採用雙重並聯諧振逆變迴路的大功率中頻電源的製作方法
2023-12-05 15:06:26 2
專利名稱：採用雙重並聯諧振逆變迴路的大功率中頻電源的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於大功率熔煉爐及透熱負載的中頻電源電路，特別是一種採用雙重並聯諧振逆變迴路的大功率中頻電源。
背景技術：
目前廣泛應用於金屬熔煉、鍛件透熱的可控矽中頻感應加熱爐大多採用並聯補償逆變電路，傳統的並聯補償逆變電路如圖1所示，是由三相可控矽全波整流橋，通過平波電抗器連接並聯補償逆變器構成；其導通的可控矽1和可控矽2不能自行關斷，只有通過觸發另一橋臂的可控矽3和可控矽4，利用電容C上的殘餘電壓對可控矽1和可控矽2反向放電，才能將其強迫關斷；同樣可控矽3和可控矽4也要靠觸發可控矽1和可控矽2來強迫其關斷。由此可見，並聯補償型逆變器的四隻可控矽在換流的過程中必然出現同時導通的情況。一旦並聯補償電容C上的電荷儲量不足，或換流時間選擇不當，都有可能導致逆變顛覆。這種問題會嚴重影響並聯補償型逆變器的起振成功率。而且，中頻電源輸出功率越大，問題越嚴重。
還有採用串聯補償逆變電路。圖2示出的是一種傳統的串聯補償逆變電路，該電路的優點是逆變可控矽可以自然關斷，不存在起振困難。整流橋輸出的脈動直流電經過平波電抗Ld和平波電容Cd濾波後，形成恆壓源，對串聯諧振逆變橋供電。串聯諧振電容C1和C2分別通過可控矽1和可控矽2交替向爐體電感L放電，形成串聯諧振。此類設備的恆壓源供電模式決定了UC1＋UC2＝恆定常數，所以當C1放電後，UC1降低(甚至變成負電壓)，導致UC2升高，而C2放電後又會反過來導致UC1的進一步升高。如此循環往復，電壓逐步累加，最終形成電壓諧振，即|UC1|＝|UC2|＝|UL|＝QUAB。其中UAB是中頻電源的輸出電壓，Q是LC串聯諧振迴路的品質因數。一般熔煉負載的Q值在3～5之間變化因此，無論是爐體線圈還是補償電容所承受的中頻電壓都可能高達數萬伏。爐體線圈L的電壓過高會導致線圈匝間短路而「放炮」，由此可發生爐體爆炸造成爐毀人傷。補償電容器C1和C2上的電壓過高使得其所承受的虛功功率以平方關係急劇增長(虛功功率＝UC2ωC)。由於Q值無法人為控制，只能通過降低UAB來限制|UC1|、|UC2|和|UL|，但是，因此也大大降低了中頻電源的輸出功率(P∝UAB2)，其結果是延長了冶煉的時間，增加了能耗。
專利號為92219355.X的專利公開的是一種由串聯諧振與並聯補償相結合的逆變電路。其突出特點是採用恆壓源供電，所以它的兩隻諧振電容C1和C2會發生電壓逐步累加，最終形成串聯補償逆變器所固有的電壓諧振特徵|UC1|＝|UC2|＝QUAB。此方案中的逆變可控矽和諧振電容都要承受過高的電壓，因此不宜在大功率中頻爐上使用。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，提供一種簡單、可靠、適用於金屬熔煉的採用雙重並聯諧振逆變迴路的大功率中頻電源。
本發明所採用的技術方案是一種採用雙重並聯諧振逆變迴路的大功率中頻電源，包括有由整流可控矽SCR1～SCR6組成的兩組三相半波整流器合併而成的可控矽全波整流橋及平波電抗器Ld1、Ld2構成的兩個恆流源和一個雙重並聯諧振逆變迴路。具體連接是，通過整流可控矽SCR1、SCR3、SCR5輸入的正半波脈動直流連接到平波電抗Ld1的一端，Ld1的另一端分別連接諧振電容C1的一端和逆變可控矽SCR7的陽極，SCR7的陰極與另一隻逆變可控矽SCR8的陽極相連接並成為該中頻電源向外輸出中頻電的一個輸出端點A；通過整流可控矽SCR4、SCR6、SCR2輸入的負半波脈動直流連接到平波電抗Ld2的一端，Ld2的另一端分別連接諧振電容C2的一端和逆變可控矽SCR8的陰極；電容C1的另一端和電容C2的另一端一同與輸入電源變壓器的零線相連接並成為該中頻電源的另一個輸出端點B；在該中頻電源的兩個輸出端點A和B之間接有由諧振電感L1與並聯槽路LC相串接而構成的爐體負載Z。
