專利名稱：大功率中頻電源電子平波電抗器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電子平波電抗器，特別是一種適用于大功率中頻電源的電子平波電抗器。
背景技術(shù)：
并聯(lián)補(bǔ)償型固態(tài)中頻(或高頻)電源都有一個(或兩個)很大的平波電抗器Ld。典型的并聯(lián)補(bǔ)償型固態(tài)中頻電源的主回路如圖1所示，是由整流橋、平波電抗器Ld和逆變回路組成。其中逆變回路是將爐體感應(yīng)線圈L與補(bǔ)償電容C并聯(lián)，構(gòu)成一個LC并聯(lián)諧振槽路再與可控硅共同組成。通過可控硅(也可以是其它功率半導(dǎo)體器件，如IGBT，GTO等)7、8和9、10的分別導(dǎo)通給LC諧振槽路輸送正向或反向電流，以維持LC槽路中的振蕩。此類設(shè)備中的平波電抗器Ld的鐵心重量W與它的儲能多少有關(guān)，W∝Id2Ld，可見當(dāng)Id和Ld很大時，其鐵心很重，耗資巨大。
并聯(lián)補(bǔ)償型中頻電源中的Ld有三個作用，其一是為逆變器提供恒定電流源，以保證并聯(lián)補(bǔ)償型逆變器可靠換流；其二是當(dāng)發(fā)生逆變顛覆時，Ld可以有效限制故障電流的上升率；其三是平波。但是，Ld的這三種用途對Ld的電感量有不同的要求1)恒定電流源功能對Ld的要求如圖1所示，在并聯(lián)補(bǔ)償型逆變器的換流過程中(由可控硅7和8導(dǎo)通換成可控硅9和10導(dǎo)通)，補(bǔ)償電容C的反向放電電流IC(此電流反向流過可控硅7)必須大于因可控硅7和10同時導(dǎo)通而造成的短路電流IS(此電流順向流過可控硅7)才能將可控硅7關(guān)斷，否則會發(fā)生逆變顛覆。不難算出，IS=I0+UdLdτ]]>IC=UC2lτ]]>式中I0是換流前流過可控硅1和2的初始電流，Ud是直流電壓，Ld是平波電抗，C是補(bǔ)償電容，UC是C上的電壓，l是可控硅的換流電抗，而τ是換流時間。由于L＞＞2l，LC的振蕩周期＞＞2l C的放電周期，所以在C對2l放電過程中，我們可以近似認(rèn)為C上的電壓為一常數(shù)。比如，取UC＝Ud/2。
考慮到τ存在一個最小值τ0，即τ＝τ0＋Δτ，其中τ0定義為I0=UC2lτ0,]]>可得UC2l(I0UC2l+Δτ)>>I0+UdLd(I0UC2l+Δτ)]]>最后求得Ld應(yīng)滿足Ld≥2lUd(1+2lUCI0Δτ)Uc.]]>作為實例，我們考慮一臺直流電流I0＝2000A、直流電壓Ud＝500V的中頻電源的情況，取 不難算出，Ld≥30μH。
2)限制故障電流上升率對Ld的要求當(dāng)我們因設(shè)備發(fā)生故障而切斷整流可控硅的觸發(fā)脈沖時，可控整流橋并不能即刻封閉，此時已經(jīng)導(dǎo)通的一組可控硅(比如圖1中的可控硅1和6)處于失控狀態(tài)，必須等到加在這一組可控硅上的電源電壓反向后，失控電流才有可能得到抑制。此失控時間的長與短因故障發(fā)生時刻的不同而不同，具有完全的隨機(jī)性。最惡劣故障發(fā)生的時間是在相鄰兩個自然換相點所對應(yīng)的t1和t2時刻之間，此時可控硅1和6已經(jīng)導(dǎo)通。不難算出，由此而導(dǎo)致的最大電流為Imax=∫t0t1UmLd[sinωt+sin(ωt-23π)]dt=33Um2Ldω]]>若取交流輸入電壓的峰值Um＝500V，并假定可控硅可以承受的最大浪涌電流Imax＝10×Id＝20000A，于是求得對Ld的第二種限制Ld≥200μH。
