可控硅串联中频感应电源的深入研究
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摘要：串联逆变电源工作时，整流始终在全导通情况下工作，改变逆变回路输出功率是靠控制逆变触发脉冲频率来实现。且负载电流为正弦波，所以串联逆变电源不会有高次谐波严重污染电网，且功率因数高。
1.引言
90年代我国工业飞速发展，大容量、高功率，低能耗的中频电炉越来越被人们所关注，尤其在铸造领域中，中频电炉能提供高质量的铁水和钢水，便于在熔化过程中控制温度和化学成份，因此近年大量引进国外制造的大容量可控硅中频电炉，已达数百台之多，几乎国内上规模的机械制造厂、机床厂、汽车制造厂的高端技术市场都被国外厂商占有。目前国内产品比较国外，在控制技术上，按装工艺上仍有相当差距。
我国电器工业经过多年的发展，目前安装大容量中频电炉元器件己具备相当条件，大电流耐高压可控硅，高压电热电容己能生产，满足需求。中频逆变电源的开关元件，目前有二种，可控硅SCR和绝缘栅双极型场效应晶体管IGBT，根据国外文献所载，大功率，较低频率（
IGBT特别适用于频率高，功率较小的变频加热设备，如小容量中频真空熔炼炉，工件表面淬火和小件透热等。目前国内200A以上的IGBT都需依赖进口，还受到出口国的限制，最大容量为800A/1 5 0 0V。组装大功率电源时，不得不把IGBT串联后再多组并联，对用户来说，元件损坏时就得长期依赖于设备制造厂商供应备件
2.串并电路的比较
国内外中频感应电炉主要有二种类型，并联逆变和串联逆变二类，过去由于我国不能生产高压谐振电热电容和大功率高压可控硅，所以普遍生产并联谐振型中频炉，现在由于近二年元器件在技术上已有所突破，所以一些电炉制厂商都竞相争雄开发串联型中频电炉。
并联逆变是电流型谐振。振荡回路中的电流I是电源供给电流i的Q倍。Q为回路品质因素，通常可达6以上，因此电流I在谐振回路内很大，负载线圈L，电容C，以及铜排内发热损耗很大。
串联逆变是电压型谐振。回路中的电流与电源供给的电流相等，而在电容C和负载线圈上的振荡电压为电源电压的Q倍，可高达2500VAC以上。由于谐振回路电流I等于通过可控硅的电源电流i。所以串联逆变较并联逆变回路中的电能损耗要小得多，因此串联逆变电炉电效率大大高于并联逆变电路。
3.一拖二工作原理
运行方式采用一拖二，一拖二即一套整流电源带动二套逆变装置运行，也可以任何一套逆变装置单独运行，供电给A炉或B炉，双供电一拖二功能，特别适用于中小铸件大批量连续生产运行，任意一台电炉高功率熔化作业，另一台炉体可保温或将冷料预热，功率按需任意分配，二台电炉的使用功率总和恒定不变，两台电炉连续交替熔化和保温浇铸，同时运行，可使电源始终在满功率下运行，以此提高电炉的熔化生产率。
4.桥式串联逆变器工作过程的分析
为便于分析串联逆变器的工作过程起见，我们可先从简化串联逆变器电路入手进行分析。SCR1～SCR4、D1～D4组成逆变桥臂，C为补偿电容器，L、R为负载的等值电感、电阻。这里，我们暂不考虑换向电抗器等其他元件的影响。串联逆变器要求接在恒压源上，所以在电源侧并有一组大容量的电容Cd。
当t=t0时，触发脉冲ug1、4触发可控硅SCR1、4，使可控硅SCR1和SCR4导通，工作电流ia从电源正极经SCR1C、L、RSCR4，回到电源负极，这时的工作状态实际上是C、L、R串联电路接通直流电源时的过渡过程。当R
