专利名称：虚功诱导环型谐振电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种虚功诱导环型谐振电源，属于固态逆变电源技术领域，主要用于金属加热和熔炼。
背景技术：
目前广泛应用的逆变器多为传统的并联补偿逆变电路和串联补偿逆变电路。传统的并联补偿逆变电路如图1-1所示。其炉体电感Lp和补偿电容Cp相并联，直流电压Ep与一个很大的电抗器Ldp串联构成恒定电流源给逆变桥供电。它采用强迫换流，即在第一个桥臂的晶闸管Tp1和Tp2导通的状态下强行触发另一桥臂的晶闸管Tp3和Tp4，所以每一次换流都要经受四只晶闸管同时导通的过程，比较容易发生逆变颠覆，故起振成功率较低。此外，并联补偿型逆变器的输出功率极易受炉壁厚度和炉料温度的影响，炉壁增厚和炉料升温都会严重降低其输出功率。
图1-2示出的是一种传统的串联补偿逆变电路，直流电压源Es输出的直流电经过平波电容Cds滤波后，形成恒压源，对串联谐振逆变桥供电。电容Cds通过晶闸管Ts1、Ts2和晶闸管Ts3、Ts4交替向电感线圈Ls放电，形成串联谐振。此类电路的恒压源供电模式决定了电压逐步累加，最终形成电压谐振，即|Ucs|＝QEs，|ULs|＝QEs。其中Es是电源的输出电压，Q是LsCs串联谐振回路的品质因数。该电路的特点是可以实现恒功率输出，但是这种恒功率输出是以增大谐振电容和电感上的电压为代价。在高Q值时，谐振电容和电感上的电压会是输入电压的Q倍，造成高电压危险。比如此串联谐振电路应用于中频电源中，一般熔炼负载的Q值在10～20之间变化，所以，无论是炉体线圈还是补偿电容所承受的中频电压都可能高达数万伏。炉体线圈的电压过高会导致线圈匝间短路而“放炮”，由此可发生炉体爆炸造成炉毁人伤。谐振电容器Cs上的电压过高使得其所承受的虚功功率以平方关系急剧增长(虚功功率＝UCs2ωCs)。由于Q值无法人为控制，只能通过降低输入的直流电压Es来限制|UCs|和|ULs|，因此也大大降低了中频电源的输出功率P(P∝Es2)，其结果是延长了冶炼的时间，增加了能耗。
图1-3示出的是一种传统的半桥串联补偿逆变电路。直流电压源Eb输出的直流电经过平波电容Cdb滤波后，形成恒压源，对串联谐振逆变桥供电。串联谐振电容Cb1和Cb2分别通过晶闸管Tb1和Tb2交替向电感线圈Lb放电，形成串联谐振。此类电路的恒压源供电模式决定了UCb1+UCb2＝恒定常数，所以逃脱不了电压累加的弊端。
以上逆变器主电路均采用单回路谐振模式，且不具备将振荡虚功诱导为实功的能力，受Q值规律的约束，在炉体感应线圈的Q值很高时，会出现诸多问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，改变以往单回路谐振模式，提供一种虚功诱导环型谐振电源，具有谐振系统的Q值越高，其输出功率越大的优越特性。
本发明所采用的技术方案是如图2所示，一种虚功诱导环型谐振电源，由两个直流恒流电源和一个换流桥构成。第一个直流恒流电源由直流电压源E1与平波电抗器Ld1相串联而构成，第二个直流恒流电源由直流电压源E2与平波电抗器Ld2相串联而构成。其换流桥由谐振电容器C1和C2、炉体感应线圈L、与L相串联的隔直电容器C3以及晶闸管T1和T2构成。该换流桥连接方式是，谐振电容器C1一端与晶闸管T1阳极连接构成换流桥的X点，谐振电容器C2一端与晶闸管T2阴极连接构成换流桥的Y点，谐振电容器C1的另一端和谐振电容器C2的另一端相连接成为该换流桥的一个输出端点M，晶闸管T1的阴极和晶闸管T2的阳极相连接成为该换流桥另一个输出端点N，炉体感应线圈L与隔直电容器C3相串联后，接在换流桥的两个输出端点M和N之间。由直流电压源E1与平波电抗器Ld1相串联而成的第一个直流恒流电源的正极端接在换流桥的X点上，由直流电压源E2与平波电抗器Ld2相串联而成的第二个直流恒流电源的负极端接在换流桥的Y点上，第一个直流恒流电源的负极端与第二个直流恒流电源的正极端相互连接构成直流电源的零点O，在零点O与换流桥的输出端点M之间接有零线滤波电抗器LN。我们选取LN＞Ld1≈Ld2，因此逆变器振荡电流很难流过LN，换言之，对中频振荡电流来讲M点与O点之间相当于断路；另一方面，由于电路的对称性，在回路E1、Ld1、C1、LN中的正向流过LN的直流电流Id1与在回路E2、LN、C2、Ld2中的反向流过LN的直流电流Id2大小相等方向相反，而相互抵消，实际上相当于没有电流通过LN，所以直流电源的零点O的电位等于换流桥的输出端点M的电位。此方法彻底稳定了逆变器M点的电位，有助于逆变器的正常工作。隔直电容器C3的作用是在逆变器刚起动，尚未形成稳定振荡时，为逆变晶闸管T1和T2提供充足的反向关断电压，以帮助其换流。