3)平波功能對Ld的要求對Ld平波功能的最低要求是要保證直流電流不出現(xiàn)斷流。否則會導(dǎo)致逆變顛覆或者逆變器停止振蕩。當(dāng)可控整流器的導(dǎo)通角小到一定程度時，其整流電壓波形會出現(xiàn)斷續(xù)。這時，必須依靠Ld的平波作用，才能保持直流電流的連續(xù)。我們有充分的理由要求中頻電源能夠在很低的直流電壓下起振并維持工作。這時，可控整流器的導(dǎo)通角非常小，整流電壓的兩個相鄰脈沖的間隔非常之大，而要使直流電流能夠從一個電壓脈沖延續(xù)到下一個脈沖，就要求Ld非常之大。實際上很多中頻電源廠家都把Ld取到6～12mH，甚至更大。實驗證明，當(dāng)Ld＜6mH時，中頻電源有可能因電流斷續(xù)而喪失在100V直流電壓以下維持振蕩的能力。這不僅限制了中頻電源的應(yīng)用范圍，而且要求中頻電源必須在相當(dāng)高的直流電壓下起振。這時，如果出現(xiàn)起振失敗，有可能造成可控硅損壞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種采用小電感量Ld′(≈1mH)，卻適用于大功率中頻電源的電子平波電抗器，它是同樣具有保證恒流源供電，有效限制故障電流的上升率和平波的三項功能的大功率中頻電源電子平波電抗器。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種大功率中頻電源電子平波電抗器，是由低電壓小整流器T和小平波電抗Ld′組成，輸出連續(xù)電壓的低電壓小整流器T的輸出端連接小平波電抗Ld′，低電壓小整流器T的輸出端還與大功率中頻電源的主整流橋1的輸出端并聯(lián)，此電子平波電抗器的輸出接大功率中頻電源的逆變橋3的輸入端。
本發(fā)明中，在大功率中頻電源中小平波電抗的位置可以有如下三種接法一、小平波電抗Ld′接在整流橋的正電輸出端與逆變橋的正電輸入端之間(如圖2所示)；二、小平波電抗Ld′接在整流橋的負(fù)電輸出端與逆變橋的負(fù)電輸入端之間(如圖3所示)；三、小平波電抗Ld′可以分為兩個，分別連在整流橋的正電輸出端與逆變橋的正電輸入端之間以及整流橋的負(fù)電輸出端與逆變橋的負(fù)電輸入端之間(如圖4所示)。
本發(fā)明由于在主整流橋的輸出端并聯(lián)一組輸出連續(xù)電壓的低電壓小整流器T，保證了逆變回路的直流電壓和直流電流的連續(xù)性。小平波電抗Ld′只需1mH以下，即可替代原有的并聯(lián)補(bǔ)償型中頻電源中6～12mH的平波電抗Ld，從而節(jié)省了制造大電抗器所需要的巨額費用，而所增加的小整流器的全部費用(包括降壓變壓器和小整流器本身)不及所節(jié)省的費用的十分之一，中頻電源的輸出功率越大，本發(fā)明所能節(jié)省的費用也越多。


圖1是現(xiàn)有的并聯(lián)補(bǔ)償型固態(tài)中頻電源的主回路電路原理圖；圖2是本發(fā)明的大功率中頻電源電子平波電抗器的電路框圖；圖3是本發(fā)明的大功率中頻電源電子平波電抗器中小平波電抗的第二種連接方案；圖4是本發(fā)明的大功率中頻電源電子平波電抗器中小平波電抗的第三種連接方案；圖5是本發(fā)明大功率中頻電源電子平波電抗器實施例的電路原理圖。
其中圖2、圖3、圖4、圖5的框圖中的1是大功率中頻電源的主整流橋；2是電子平波電抗器；3是大功率中頻電源的逆變橋。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖給出具體實施方式
，進(jìn)一步說明本發(fā)明是如何實現(xiàn)的。
大功率中頻電源電子平波電抗器，是由低電壓小整流器T和小平波電抗Ld′組成，輸出連續(xù)電壓的低電壓小整流器T的輸出端連接小平波電抗Ld′，小整流器T的輸入端經(jīng)一個降壓變壓器與三相交流電源連接，起到降壓與隔離的作用，低電壓小整流器T的輸出端還與大功率中頻電源的主整流橋1的輸出端并聯(lián)，此電子平波電抗器的輸出接大功率中頻電源的逆變橋3的輸入端。
如圖2所示，小平波電抗Ld′可接在并聯(lián)于大功率中頻電源的主整流橋1的輸出端的低電壓小整流器T的正電輸出端與大功率中頻電源的逆變橋3的正電輸入端之間。
如圖3所示，小平波電抗Ld′還可接在并聯(lián)于大功率中頻電源的主整流橋1的輸出端的低電壓小整流器T的負(fù)電輸出端與大功率中頻電源的逆變橋3的負(fù)電輸入端之間。
如圖4所示，小平波電抗Ld′還可以分為兩個，分別接在并聯(lián)于大功率中頻電源的主整流橋1的輸出端的低電壓小整流器T的正電輸出端與大功率中頻電源的逆變橋3的正電輸入端之間，以及并聯(lián)于大功率中頻電源的主整流橋1的輸出端的低電壓小整流器T的負(fù)電輸出端與大功率中頻電源的逆變橋3的負(fù)電輸入端之間。
