串联谐振过电压变换器问题

发布日期：2020-05-09　点击：1382次

四方国瑞电力是一家专业研发生产串联谐振的厂家，本公司生产的串联谐振在行业内都广受好评，以打造最具权威的“串联谐振“高压设备供应商而努力。

  首先讲一下什么是谐振，在含有电阻、电感和电容的交流电路中，电路两端电压与其电流一般是不同相的，若调节电路参数或电源频率使电流与电源电压同相，电路呈电阻性，称这时电路的工作状态为谐振。谐振又分为串联谐振和并联谐振，在串联电路中发生的谐振即为串联谐振，在并联电路中发生的谐振即为并联谐振，谐振现象是正玄交流电路的一种特定现象，它在电子和通讯工程中得到广泛的应用，但是在电力系统中，发生谐振有可能破坏系统的正常工作。接下来我们再来分别介绍一下串联谐振和并联谐振的特电路特点。

  串联谐振的电路特点

  1.总阻抗值最小；

  

2.电源电压一定时，电流最大；

  3. 电路呈电阻性，电容或电感上的电压可能高于电源电压。

  并联谐振电路的特点

  1.电压一定时，谐振时电流最小；

  2.总阻抗最大；

  3.电路呈电阻性，支路电流可能会大于总电流。

  串联谐振与并联谐振的区别

  1. 从负载谐振方式划分，可以为并联谐振和串联谐振两大类型，下面列出串联谐振和并联谐振的主要技术特点及其比较： 

  串联谐振和并联谐振的差别，源于它们所用的振荡电路不同，前者是用L、R和C串联，后者是L、R和C并联。 

  （1）串联谐振的负载电路对电源呈现低阻抗，要求由电压源供电。因此，经整流和滤波的直流电源末端，必须并接大的滤波电容器。当逆变失败时，浪涌电流大，保护困难。 

  并联谐振的负载电路对电源呈现高阻抗，要求由电流源供电，需在直流电源末端串接大电抗器。但在逆变失败时，由于电流受大电抗限制，冲击不大，较易保护。 

  串联谐振和并联谐振区别2 

  （2）串联谐振的输入电压恒定，输出电压为矩形波，输出电流近似正弦波，换流是在晶闸管上电流过零以后进行，因而电流总是超前电压一φ角。    并联谐振的输入电流恒定，输出电压近似正弦波，输出电流为矩形波，换流是在谐振电容器上电压过零以前进行，负载电流也总是越前于电压一φ角。这就是说，两者都是工作在容性负载状态。 

  （3）串联谐振是恒压源供电，为避免逆变器的上、下桥臂晶闸管同时导通，造成电源短路，换流时，必须保证先关断，后开通。即应有一段时间(t )使所有晶闸管（其它电力电子器件）都处于关断状态。此时的杂散电感，即从直流端到器件的引线电感上产生的感生电势，可能使器件损坏，因而需要选择合适的器件的浪涌电压吸收电路。此外，在晶闸管关断期间，为确保负载电流连续，使晶闸管免受换流电容器上高电压的影响，必须在晶闸管两端反并联快速二极管。 并联谐振是恒流源供电，为避免滤波电抗Ld上产生大的感生电势，电流必须连续。也就是说，必须保证逆变器上、下桥臂晶闸管在换流时，是先开通后关断，也即在换流期间(tγ)内所有晶闸管都处于导通状态。这时，虽然逆变桥臂直通，由于Ld足够大，也不会造成直流电源短路，但换流时间长，会使系统效率降低，因而需缩短tγ，即减小Lk值。  

  （4）串联谐振的工作频率必须低于负载电路的固有振荡频率，即应确保有合适的t 时间，否则会因逆变器上、下桥臂直通而导致换流的失败。 

  并联谐振的工作频率必须略高于负载电路的固有振荡频率，以确保有合适的反压时间t ，否则会导致晶闸管间换流失败；但若高得太多，则在换流时晶闸管承受的反向电压会太高，这是不允许的。 

  （5）串联谐振的功率调节方式有二：改变直流电源电压Ud或改变晶闸管的触发频率，即改变负载功率因数cosφ。 

并联谐振的功率调节方式，一般只能是改变直流电源电压Ud。改变cosφ虽然也能使逆变输出电压升高和功率增大，但所允许调节范围小。 

  （6）串联谐振在换流时，晶闸管是自然关断的，关断前其电流已逐渐减小到零，因而关断时间短，损耗小。在换流时，关断的晶闸管受反压的时间(t +tγ)较长。 并联谐振在换流时，晶闸管是在全电流运行中被强迫关断的，电流被迫降至零以后还需加一段反压时间，因而关断时间较长。相比之下，串联谐振更适宜于在工作频率较高的感应加热装置中使用。 

  （7）串联谐振的晶闸管所需承受的电压较低，用380V电网供电时，采用1200V的晶闸管就行，但负载电路的全部电流，包括有功和无功分量，都需流过晶闸管。逆变晶闸管丢失脉冲，只会使振荡停止，不会造成逆变颠覆。 

