整流器得到直流電流，再整流器與逆變器之間串聯(lián)一大電抗器來確保供給逆變器的電流相對(duì)穩(wěn)定，則可看作為恒流源。這類電源的特性在于感應(yīng)加熱線圈(即負(fù)載)兩端得到的負(fù)載電流波形是周期變化的方波，而負(fù)載電壓則為正弦波(參見圖1所示)，所以又稱之為電流源系統(tǒng)。由于負(fù)載電流是方波，則電流的變化率就非常大，導(dǎo)致對(duì)逆變器元件的技術(shù)參數(shù)要求就高，系統(tǒng)的可靠性在很大程度上也取決于逆變器元件的性能是否穩(wěn)定。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種雙諧振式晶閘管中頻電源，其在常規(guī)中頻電源系統(tǒng)的逆變器輸入端增加了一個(gè)電感電容器諧振回路，負(fù)載回路得到的中頻電流波形是周期變化的正弦波，使得在感應(yīng)加熱線圈(即負(fù)載)兩端得到的電流波形和電壓波形都是周期性變化的正弦波，從而有效降低了電流變化率，也降低了對(duì)逆變器技術(shù)參數(shù)的苛刻要求、并可有效減輕逆器件開關(guān)損耗，提高中頻電源裝置可靠性和效率。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是提供一種雙諧振式晶閘管中頻電源，包括依次連接的主電源斷路器、三相全控整流器、中間濾波電路、單相逆變電源和感應(yīng)加熱負(fù)載回路，其特征是在所述的中間濾波電路與單相逆變電源之間，設(shè)置逆變輸入端諧振回路；所述逆變輸入端諧振回路的輸入端與中間濾波電路的輸出端對(duì)應(yīng)連接；所述逆變輸入端諧振回路的輸出端與單相逆變電源的輸入端對(duì)應(yīng)連接。其中，所述的逆變輸入端諧振回路串聯(lián)設(shè)置在中間濾波電路與單相逆變電源之間。進(jìn)一步的，所述的逆變輸入端諧振回路為LC并聯(lián)諧振電路。具體的，所述LC并聯(lián)諧振電路由第二諧振電容和第二振蕩電感構(gòu)成，其所述第二諧振電容的兩端，分別與中間濾波電路的正、負(fù)輸出端對(duì)應(yīng)連接；所述第二振蕩電感的一端，與中間濾波電路的正輸出端及諧振電容的正極端連接，所述第二振蕩電感的另一端，與單相逆變電源的正輸入端對(duì)應(yīng)連接。[0012]更進(jìn)一步的，所述的LC并聯(lián)諧振電路由第二諧振電容、第三諧振電容和第二振蕩電感構(gòu)成，其中，所述第二、第三諧振電容的正極并聯(lián)后與中間濾波電路的正輸出端連接，所述第二、第三諧振電容的負(fù)極并聯(lián)后與中間濾波電路的負(fù)輸出端及單相逆變電源的負(fù)輸入端連接；所述第二振蕩電感的一端與中間濾波電路的輸出端和第二、第三諧振電容的正極連接，所述第二振蕩電感的另一端與單相逆變電源的正輸入端連接。與現(xiàn)有技術(shù)比較，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是1.采用雙諧振電路結(jié)構(gòu)，在逆變器輸入端新增加了一個(gè)第二 LC諧振回路，負(fù)載回路得到的中頻電流波形是周期變化的正弦波，逆變器功率器件開關(guān)所受沖擊損耗可有效得到減少，而且逆變器件對(duì)電流變化率的要求可顯著降低，整體電源裝置的效率得到提高；2.由于負(fù)載兩端的電流變化率得到有效降低，對(duì)功率器件的保護(hù)電路可以大大簡化，可有效減輕逆器件開關(guān)損耗，提高了整個(gè)電源裝置的可靠性；3.所增加的LC諧振回路電路結(jié)構(gòu)簡單，不會(huì)對(duì)原有電路造成傷害，便于實(shí)現(xiàn)，易于控制，有助于本技術(shù)方案的實(shí)施和推廣。

