專利名稱：采用雙重并聯(lián)諧振逆變回路的大功率中頻電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用于大功率熔煉爐及透熱負載的中頻電源電路，特別是一種采用雙重并聯(lián)諧振逆變回路的大功率中頻電源。
還有采用串聯(lián)補償逆變電路。圖2示出的是一種傳統(tǒng)的串聯(lián)補償逆變電路，該電路的優(yōu)點是逆變可控硅可以自然關(guān)斷，不存在起振困難。整流橋輸出的脈動直流電經(jīng)過平波電抗Ld和平波電容Cd濾波后，形成恒壓源，對串聯(lián)諧振逆變橋供電。串聯(lián)諧振電容C1和C2分別通過可控硅1和可控硅2交替向爐體電感L放電，形成串聯(lián)諧振。此類設(shè)備的恒壓源供電模式?jīng)Q定了UC1+UC2＝恒定常數(shù)，所以當(dāng)C1放電后，UC1降低(甚至變成負電壓)，導(dǎo)致UC2升高，而C2放電后又會反過來導(dǎo)致UC1的進一步升高。如此循環(huán)往復(fù)，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(lián)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)。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(shù)萬伏。爐體線圈L的電壓過高會導(dǎo)致線圈匝間短路而“放炮”，由此可發(fā)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(guān)系急劇增長(虛功功率＝UC2ωC)。由于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(jié)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(lián)諧振與并聯(lián)補償相結(jié)合的逆變電路。其突出特點是采用恒壓源供電，所以它的兩只諧振電容C1和C2會發(fā)生電壓逐步累加，最終形成串聯(lián)補償逆變器所固有的電壓諧振特征|UC1|＝|UC2|＝QUAB。此方案中的逆變可控硅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。
本實用新型所采用的技術(shù)方案是一種采用雙重并聯(lián)諧振逆變回路的大功率中頻電源，包括有由整流可控硅SCR1～SCR6組成的兩組三相半波整流器合并而成的可控硅全波整流橋及平波電抗器Ld1、Ld2構(gòu)成的兩個恒流源和一個雙重并聯(lián)諧振逆變回路。具體連接是，通過整流可控硅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的一端和逆變可控硅SCR7的陽極，SCR7的陰極與另一只逆變可控硅SCR8的陽極相連接并成為該中頻電源向外輸出中頻電的一個輸出端點A；通過整流可控硅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的一端和逆變可控硅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并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與并聯(lián)槽路LC相串接而構(gòu)成的爐體負載Z。
本電路中的爐體負載LC構(gòu)成基本的并聯(lián)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，于是，回路C1、SCR7、L1、R與回路C2、SCR8、L1、R各自又構(gòu)成一組分別由正負恒流源供電的并聯(lián)槽路。隨著SCR7和SCR8的交替導(dǎo)通，這兩個并聯(lián)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(guān)斷，克服了傳統(tǒng)的并聯(lián)補償中頻電源易發(fā)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恒流源供電，彼此不發(fā)生電壓累加，根除了傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振中的過電壓問題。
應(yīng)當(dāng)指出，在諧振電容C1通過可控硅SCR7和電感L1對LC并聯(lián)槽路放電過程中，C1與L1之間存在著電壓諧振，其結(jié)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(dāng)SCR7關(guān)斷時，UC1的絕大部分施加在SCR7上。為了降低UC1的幅值，本設(shè)計的特點之一是，并聯(lián)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諧振回路中，吸收L1C1的諧振能量，從而有效抑制了因L1C1發(fā)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(yīng)加熱的效率，而且利用金屬爐料有效吸收L1中的交變磁能，進一步降低了振蕩回路的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范圍之內(nèi)，即C1和C2上的峰值電壓約等于中頻輸出電壓的1.5～1.8倍。
圖3是本實用新型的采用雙重并聯(lián)諧振逆變回路的大功率中頻電源電路的原理圖；圖4是本實用新型的采用雙重并聯(lián)諧振逆變回路的大功率中頻電源的一實施例的電路原理圖；圖5是本實用新型的采用雙重并聯(lián)諧振逆變回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(xiàn)有技術(shù)的過電壓阻容吸收電路原理圖；圖8是本實用新型的過電壓吸收電路實施例的電路原理圖。
圖9是本實用新型實施例的逆變可控硅觸發(fā)電路原理圖。
如圖3所示，采用雙重并聯(lián)諧振逆變回路的大功率中頻電源，包括有由整流可控硅SCR1～SCR6組成的兩組三相半波整流器合并而成的可控硅全波整流橋及平波電抗器Ld1、Ld2構(gòu)成的兩個恒流源和一個雙重并聯(lián)諧振逆變回路，具體連接是，通過整流可控硅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的一端和逆變可控硅SCR7的陽極，SCR7的陰極與另一只逆變可控硅SCR8的陽極相連接并成為該中頻電源向外輸出中頻電的一個輸出端點A；通過整流可控硅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的一端和逆變可控硅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并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與并聯(lián)槽路LC相串接而構(gòu)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(chǔ)上，增加了兩只續(xù)流二極管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硅SCR7和SCR8配置了適當(dāng)?shù)倪^電壓吸收電路1。