本電路中的爐體負載LC構成基本的並聯諧振槽路，在諧振條件下，該槽路可以被等效的簡化為一個負載電阻R，於是，迴路C1、SCR7、L1、R與迴路C2、SCR8、L1、R各自又構成一組分別由正負恆流源供電的並聯槽路。隨著SCR7和SCR8的交替導通，這兩個並聯槽路分別完成正負半波的中頻電流諧振。C1L1(或者C2L1)的電流諧振可以使SCR7(或者SCR8)自然關斷，克服了傳統的並聯補償中頻電源易發生逆變顛覆的弊病，提高了起振可靠性。諧振電容C1和C2分別由兩組相互獨立的恆流源供電，彼此不發生電壓累加，根除了傳統的串聯諧振中的過電壓問題。
應當指出，在諧振電容C1通過可控矽SCR7和電感L1對LC並聯槽路放電過程中，C1與L1之間存在著電壓諧振，其結果會抬高C1上的電壓UC1使得UC1≥U出，其中U出是中頻輸出電壓。當SCR7關斷時，UC1的絕大部分施加在SCR7上。為了降低UC1的幅值，本設計的特點之一是，並聯諧振槽路LC(同時也是爐體負載)作為一個能量衰減因子串接在L1C1諧振迴路中，吸收L1C1的諧振能量，從而有效抑制了因L1C1發生電壓諧振而造成的在L1和C1上的電壓增高；其特點之二是，把L1也纏繞在爐體上，讓L1也參與加熱金屬爐料，這不僅增加了感應加熱的效率，而且利用金屬爐料有效吸收L1中的交變磁能，進一步降低了振蕩迴路的Q值。實驗證明，這兩項措施可以把C1和C2上的電壓降低到安全範圍之內，即C1和C2上的峰值電壓約等於中頻輸出電壓的1.5～1.8倍。
圖1是現有的並聯補償逆變電路的原理圖；圖2是現有的串聯補償逆變電路的原理圖；
圖3是本發明的採用雙重並聯諧振逆變迴路的大功率中頻電源電路的原理圖；圖4是本發明的採用雙重並聯諧振逆變迴路的大功率中頻電源的一實施例的電路原理圖；圖5是本發明的採用雙重並聯諧振逆變迴路的大功率中頻電源電路的又一實施例的電路原理圖；圖6是由圖4、圖5實施例綜合在一起的一實施例的電路原理圖；圖7是現有技術的過電壓阻容吸收電路原理圖；圖8是本發明的過電壓吸收電路實施例的電路原理圖。
圖9是本發明實施例的逆變可控矽觸發電路原理圖。
具體實施例下面結合附圖給出具體實施例，進一步說明本發明是如何實現的。
如圖3所示，採用雙重並聯諧振逆變迴路的大功率中頻電源，包括有由整流可控矽SCR1～SCR5組成的兩組三相半波整流器合併而成的可控矽全波整流橋及平波電抗器Ld1、Ld2構成的兩個恆流源和一個雙重並聯諧振逆變迴路，具體連接是，通過整流可控矽SCR1、SCR3、SCR5輸入的正半波脈動直流連接到平波電抗Ld1的一端，Ld1的另一端分別連接諧振電容C1的一端和逆變可控矽SCR7的陽極，SCR7的陰極與另一隻逆變可控矽SCR8的陽極相連接並成為該中頻電源向外輸出中頻電的一個輸出端點A；通過整流可控矽SCR4、SCR6、SCR2輸入的負半波脈動直流連接到平波電抗Ld2的一端，Ld2的另一端分別連接諧振電容C2的一端和逆變可控矽SCR8的陰極；電容C1的另一端和電容C2的另一端一同與輸入電源變壓器的零線相連接並成為該中頻電源的另一個輸出端點B；在該中頻電源的兩個輸出端點A和B之間接有由諧振電感L1與並聯槽路LC相串接而構成的爐體負載Z。