圖1是常規(guī)晶閘管中頻電源的負(fù)載波形示意圖；圖2是本實(shí)用新型的功能電路模塊結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例主回路的線路圖；圖4是本實(shí)用新型的負(fù)載波形示意圖。圖中I為常規(guī)中 頻電源的諧振電容器電流，Γ為本實(shí)用新型的諧振電容器電流，2為常規(guī)中頻電源的感應(yīng)線圈電流，2'為本實(shí)用新型的感應(yīng)線圈電流，3為常規(guī)中頻電源的負(fù)載電壓，3'為本實(shí)用新型的負(fù)載電壓，4為常規(guī)中頻電源的負(fù)載電流，4'為本實(shí)用新型的負(fù)載電流。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。目前，國外晶閘管式并聯(lián)諧振中頻電源的主電路結(jié)構(gòu)通常由整流器、中間濾波電路、逆變器(晶閘管器件以模塊結(jié)構(gòu)為主等多種)、感應(yīng)加熱負(fù)載電路(結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較復(fù)雜)、起動(dòng)電路(均為撞擊式起動(dòng)方式)和控制電路(數(shù)字電路為主、模-數(shù)電路也有應(yīng)用)構(gòu)成。而國內(nèi)晶閘管式并聯(lián)諧振中頻電源的主電路結(jié)構(gòu)通常由整流器、中間電路、逆變器(單體晶閘管器件居多、大容量時(shí)串并聯(lián)結(jié)構(gòu))、感應(yīng)加熱負(fù)載電路(多數(shù)情況下結(jié)構(gòu)不復(fù))、起動(dòng)電路(零壓起動(dòng)及復(fù)合起動(dòng)方式居多)和控制電路(數(shù)字電路較少，模-數(shù)電路較多)?，F(xiàn)有的常規(guī)晶閘管并聯(lián)諧振中頻電源，屬恒流源供電工作方式，即讓交流電通過整流器得到直流電流，再在整流器與逆變器之間串聯(lián)一個(gè)大電抗器，來確保供給逆變器的電流相對(duì)穩(wěn)定，則可稱之為恒流源。圖1中，I為電容器電流，2為感應(yīng)線圈電流，3為負(fù)載電壓，4為負(fù)載電流。這類常規(guī)電源的特性在于，感應(yīng)加熱線圈(即負(fù)載)兩端得到的電流波形4是周期變化的方波，而電壓3則為正弦波，所以又稱之為電流源系統(tǒng)。[0028]由于其負(fù)載電流是方波結(jié)構(gòu)，電流的變化率就非常大，導(dǎo)致對(duì)逆變器元件要求就高，系統(tǒng)的可靠性也就很大程度上取決于逆變?cè)骷男阅芊€(wěn)定與否。圖2中，本實(shí)用新型的雙諧振式晶閘管中頻電源，包括依次連接的主電源斷路器、三相全控整流器、中間濾波電路、單相逆變電源和感應(yīng)加熱負(fù)載回路，其特征是在中間濾波電路與單相逆變電源之間，設(shè)置有逆變輸入端諧振回路；其逆變輸入端諧振回路的輸入端與中間濾波電路的輸出端對(duì)應(yīng)連接，逆變輸入端諧振回路的輸出端與單相逆變電源的輸入端對(duì)應(yīng)連接。其中，逆變輸入端諧振回路串聯(lián)設(shè)置在中間濾波電路與單相逆變電源之間。具體的，其逆變輸入端諧振回路為LC并聯(lián)諧振電路。進(jìn)一步的，其LC并聯(lián)諧振電路由第二諧振電容和第二振蕩電感構(gòu)成，其第二諧振電容的兩端，分別與中間濾波電路的正、負(fù)輸出端對(duì)應(yīng)連接；其第二振蕩電感的一端，與中間濾波電路的正輸出端及諧振電容的正極端連接，第二振蕩電感的另一端，與單相逆變電源的正輸入端對(duì)應(yīng)連接。圖3中，給出了本實(shí)用新型雙諧振式晶閘管中頻電源的主回路線路圖，其中的LC并聯(lián)諧振電路由第二諧振電容33C1、第三諧振電容33C2和第二振蕩電感33L2構(gòu)成。其中，第二、第三諧振電容的正極并聯(lián)后與中間濾波電路33L1的正輸出端連接，第二、第三諧振電容的負(fù)極并聯(lián)后與整流器32TH1-6的負(fù)輸出端及單相逆變電源的負(fù)輸入端L 一連接；第二振蕩電感的一端與中間濾波電路的輸出端和第二、第三諧振電容的正極連接，第二振蕩電感的另一端與單相逆變電源的正輸入端L +連接。