图2所示的逆变器的振荡过程是，开始时，C1和C2均充有上正下负的电压。当晶闸管T1导通时，C1通过T1、L和C3放电，形成头半个周期的振荡，由于C1和L的谐振，C1会被反向充电(上负下正)，该反向电压将T1关断。然后晶闸管T2导通，一方面在头半个周期内被反向充电的C1由于T2的导通会在虚功诱导环路E1+→Ld1→C1→C3→L→T2→Ld2→E2-内放电，由于该放电电流从C1的负极流向C1的正极，所以C1的反向储能对负载L做正功，同时增加平波电抗器Ld1、Ld2的储能；另一方面，C2通过C3、L和T2放电形成后半个周期的振荡，该振荡导致C2被反向充电(上负下正)和T2关断。此后再将T1导通，已被反向充电的C2由于T1的导通又会在另一个虚功诱导环路E1+→Ld1→T1→L→C3→C2→Ld2→E2-内放电，致使C2的反向储能同样对负载L做正功，并增加Ld1、Ld2的储能，同时C1又通过T1、L1和C3放电而形成振荡。如此循环往复，以后振荡的每个半周期都有一个虚功诱导环路相伴随，诱导虚功转化成实功。
该逆变器的一个鲜明特点是炉体感应线圈L的Q值越高，谐振电容C1(或者C2)在谐振回路C1→T1→L→C3(或者C2→C3→L→T2)的正(或者负)半波振荡中获得的反向充电值越高，而C1(或者C2)上越高的反向电压会在下半个周期的虚功诱导环路E1+→Ld1→C1→C3→L→T2→Ld2→E2-(或者E1+→Ld1→T1→L→C3→C2→Ld2→E2-)的放电中，输出更多的正功。其结果是在电源电压一定的条件下，炉体感应线圈L的Q值越高，该逆变器输出的交流实功功率越大。这一特点的优势在于，在一些应用中，我们希望在高Q值条件下获得高的输出功率，而常用的并联补偿型谐振逆变器的负载电感的Q值越高，其输出的功率越小。一个例子是，将我们这种逆变器应用于感应熔炼，可以在不降低输出功率的条件下，有效增加感应炉体的坩埚壁厚度2～3倍(比如一台3吨中频感应炉坩埚壁厚可达200～250mm)，而厚的坩埚壁有利于增加炉龄和降低炼钢电耗。
此外，由于该逆变器中C1L(或者C2L)的谐振可以使T1(或者T2)自然关断，克服了传统的并联补偿中频电源易发生逆变颠覆的弊病，提高了起振可靠性；由于有大电感Ld1和Ld2的隔离，且换流桥的端点M的电位与电源零点O的电位保持一致，所以电容C1与C2的工作电压不会发生交联，从而根除了传统的半桥串联谐振电路中因两只谐振电容上的电压逐步攀升而导致的过电压问题。
本发明电路图2中晶闸管(Thyristor)T1和T2也可以换成GTO、GTR、IGBT，及SIT等各种快速功率半导体器件。
图1-1是现有的并联补偿逆变电路的原理图； 图1-2是现有的串联补偿逆变电路的原理图； 图1-3是现有的半桥串联补偿逆变电路的原理图； 图2是本发明的虚功诱导环型谐振电源的电路原理图； 图3是本发明的虚功诱导环型谐振电源的一实施例的电路原理图。
具体实施例 图3所示为采用本发明设计方案的一种大功率晶闸管中频电源，应用于中频冶炼行业。由整流晶闸管TZ1、TZ3、TZ5组成的正向三相半波整流器与平波电抗器Ld1R构成了正向的恒流源向逆变桥提供正向的恒定直流电流。由晶闸管TZ4、TZ6和TZ2组成的反向三相半波整流器与平波电抗器Ld2R构成了负向的恒流源向逆变桥提供负向的恒定直流电流。中频电源的谐振频率由公式决定，其中C1R为谐振电容，LR为炉体电感，C1R＝C2R，隔直电容C3R＝12500微法，逆变晶闸管T1R和T2R应选用关断时间短，开通速度高的快速晶闸管，其电压及电流容量随中频炉的吨位而异。在我们的一台3吨实验设备上，选频率200～400赫兹，LR≈140微亨，C1R＝C2R≈2500微法，逆变晶闸管T1R和T2R选用国产KK-3500A/2500V快速晶闸管两只并联。