續(xù)流二極管D1和D2的作用有二其一是阻止可控硅整流器拉逆變。這樣做的好處是當(dāng)整流器負載發(fā)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(wěn)定，從而保證了中頻電源有更高的起振成功率。其二是當(dāng)整流器交流側(cè)突然斷開時，D1和D2可以分別給平波電抗器Ld1和Ld2續(xù)流，避免了Ld1和Ld2因突然電流中斷而產(chǎn)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硅SCR7和SCR8帶來過電壓，本實施例在電路原理圖(圖3)的基礎(chǔ)上增加了分別與可控硅SCR7和SCR8反并聯(lián)的兩只續(xù)流二極管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。其作用機理如下由于L1與L同繞在爐體上，所以二者之間有很強的互感。當(dāng)逆變可控硅SCR7和SCR8同時關(guān)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(yīng)出比較高的電壓，此感生電壓也施加在可控硅SCR7和SCR8上。反并聯(lián)續(xù)流二極管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硅SCR7和SCR8配置了適當(dāng)?shù)倪^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(chǔ)上，將電路中逆變可控硅SCR7SCR8分別并聯(lián)有續(xù)流二極管D3和D4，并給逆變可控硅SCR7和SCR8配置了適當(dāng)?shù)倪^電壓吸收電路1；在輸入正半波脈動直流電的可控硅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硅SCR2、SCR4、SCR6與平波電抗Ld2之間還分別接有二極管D1、D2，二極管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可以采用現(xiàn)有技術(shù)的阻容吸收電路(如圖7所示)或采用本實用新型在圖8中虛框1給出的一個實施例。在圖8實施例中，逆變可控硅SCR7的陽極連接吸收電容Ca的一端，Ca的另一端連接二極管Da的陽極和泄放電阻Ra的一端；逆變可控硅SCR8的陰極連接吸收電容Cb的一端，Cb的另一端連接二極管Db的陰極和泄放電阻Rb的一端；二極管Da的陰極和二極管Db的陽極接在一起并連接到該中頻電源的輸出端點A；泄放電阻Ra的另一端和泄放電阻Rb的另一端連接在一起并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和并聯(lián)諧振槽路LC的位置可以對調(diào)，即逆變可控硅SCR7的陰極與逆變可控硅SCR8的陽極連接點A與并聯(lián)諧振槽路LC的一端連接，并聯(lián)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(jié)構(gòu)相同，自然具有相同的功能。其諧振電感L1與并聯(lián)槽路的電感L都纏繞在爐體上，一同參與加熱金屬爐料。
逆變可控硅SCR7和SCR8的觸發(fā)電路如圖9所示，其中1、2兩點分別采集逆變續(xù)流二極管D3和D4的電流信號。當(dāng)1為正時，觸發(fā)器D1的Q＝1，而觸發(fā)器D2的Q＝0。等到可控硅SCR7恢復(fù)阻斷時，Ua＞0，于是與非門P1打開，晶體管T1關(guān)斷，則恒流源E1對電容C1充電，形成鋸齒波。該鋸齒波再經(jīng)電壓比較器5與端子7輸入的參考電壓比較后，形成逆變可控硅SCR8的觸發(fā)信號，使其開通。反之，則由電壓比較器6給出逆變可控硅SCR7的觸發(fā)信號。
權(quán)利要求1.一種采用雙重并聯(lián)諧振逆變回路的大功率中頻電源，其特征在于，包括有由整流可控硅SCR1～SCR6組成的兩組三相半波整流器合并而成的可控硅全波整流橋及平波電抗器Ld1、Ld2構(gòu)成的兩個恒流源和一個雙重并聯(lián)諧振逆變回路，具體連接是，通過整流可控硅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的一端和逆變可控硅SCR7的陽極，SCR7的陰極與另一只逆變可控硅SCR8的陽極相連接并成為該中頻電源向外輸出中頻電的一個輸出端點A；通過整流可控硅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的一端和逆變可控硅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并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與并聯(lián)槽路LC相串接而構(gòu)成的爐體負載Z。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用雙重并聯(lián)諧振逆變回路的大功率中頻電源，其特征在于，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的另一端與并聯(lián)槽路LC的一端相連接，而并聯(lián)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(jù)權(quán)利要求1所述的采用雙重并聯(lián)諧振逆變回路的大功率中頻電源，其特征在于，其爐體負載Z還可連接成為該中頻電源的輸出端點A連接到并聯(lián)槽路LC的一端，并聯(lián)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(jù)權(quán)利要求1所述的采用雙重并聯(lián)諧振逆變回路的大功率中頻電源，其特征在于，其逆變可控硅SCR7、SCR8還可分別附加反并聯(lián)續(xù)流二極管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(jù)權(quán)利要求1所述的采用雙重并聯(lián)諧振逆變回路的大功率中頻電源，其特征在于，還可以給其逆變可控硅SCR7和SCR8附加過電壓吸收電路，即逆變可控硅SCR7的陽極連接吸收電容Ca的一端，Ca的另一端連接二極管Da的陽極和泄放電阻Ra的一端；逆變可控硅SCR8的陰極連接吸收電容Cb的一端，Cb的另一端連接二極管Db的陰極和泄放電阻Rb的一端；二極管Da的陰極和二極管Db的陽極接在一起并連接到該中頻電源的輸出端點A；泄放電阻Ra的另一端和泄放電阻Rb的另一端連接在一起并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(jù)權(quán)利要求1所述的采用雙重并聯(lián)諧振逆變回路的大功率中頻電源，其特征在于，其諧振電感L1與并聯(lián)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(jù)權(quán)利要求1所述的采用雙重并聯(lián)諧振逆變回路的大功率中頻電源，其特征在于，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(shè)一只續(xù)流二極管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。
專利摘要本實用新型公開一種采用雙重并聯(lián)諧振逆變回路的大功率中頻電源，包括有兩組三相半波整流器構(gòu)成的兩組獨立的正、負恒流源。在爐體負載LC并聯(lián)回路被等效為阻抗R的情況下，回路C
文檔編號H02M5/00GK2591860SQ0228995
公開日2003年12月10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 申請人:南開大學(xué)