本實(shí)用新型的工作過程簡述本技術(shù)方案中的所謂“雙諧振”，是指除了感應(yīng)加熱線圈(即負(fù)載回路)需要電感與電容器并聯(lián)諧振外，在逆變器的 輸入端，又增加了一個(gè)第二電感電容器諧振回路(簡稱為LC并聯(lián)諧振電路，下同)，這就構(gòu)成雙諧振并聯(lián)式晶閘管中頻電源。在圖3中，三相交流電源通過主電源主斷路器(圖中未示出)向整個(gè)電源裝置提供三相交流電源。33TH1-6為三相全控整流器，其主要作用是通過主控制板(屬控制回路，圖中未示出)發(fā)出脈信號(hào)來調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通角，以實(shí)現(xiàn)對(duì)感應(yīng)加熱器功率大小的控制。33L1為直流中間濾波電路，其作用是提供逆變器恒定電流源，避免負(fù)載品質(zhì)因數(shù)Q值的過分下降；作為濾波環(huán)節(jié)，使輸出電流Id連續(xù)且平直，紋波更小；起著逆變器與整流器變流器間的隔離作用，使LC諧振時(shí)的中、高頻電流不能進(jìn)入工頻電網(wǎng)中去；再則是當(dāng)逆變器失敗時(shí)，逆變器如同短路，起到限制瞬時(shí)短路電流的作用。第二諧振電容33C1、第三諧振電容33C2和第二振蕩電感33L2構(gòu)成逆變器輸入端諧振回路原理是基于串聯(lián)和并聯(lián)諧振頻率公式
_ I _ IO 0— 或/o--7=
\ LL2Ic這里關(guān)鍵是諧振頻率的選擇，即電感和電容的諧振頻率要與逆變器的開關(guān)頻率接近，所以要做到匹配設(shè)計(jì)。假若，沒有逆變器入端諧振回路，則就是直流電壓直接供給逆變器。[0044]采用雙諧振電路結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)有三方面一是將負(fù)載電流由方波變換成了正弦波，使得逆變器功率器件開關(guān)受沖擊損耗可有效得到減少；二是逆變器功率器件受電流變化率的損壞程度降低；三是對(duì)功率器件的保護(hù)電路可以大大減化。由于逆變器是晶閘管式并聯(lián)諧振中頻電源的關(guān)鍵單元，該單元優(yōu)劣決定了整個(gè)電源裝備的可靠性。34TH1-8為逆變器，這是個(gè)單相橋式逆變器，每橋臂由二只晶閘管串聯(lián)，靠橋臂上對(duì)角線晶閘管的輪流導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)換流，通常情況下逆變器入端是直流，負(fù)載上獲得的電壓是正弦波，而電流則是非正弦的方波；增加了本技術(shù)方案中的逆變器輸入端諧振回路后，則均可在負(fù)載上獲正弦電壓和電流波形。34L1為感應(yīng)加熱器，感應(yīng)加熱是靠感應(yīng)線圈把電能傳遞給要加熱的金屬，然后電能在金屬內(nèi)部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。感?yīng)線圈與被加熱金屬并不直接接觸，能量是通過電磁感應(yīng)傳遞的。感應(yīng)加熱的原理與一般電氣設(shè)備中產(chǎn)生渦流以及渦流引起發(fā)熱的原理是相同的，不同的是在一般電氣設(shè)備中渦流是有害的，而感應(yīng)加熱卻是利用渦流進(jìn)行加熱的。這樣，感應(yīng)電勢在工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流(渦流)I，使工件加熱。其焦耳熱為Q=O. 24I2Rt式中，Q為電流通過電 阻產(chǎn)生的熱量(J) ;1為電流有效值(A) #為工件的等效電阻(Ω )。從公式可以看出，感應(yīng)電勢和發(fā)熱功率與頻率高低和磁場強(qiáng)弱有關(guān)。