当t>t1，电容C开始向电感L、电阻R及电源放电，电流ia的路径为D1CdD4R、L、C，流过负载回路的电流反向，当电容C上的电压等于Ud时，回路中电流ia达到负向最大值，电感电压为零，但由于电感中电流不能突变，电感上产生一个电感电压，使电流继续维持，电容C继续放电，直到电容电压接近于零。t1～t2段时间的波形，实际上就是串联谐振负半周的电流、电压波形。t=t2时，电流自然过零，D1、4关断，此时可控硅SCR1、4也已恢复正向阻断能力，第一个过渡过程结束了。t2～t3这段时间内回路中电流等于零。
当t=t3时，触发脉冲ug2、3触发可控硅SCR2、3，可控硅SCR2及SCR3导通，开始第二个过渡过程，这一过渡过程与第一个过渡过程是完全一样的。t3-t6段时间内的波形，只是相位差180度。两个过渡过程组成了逆变电路的一个工作周期。当t3=t2时，即第一个过渡过程刚结束，紧接着触发可控硅SCR2、3，即开始第二个过渡过程。若t3继续提前，也就是说二极管D1、4中的电流还尚未过零前，就触发可控硅SCR2、3，开始第二个过渡过程，在这种情况下，通过负载的电流波形就类似于正弦波了。在t0～t1时间内，电流通过可控硅SCR1、4； 在t1～t2时间内，电流通过二极管D1、4； 在t2～t3时间内，电流通过可控硅SCR2、3；t3～t4时间内，电流通过二极管D2、3。以后就重复上面过程。
由上述分析可见，串联逆变器的换流过程可分为两个阶段：流经可控硅SCR1、4的电流过零后，电流自然的转移到反馈二极管D1、4，我们将这一阶段称之为自然换流过程。在自然换流过程中，虽然导电元件改变了，电流从SCR1、4转移到D1、4，但电路的结构却没有变。第二个换流阶段是当流经二极管D1、4的电流在尚未自然过零前，就触发可控硅SCR2、3，强迫电流从D1、4转移到可控硅SCR2、3中，我们称这一阶段为强迫换流过程。在串联逆变器中，换流过程正常与否，决定了逆变器是否能正常工作。
通过比较可以清楚地看到，在这两种工作状态下虽然逆变器的固有频率ω0未变，但工作频率却提高了，逆变器的输出功率也大了。串联逆变器的工作频率ω必须小于串联谐振频率电路的固有频率ω0，但到底要小多少呢？这完全取决于可控硅元件的关断时间toff，也就是说，在可控硅SCR1、4中电流自然过零到触发可控硅SCR2、3的时间间隔内，必须保证可控硅SCR1、4正向阻断能力完全恢复，td称之为触发延迟时间。
为保证电流过零后的可控硅完全恢复正向阻断能力，加在电流过零后的可控硅上的反向电压时间必须足够长，即必须满足td≥toff。如果td﹤toff，也就是当某一工作臂的可控硅电流过零后，其正向阻断能力尚未恢复之前就触发导通另一工作臂的可控硅，逆变器将发生直通短路。所以说td是串联逆变器中的一个重要参数，正确选取td，才能保证串联逆变器正常工作。
5.可控硅串联电源的优点
串联逆变电源工作时，整流始终在全导通情况下工作，改变逆变回路输出功率是靠控制逆变触发脉冲频率来实现。且负载电流为正弦波，所以串联逆变电源不会有高次谐波严重污染电网，且功率因数高。可以保证设备在保温、烘炉等任何工况下的功率因素大于0.98。而并联逆变不可能实现一拖二自动调功运行，因为并联逆变电源调功只能靠调节整流桥输出电压来实现，当并联逆变整流桥工作在低电压，整流导通角很小状态下，设备的功率因数将会很低，且并联逆变负载电流为方波，将会严重污染电网。如果靠调节逆变反压角来调功，调功范围是很窄的，因此并联逆变电源是无法实现一拖二运行的。
参考文献
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2.周鹤良.电气工程师手册.北京：中国电力出版社，2008
3.林渭勋.可控硅中频电源.北京：机械工业出版社，1983
4.王振东 曹孔健 何纪龙.感应熔炼炉.化学工业出版社，2007
作者简介：
谷锟，（1981.3-），男，工程师，在辽宁省化工地质勘查院从电气自动化研究工作。