在上述实施例中，D1和D2分别为逆变晶闸管T1R和T2R附加的反并联续流二极管，此外还给逆变晶闸管附加了阻容吸收电路。
权利要求
1一种虚功诱导环型谐振电源，其特征在于，包括两个直流恒流电源和一个换流桥。其中的一个直流恒流电源由直流电压源E1与平波电抗器Ld1相串联而构成，另一个直流恒流电源由直流电压源E2与平波电抗器Ld2相串联而构成。其换流桥由谐振电容器C1和C2、炉体感应线圈L、与L相串联的隔直电容器C3以及晶闸管T1和T2构成。该换流桥的连接方式是，谐振电容器C1一端与晶闸管T1阳极连接构成换流桥的X点，谐振电容器C2的一端与晶闸管T2阴极连接构成换流桥的Y点，谐振电容器C1的另一端和谐振电容器C2的另一端相连接成为该换流桥的一个输出端点M，晶闸管T1的阴极和晶闸管T2的阳极相连接成为该换流桥的另一个输出端点N，炉体感应线圈L与隔直电容器C3相串联后，接在换流桥的两个输出端点M和N之间。由直流电压源E1与平波电抗器Ld1相串联而成的第一个直流恒流电源的正极端接在换流桥的X点上，而由直流电压源E2与平波电抗器Ld2串联而成的第二个直流恒流电源的负极端接在换流桥的Y点上，第一个直流恒流电源的负极端与第二个直流恒流电源的正极端相互连接在一起构成该谐振电源的直流电源的零点O，在零点O与换流桥的输出端点M之间接有零线滤波电抗器LN。
2权力要求1中的第一个直流恒流电源(或者第二个直流恒流电源)的一种连接方式为直流电压源E1(或者E2)的正极与平波电抗器Ld1(或者Ld2)的一端相连接，于是平波电抗器Ld1(或者Ld2)的另一端就成为该直流恒流电源的正极端，而直流电压源E1(或者E2)的负极为该直流恒流电源的负极端。
3权力要求1中的第一个直流恒流电源(或者第二个直流恒流电源)的另外一种连接方式为直流电压源E1(或者E2)的负极与平波电抗器Ld1(或者Ld2)的一端相连接，于是直流电压源E1(或者E2)的正极就成为该直流恒流电源的正极端，而平波电抗器Ld1(或者Ld2)的另一端就成为该直流恒流电源的负极端。
4权利要求1中的第一个直流恒流电源的平波电抗器Ld1和第二个直流恒流电源的平波电抗器Ld2应满足条件Ld1≈Ld2＞L。
5权利要求1中的隔直电容器C3与谐振电容器C1、C2应满足条件C3＞C1≈C2。
6权利要求1中逆变晶闸管T1和T2可以分别附加续流支路以增加逆变电流变化的连续性，从而避免不必要的操作过电压。所附加的续流支路可以有以下几种形式
(1)附加与逆变晶闸管T1(或者T2)反并联二极管作为续流支路，其特征是，所附加的反并联二极管的阴极与逆变晶闸管T1(或者T2)的阳极相连接，而所附加的反并联二极管的阳极与逆变晶闸管T1(或者T2)的阴极相连接。
(2)附加与逆变晶闸管T1(或者T2)反并联晶闸管作为续流支路，其特征是，所附加的反并联晶闸管的阴极与逆变晶闸管T1(或者T2)的阳极相连接，而所附加的反并联晶闸管的阳极与逆变晶闸管T1(或者T2)的阴极相连接。
7权利要求1中的逆变晶闸管T1(或者T2)应采用KK型或者KKG型快速晶闸管元件。
8权利要求1中的逆变晶闸管也可以改换成IGBT，GTO，GTR以及SIT等快速大功率半导体元件。
全文摘要
一种虚功诱导环型谐振电源，属于固态逆变电源技术领域。该电源比传统的半桥谐振电路多出了两个独立的虚功诱导环路，它们分别是环路C2Ld2E2E1Ld1T1LC3和环路C1C3LT2Ld2E2E1Ld1。在电源谐振过程中，它们把贮存在谐振电容C1和C2上的虚功诱导成为实功，其中一小部分直接馈送给炉体感应线圈做功，而大部分贮存到两个平波电抗器Ld1、Ld2之中，以增加之后的振荡输出的实功功率。该电路对于越高Q值的炉体感应线圈L有更大功率输出，换流可靠且工作电压低。此谐振电源用于感应熔炼，可增加炉壁厚度2～3倍；用于感应透热，可增加透热深度1～2倍。
文档编号H02M7/523GK101295938SQ20071005724
公开日2008年10月29日 申请日期2007年4月27日 优先权日2007年4月27日
发明者马 罗, 郭秉楠, 艳 杨, 丁丽丽, 周香全, 张泰峰 申请人:南开大学