感應(yīng)線圈中流過的電流越大，其產(chǎn)生的磁通也就越大，因此提高感應(yīng)線圈中的電流可以使工件中產(chǎn)生的渦流加大；同樣提高工作頻率也會(huì)使工件中的感應(yīng)電流加大，從而增加發(fā)熱效果，使工件升溫更快。另外，渦流的大小與金屬的截面大小、截面形狀、導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率以及透入深度有關(guān)。34C1是第一諧振電容器，由于感應(yīng)加熱器的感應(yīng)線圈34L1呈大電感特性，必需要匹配合適的電容，讓電感與電容產(chǎn)生諧振；二者之間由于存在180度的相位差，正好實(shí)現(xiàn)了能量的互補(bǔ)，所以，諧振電容器也稱為功率因數(shù)補(bǔ)償電容。30TH1為起動(dòng)電路，起動(dòng)電路專門為諧振電容器(感應(yīng)器線圈)補(bǔ)充能量的作用。所謂起動(dòng)就是預(yù)先給負(fù)載回路中的補(bǔ)償電容器(或感應(yīng)器線圈)充電，然后使諧振電路中產(chǎn)生阻尼振蕩，從而使負(fù)載回路起振，在負(fù)載回路形成衰減振蕩，從而由控制系統(tǒng)檢測到振蕩信號(hào)，產(chǎn)生觸發(fā)逆變器的晶閘管的觸發(fā)信號(hào)，讓系統(tǒng)起動(dòng)運(yùn)行。在本技術(shù)方案中，在逆變器的輸入端增加了一個(gè)第二 LC并聯(lián)諧振電路，且電感L、電容C的數(shù)值按負(fù)載回路諧振頻率來考慮(即逆變器開關(guān)頻率)，圖3中所給出的是最簡單的LC并聯(lián)振蕩電路。LC振蕩電路在發(fā)生電磁振蕩時(shí)不向外界空間輻射電磁波，是嚴(yán)格意義上的閉合電路(當(dāng)逆變器工作時(shí)，就等同于L、C與負(fù)載回路相串聯(lián))。這里，LC電路內(nèi)部只發(fā)生線圈磁場能與電容器電場能之間的相互轉(zhuǎn)化。能產(chǎn)生大小和方向都隨周期(逆變器開關(guān)頻率)發(fā)生變化的電流叫振蕩電流，能產(chǎn)生振蕩電流的電路叫振蕩電路。振蕩電流是一種交變電流，是一種頻率很高的交變電流，它無法用線圈在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生，只能是由振蕩電路產(chǎn)生。[0057]定性分析充放電充電完畢(放電開始)電場能達(dá)到最大，磁場能為零，回路中感應(yīng)電流1=0。放電完畢(充電開始)電場能為零，磁場能達(dá)到最大，回路中感應(yīng)電流達(dá)到最大。充電過程電場能在增加，磁場能在減小，回路中電流在減小，電容器上電量在增加。從能量看磁場能在向電場能轉(zhuǎn)化。放電過程電場能在減少，磁場能在增加，回路中電流在增加，電容器上的電量在減少。從能量看電場能在向磁場能轉(zhuǎn)化。在振蕩電路中產(chǎn)生振蕩電流的過程中，電容器極板上的電荷，通過線圈的電流，以及跟電流和電荷相聯(lián)系的磁場和電場都發(fā)生周期性變化，這種現(xiàn)象叫電磁振蕩。該電路結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)為尚若取消逆變器輸入端的諧振電路，電源系統(tǒng)就是常規(guī)的中頻電源系統(tǒng)，負(fù)載回路得到的中頻電流波形是周期變化的方波。若接入逆變器輸入端的諧振回路后，負(fù)載回路得到的中頻電流波形就是周期變化的正弦波了。換句話說，該LC振蕩電路取消后，原有電路同樣能正常工作，就是一典型的常規(guī)電流源晶閘管中頻電源。采用上述技術(shù)方案后，所得到的負(fù)載波形如圖4所示。由圖可見，負(fù)載電流4'由圖1中的方波變換成了正弦波，由于負(fù)載兩端的電流變化率得到有效降低，使得逆變器功率器件開關(guān)受沖擊損耗可有效得到減少，整體電源裝置的效率得到提高，可有效減輕逆器件開關(guān)損耗，提高了整個(gè)電源裝置的可靠性。