如圖4所示，在中頻電源的直流部分，還可在圖3電路原理的基礎上，增加了兩隻續流二極體D1和D2。其中D1的陰極連接在正向三相半波整流器的正電輸出端，D1的陽極與電源變壓器次級零線相連接；D2的陰極也與零線相連接，D2的陽極連接在負向三相半波整流器的負電輸出端。在本實施例中還給逆變可控矽SCR7和SCR8配置了適當的過電壓吸收電路1。
續流二極體D1和D2的作用有二其一是阻止可控矽整流器拉逆變。這樣做的好處是當整流器負載發生劇烈變化時(比如，中頻電源起振時)整流器的輸出電壓比較穩定，從而保證了中頻電源有更高的起振成功率。其二是當整流器交流側突然斷開時，D1和D2可以分別給平波電抗器Ld1和Ld2續流，避免了Ld1和Ld2因突然電流中斷而產生極高的自感電動勢，從而保護了SCR1-SCR6不被高電壓擊穿。
如圖5所示，為了消除L1上的感生電動勢給可控矽SCR7和SCR8帶來過電壓，本實施例在電路原理圖(圖3)的基礎上增加了分別與可控矽SCR7和SCR8反並聯的兩隻續流二極體D3和D4，其中D3的陰極連接SCR7的陽極，而D3的陽極連接SCR7的陰極，D4的陰極連接SCR8的陽極，而D4的陽極連接SCR8的陰極。其作用機理如下由於L1與L同繞在爐體上，所以二者之間有很強的互感。當逆變可控矽SCR7和SCR8同時關斷時，流過L1的電流為零，而L上仍有很強的電流通過，該電流會在L1上感應出比較高的電壓，此感生電壓也施加在可控矽SCR7和SCR8上。反並聯續流二極體D3和D4可以徹底消除此感生過電壓。此外，在圖5的實施例中還給逆變可控矽SCR7和SCR8配置了適當的過電壓吸收電路1。
如圖6所示，在綜合上述圖4和圖5的基礎上，將電路中逆變可控矽SCR7SCR8分別並聯有續流二極體D3和D4，並給逆變可控矽SCR7和SCR8配置了適當的過電壓吸收電路1；在輸入正半波脈動直流電的可控矽SCR1、SCR3、SCR5與平波電抗Ld1之間、在輸入負半波脈動直流電的可控矽SCR2、SCR4、SCR6與平波電抗Ld2之間還分別接有二極體D1、D2，二極體D1、D2的另一端共同與輸入電源變壓器的零線相連接。
過電壓吸收電路1可以採用現有技術的阻容吸收電路(如圖7所示)或採用本發明在圖8中虛框1給出的一個實施例。在圖8實施例中，逆變可控矽SCR7的陽極連接吸收電容Ca的一端，Ca的另一端連接二極體Da的陽極和洩放電阻Ra的一端；逆變可控矽SCR8的陰極連接吸收電容Cb的一端，Cb的另一端連接二極體Db的陰極和洩放電阻Rb的一端；二極體Da的陰極和二極體Db的陽極接在一起並連接到該中頻電源的輸出端點A；洩放電阻Ra的另一端和洩放電阻Rb的另一端連接在一起並接到其輸入電源變壓器的零線上，亦即該中頻電源的輸出端點B。
在上述所有實施例中，組成爐體負載Z的電感L1和並聯諧振槽路LC的位置可以對調，即逆變可控矽SCR7的陰極與逆變可控矽SCR8的陽極連接點A與並聯諧振槽路LC的一端連接，並聯諧振槽路LC的另一端與電感L1的一端連接，電感L1的另一端則連接到電容C1與電容C2的連接點B及輸入電源變壓器的零線上，電路的其它部分不變。實施例的這一改型與本實施例圖4、圖5、圖6電路拓撲結構相同，自然具有相同的功能。其諧振電感L1與並聯槽路的電感L都纏繞在爐體上，一同參與加熱金屬爐料。
逆變可控矽SCR7和SCR8的觸發電路如圖9所示，其中1、2兩點分別採集逆變續流二極體D3和D4的電流信號。當1為正時，觸發器D1的Q＝1，而觸發器D2的Q＝0。等到可控矽SCR7恢復阻斷時，Ua＞0，於是與非門P1打開，電晶體T1關斷，則恆流源E1對電容C1充電，形成鋸齒波。該鋸齒波再經電壓比較器5與端子7輸入的參考電壓比較後，形成逆變可控矽SCR8的觸發信號，使其開通。反之，則由電壓比較器6給出逆變可控矽SCR7的觸發信號。