并联谐振的晶闸管所需承受的电压高，其值随功率因数角φ增大，而迅速增加。但负载本身构成振荡电流回路，只有有功电流流过逆变晶闸管，而且逆变晶闸管偶而丢失触发脉冲时，仍可维持振荡，工作比较稳定。 

  （8）串联谐振可以自激工作，也可以他激工作。他激工作时，只需改变逆变触发脉冲频率，即可调节输出功率；而并联谐振一般只能工作在自激状态。 

  （9）在串联谐振中，晶闸管的触发脉冲不对称，不会引入直流成分电流而影响正常运行；而在并联谐振中，逆变晶闸管的触发脉冲不对称，则会引入直流成分电流而引起故障。  

  （10）串联谐振起动容易，适用于频繁起动工作的场合；而并联谐振需附加起动电路，起动较为困难。 

  （11）串联谐振中的晶闸管由于承受矩形波电压，故du /dt值较大，吸收电路起着关键作用，而对其di/dt要求则较低。 

在并联谐振中，流过逆变晶闸管的电流是矩形波，因而要求大的di/dt，而对du/dt的要求则低一些。 

  （12）串联谐振的感应加热线圈与逆变电源(包括槽路电容器)的距离远时，对输出功率的影响较小。如果采用同轴电缆或将来回线尽量靠近(扭绞在一起更好)敷设，则几乎没有影响。而对并联谐振来说，感应加热线圈应尽量靠近电源(特别是槽路电容器)，否则功率输出和效率都会大幅度降低。 

  （13）串联谐振感应线圈上的电压和槽路电容器上的电压，都为谐振输出电压的Q倍，流过感应线圈上的电流，等于逆变器的输出电流。 并联谐振逆变器的感应 线圈和槽路电容器上的电压，都等于逆变器的输出电压，而流过它们的电流，则都是逆变器输出电流的Q倍。 

  综上所述，并联谐振和串联谐振各有其自己的技术特点和应用领域。从工业加热应用的角度，并联谐振广泛应用于熔炼、保温、透热、感应加热热处理等各种领域，其功率可以从几千瓦到上万千瓦。串联谐振广泛应用于熔炼——保温的一拖二炉组以及高Q值高频率的感应加热场合，其功率可以从几千瓦到几千千瓦。目前我国工业上采用的变频电源90%以上属并联变频电源。通过以上对谐振电路的分析，掌握谐振电路的特点，在生产实践中，应该用其所长，避其所短。

  电力系统中一些电感、电容元件在系统进行操作或发生故障时可形成各种振荡回路，在一定的能源作用下，会产生串联谐振现象，导致系统某些元件出现严重的过电压。

  分类

  (1) 线性谐振过电压 谐振回路由不带铁芯的电感元件(如输电线路的电感,变压器的漏感)或励磁特性接近线性的带铁芯的电感元件(如消弧线圈)和系统中的电容元件所组成。

  (2) 铁磁谐振过电压 谐振回路由带铁芯的电感元件(如空载变压器、电压互感器)和系统的电容元件组成。因铁芯电感元件的饱和现象,使回路的电感参数是非线性的,这种含有非线性电感元件的回路在满足一定的谐振条件时,会产生铁磁谐振。

  (3) 参数谐振过电压 由电感参数作周期性变化的电感元件(如凸极发电机的同步电抗在Xd ～ Xq间周期变化)和系统电容元件(如空载线路)组成回路,当参数配合时,通过电感的周期性变化,不断向谐振系统输送能量,造成参数谐振过电压。

  限制措施

(1) 提高开关动作的同期性 由于许多谐振过电压是在非全相运行条件下引起的,因此提高开关动作的同期性,防止非全相运行,可以有效防止谐振过电压的发生。

(2) 在并联高压电抗器中性点加装小电抗，用这个措施可以阻断非全相运行时工频电压传递及串联谐振。

(3) 破坏发电机产生自励磁的条件,防止参数谐振过电压。

  系统发生谐振时，在谐振电压和工频电压的作用下，PT铁芯磁密迅速饱和，激磁电流迅速增大，会使PT绕组严重过热而损坏(同一系统中所有PT均受到威胁)，甚至引起母线故障造成大面积停电。因此对发生谐振时，如何快速消除谐振是保证设备安全运行的关键。

  条件特点

  在中性点不接地电力系统中，由于电磁式电压互感器（TV）激磁特性的非线性，当电压发生波动使网络中电抗接近容抗时，便产生谐振过电压。特别是遇有激磁特 性不好（易饱和）的TV及系统发生单相对地闪络或接地时，更容易引发谐振过电压。轻者令到TV的熔断器熔断、匝间短路或爆炸；重者则发生避雷器爆炸、母线短路、厂用电失电等严重威胁电力系统和电气设备运行安全的事故。