由于本技術(shù)方案中涉及到常規(guī)晶閘管并聯(lián)諧振中頻電源的部分為現(xiàn)有技術(shù)，故其具體細(xì)節(jié)和工作過程不再敘述。經(jīng)過測試分析對(duì)比，本技術(shù)方案的中頻電源要比沒增加逆變器輸入端諧振回路的常規(guī)中頻電源的效率提高10%左右。比如在同樣工況下，加熱工件溫度40度，本雙諧振式晶閘管中頻電源只需600KW的輸入功率，而采用常規(guī)中頻電源則需提供800KW的輸入功率。這是申請(qǐng)人所在單位對(duì)中頻電源裝備替代引進(jìn)實(shí)施國產(chǎn)化中頻電源后，再次提升裝備效率、可靠性和安全性的又一次技術(shù)突破，可在今后國產(chǎn)化項(xiàng)目中大力推廣。
權(quán)利要求1.一種雙諧振式晶閘管中頻電源，包括依次連接的主電源斷路器、三相全控整流器、中間濾波電路、單相逆變電源和感應(yīng)加熱負(fù)載回路，其特征是 在所述的中間濾波電路與單相逆變電源之間，設(shè)置逆變輸入端諧振回路； 所述逆變輸入端諧振回路的輸入端與中間濾波電路的輸出端對(duì)應(yīng)連接； 所述逆變輸入端諧振回路的輸出端與單相逆變電源的輸入端對(duì)應(yīng)連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的雙諧振式晶閘管中頻電源，其特征是所述的逆變輸入端諧振回路串聯(lián)設(shè)置在中間濾波電路與單相逆變電源之間。
3.按照權(quán)利要求1所述的雙諧振式晶閘管中頻電源，其特征是所述的逆變輸入端諧振回路為LC并聯(lián)諧振電路。
4.按照權(quán)利要求3所述的雙諧振式晶閘管中頻電源，其特征是所述LC并聯(lián)諧振電路由第二諧振電容和第二振蕩電感構(gòu)成，其所述第二諧振電容的兩端，分別與中間濾波電路的正、負(fù)輸出端對(duì)應(yīng)連接；所述第二振蕩電感的一端，與中間濾波電路的正輸出端及諧振電容的正極端連接，所述第二振蕩電感的另一端，與單相逆變電源的正輸入端對(duì)應(yīng)連接。
5.按照權(quán)利要求3所述的雙諧振式晶閘管中頻電源，其特征是所述的LC并聯(lián)諧振電路由第二諧振電容、第三諧振電容和第二振蕩電感構(gòu)成，其中，所述第二、第三諧振電容的正極并聯(lián)后與中間濾波電路的正輸出端連接，所述第二、第三諧振電容的負(fù)極并聯(lián)后與中間濾波電路的負(fù)輸出端及單相逆變電源的負(fù)輸入端連接；所述第二振蕩電感的一端與中間濾波電路的輸出端和第二、第三諧振電容的正極連接，所述第二振蕩電感的另一端與單相逆變電源的正輸入端連接。
專利摘要一種雙諧振式晶閘管中頻電源，屬電源領(lǐng)域。其包括主電源斷路器、三相全控整流器、中間濾波電路、單相逆變電源和感應(yīng)加熱負(fù)載回路，其特征是在中間濾波電路與單相逆變電源之間設(shè)置逆變輸入端諧振回路；逆變輸入端諧振回路的輸入端與中間濾波電路的輸出端對(duì)應(yīng)連接，逆變輸入端諧振回路的輸出端與單相逆變電源的輸入端對(duì)應(yīng)連接；所述的逆變輸入端諧振回路為LC并聯(lián)諧振電路。其負(fù)載回路得到的中頻電流波形是周期變化的正弦波，使得在負(fù)載兩端得到的電流波形和電壓波形都是周期性變化的正弦波，可有效減輕逆器件開關(guān)損耗，提高中頻電源裝置可靠性和效率。所增加的LC諧振回路電路不會(huì)對(duì)原有電路造成傷害，易于控制，有助于本技術(shù)方案的實(shí)施和推廣。
文檔編號(hào)H02M5/458GK202906748SQ20122056119
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月30日
發(fā)明者廖國斌, 沈懿, 李佳慶, 劉俊嶺, 王武君, 黃志剛 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司