權利要求
1.一種採用雙重並聯諧振逆變迴路的大功率中頻電源，其特徵在於，包括有由整流可控矽SCR1～SCR6組成的兩組三相半波整流器合併而成的可控矽全波整流橋及平波電抗器Ld1、Ld2構成的兩個恆流源和一個雙重並聯諧振逆變迴路，具體連接是，通過整流可控矽SCR1、SCR3、SCR5輸入的正半波脈動直流連接到平波電抗Ld1的一端，Ld1的另一端分別連接諧振電容C1的一端和逆變可控矽SCR7的陽極，SCR7的陰極與另一隻逆變可控矽SCR8的陽極相連接並成為該中頻電源向外輸出中頻電的一個輸出端點A；通過整流可控矽SCR4、SCR6、SCR2輸入的負半波脈動直流連接到平波電抗Ld2的一端，Ld2的另一端分別連接諧振電容C2的一端和逆變可控矽SCR8的陰極；電容C1的另一端和電容C2的另一端一同與輸入電源變壓器的零線相連接並成為該中頻電源的另一個輸出端點B；在該中頻電源的兩個輸出端點A和B之間接有由諧振電感L1與並聯槽路LC相串接而構成的爐體負載Z。
2.根據權利要求1所述的採用雙重並聯諧振逆變迴路的大功率中頻電源，其特徵在於，其爐體負載Z的連接方法為該中頻電源的輸出端點A連接到諧振電感L1的一端，L1的另一端與並聯槽路LC的一端相連接，而並聯槽路LC的另一端連接到該中頻電源的另一個輸出端點B。
3.根據權利要求1所述的採用雙重並聯諧振逆變迴路的大功率中頻電源，其特徵在於，其爐體負載Z還可連接成為該中頻電源的輸出端點A連接到並聯槽路LC的一端，並聯槽路LC的另一端與諧振電感L1的一端相連接，L1的另一端連接到中頻電源的另一個輸出端點B。
4.根據權利要求1所述的雙重並聯諧振逆變迴路的大功率中頻電源，其特徵在於，其逆變可控矽SCR7、SCR8還可分別附加反並聯續流二極體D3和D4，其中D3的陰極連接SCR7的陽極，而D3的陽極連接SCR7的陰極，D4的陰極連接SCR8的陽極，而D4的陽極連接SCR8的陰極。
5.根據權利要求1所述的採用雙重並聯諧振逆變迴路的大功率中頻電源，其特徵在於，還可以給其逆變可控矽SCR7和SCR8附加過電壓吸收電路，即逆變可控矽SCR7的陽極連接吸收電容Ca的一端，Ca的另一端連接二極體Da的陽極和洩放電阻Ra的一端；逆變可控矽SCR8的陰極連接吸收電容Cb的一端，Cb的另一端連接二極體Db的陰極和洩放電阻Rb的一端；二極體Da的陰極和二極體Db的陽極接在一起並連接到該中頻電源的輸出端點A；洩放電阻Ra的另一端和洩放電阻Rb的另一端連接在一起並接到其輸入電源變壓器的零線上，亦即該中頻電源的輸出端點B。
6.根據權利要求1所述的採用雙重並聯諧振逆變迴路的大功率中頻電源，其特徵在於，其諧振電感L1與並聯槽路的電感L都纏繞在爐體上，一同參與加熱金屬爐料。
7.根據權利要求1所述的採用雙重並聯諧振逆變迴路的大功率中頻電源，其特徵在於，在其直流部分還可以給其正向和反向的三相半波整流器各增設一隻續流二極體D1和D2，其中D1的陰極連接在正向三相半波整流器的正電輸出端，D1的陽極與電源變壓器次級零線相連接；D2的陰極也與零線相連接，D2的陽極連接在負向三相半波整流器的負電輸出端。
全文摘要
本發明公開一種採用雙重並聯諧振逆變迴路的大功率中頻電源，包括有兩組三相半波整流器構成的兩組獨立的正、負恆流源。在爐體負載LC並聯迴路被等效為阻抗R的情況下，迴路C
文檔編號H02M7/521GK1507143SQ0215378
公開日2004年6月23日 申請日期2002年12月6日 優先權日2002年12月6日
發明者羅馬, 蘇玉民, 黃旭東, 高成群, 羅 馬 申請人:南開大學