如圖5所示，給出了采用本發(fā)明的電子平波電抗器的2000KW中頻電源電路圖，虛方框中是電子平波電抗器的一個實施例的電路圖。低電壓小整流器T由三相降壓變壓T′和半控整流橋構(gòu)成。由于中頻電源的主整流橋并聯(lián)上一個輸出連續(xù)低電壓的小整流器T，從根本上保證了直流電壓和直流電流的連續(xù)性。小整流器T輸出電壓小于主整流橋，可在幾十伏到一百伏左右選定，電感Ld′可選在1mH以下。
本實施例中的小整流器T選用半控方案，由三只可控硅和三只整流二極管組成。小整流器T工作時，在觸發(fā)端子4和5之間施加一個適當(dāng)?shù)暮愣妷?10～15V)，為三只可控硅提供足夠的觸發(fā)電流，而使之維持導(dǎo)通，小整流器T輸出連續(xù)的電壓和電流。當(dāng)需要切斷主整流橋時，則同時撤消小整流器T的觸發(fā)電流，使其與主整流橋一同封鎖，以達(dá)到過電流保護(hù)的目的。
如有必要，在大功率中頻電源中也可采用多臺小整流器并聯(lián)方案。該方案中，每臺小整流器各攜帶一個獨立的降壓變壓器，每臺小整流器的直流輸出端都與主整流橋的輸出端相并聯(lián)，且輸出電壓各不相同。啟動中頻電源時，先從電壓最低的小整流器開始，然后逐步將電壓更高的整流橋投入工作，直到主整流橋投入運行為止。實驗證明此方案具有更為可靠的平波效果。
權(quán)利要求
1.一種大功率中頻電源電子平波電抗器，其特征在于是由低電壓小整流器T和小平波電抗Ld′組成，輸出連續(xù)電壓的低電壓小整流器T的輸出端連接小平波電抗Ld′，低電壓小整流器T的輸出端還與大功率中頻電源的主整流橋1的輸出端并聯(lián)，此電子平波電抗器的輸出接大功率中頻電源的逆變橋3的輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率中頻電源電子平波電抗器，其特征在于，所述的小整流器T的輸入端是經(jīng)一個降壓變壓器與三相交流電源連接，起到降壓與隔離的作用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率中頻電源電子平波電抗器，其特征在于，所述的小平波電抗Ld′可接在并聯(lián)于大功率中頻電源的主整流橋1的輸出端的低電壓小整流器T的正電輸出端與大功率中頻電源的逆變橋3的正電輸入端之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率中頻電源電子平波電抗器，其特征在于，所述的小平波電抗Ld′可接在并聯(lián)于大功率中頻電源的主整流橋1的輸出端的低電壓小整流器T的負(fù)電輸出端與大功率中頻電源的逆變橋3的負(fù)電輸入端之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率中頻電源電子平波電抗器，其特征在于，所述的小平波電抗Ld′可以分為兩個，分別接在并聯(lián)于大功率中頻電源的主整流橋1的輸出端的低電壓小整流器T的正電輸出端與大功率中頻電源的逆變橋3的正電輸入端之間，以及并聯(lián)于大功率中頻電源的主整流橋1的輸出端的低電壓小整流器T的負(fù)電輸出端與大功率中頻電源的逆變橋3的負(fù)電輸入端之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率中頻電源電子平波電抗器，其特征在于，小整流器T在大功率中頻電源中可設(shè)有一臺以上，每臺小整流器各攜帶一個獨立的降壓變壓器，每臺小整流器的直流輸出端都與大功率中頻電源的主整流橋的輸出端相并聯(lián)，且每臺小整流器的輸出電壓各不相同，啟動中頻電源時，先從電壓最低的小整流器開始，然后逐步將電壓更高的整流橋投入工作，直到主整流橋投入運行為止。
全文摘要
一種大功率中頻電源電子平波電抗器，是由低電壓小整流器T和小平波電抗L
文檔編號H02M5/00GK1507139SQ0215378
公開日2004年6月23日 申請日期2002年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月6日
發(fā)明者羅馬, 蘇玉民, 黃旭東, 高成群, 羅 馬 申請人:南開大學(xué)