  谐振处理

  对于我们现在6kV不接地系统来说，主要是投入消弧线圈和改变运行参数，一般投入消弧线圈都能消除谐振，对于发生基波和高频谐振，只要消谐器可靠动作，也能消除谐振，但对于分频谐振具有零序性质，一般消谐器无法消除谐振，投切三相对称负荷不起作用，对于未装设消弧线圈，因此根据实际情况，可按以下方法处理：

1、 基波或高频谐振的处理：

1) 有运行电容器时，切除运行电容器;没有运行电容器时，投入一组电容器;

2) 以上措施无法消谐时，切除该母线所有电容器，向调度申请切除部分馈线，最好是先切长线路。

2、 分频谐振的处理：

1) 切除该母线所有电容器;

2) 谐振仍无法消除时，向调度申请切除该母线上的线路，直至谐振消除;

3) 若所有线路全部切除后仍无法消谐，向调度申请切除变低开关，将母线停电;

4) 恢复母线及线路送电。

四方国瑞是一家专业研发生产串联谐振的厂家，本公司生产的串联谐振在行业内都广受好评，以打造最具权威的“串联谐振“高压设备供应商而努力。

  高频化、高效率是开关电源技术发展的主要方向之一。传统开关电源，开关器件都是工作在硬开关状态，不断提高变换器的工作效率会引起开关损耗增大、电磁干扰严重等问题，从而妨碍了开关器件工作频率的进一步提高。随着开关电源技术的发展，软开关技术得到了广泛的发展和应用，已研究出不少高效率的电路拓扑，主要为谐振型的软开关拓扑和PWM型的软开关拓扑。

  LLC串联谐振半桥变换器工作原理

  LLC串联谐振变换器在形式上与传统的串联谐振变换器完全一样，所不同的是，在传统的串联谐振变换器中，变压器的励磁电感通常较大而不参与谐振，谐振网络是一个LC的形式。因此，在传统的LC串联谐振变换器中，为使主开关管获得零电压导通的工作条件，开关频率必须高于LC本征谐振频率f0，而在LLC串联谐振变换器中，变压器励磁电感有很大程度的价格内地，用来实现主开关管的零电压导通。

  与传统串联谐振变换器不同，LLC谐振变换器开关频率高于或低于谐振频率时均可实现原边开关的软导通。当开关频率低于谐振频率时，变换器电压增益升高，因此可拓宽变换器输入电压范围。同时在轻载时，由于励磁电感充当负载，可提高变换器的负载效应，减小开关频率变化范围。此外，变压器漏感参与谐振，降低了副边整流二极管的电压应力，提高了变换器EMI性能。

LLC半橋諧振變換器特點

1.基于LLC谐振网络的半桥变换器具有EMI小、效率高等优点，与PWM控制变换器相比有着其独特的应用领域；

2. llc谐振变换器是通过调节开关频率来调节输出电压的，也就是在不同的输入电压下它的占空比保持不变，它的掉电维持时间特性比较好，可以广泛地应用在对掉电维持时间要求比较高的场合；

3. llc谐振变换器中副边二极管上的电压应力比不对称半桥变换器小很多，因为，在llc谐振变换器中副边二极管上的电压应力是输出电压的2倍，因此，在llc谐振变换器中可以选择耐压比较低的二极管，从而可以提高电路的效率；

4.在llc谐振变换器中上下开关管的占空比是相等的；

5.在轻负载时，工作频率逐渐升高，工作在降压区域内；而在重负载时，工作频率逐渐降低，工作在升压区域内；

6.原边输入电压为方波，电流为近似正弦波，而变压器输出电压也是方波，电流也是正弦波；   

7.在全负载范围内都具有较高的转换效率，而且频率变化范围比较窄等。

 LLC谐振网络需要两个磁性组件Ls和Lp。然而，在实现应用中，考虑到高频变压器实现结构，可以把磁性组件Ls和Lp集成在一个变压器内，利用变压器的漏感作为Ls,利用变压器的磁化电感作为Lp。采用原副边分开绕制的方法增加漏感，利用该漏感作为谐振电源，这样一来，可以大大减少磁性组件数目。在设计时，只要重点设计变压器的漏感与变压器磁化电感即可。因此，为增加漏感，需要在变压器中加入适当的气隙，并且控制变压器原副边的绕线方式，如图4所示。因为变压器的原边绕组与副边绕组是完全分离的，因此无需使用隔离胶带，这样有助于形体的小型化。

在变换器应用中，有一类将直流电变为高频正弦交流电的变换器，作为变换器的中间环节或者直接输出，主要应用于：

1. 雷达、通信中的射频功率放大器；

2. 感应炉的高频逆变器；

3. 使用高频正弦中间储能环节的谐振变换器；

4. 日光灯的电弧装置；

  这类变换器具有一些共性的特点：

1. 主回路中为高频正弦交流波形

2. 具有较高的电能转换效率

  其高频正弦交流波形通常通过谐振网络实现，因此成为谐振变换器。

  谐振变换器优点：

  主功率回路波形为正弦波，无谐波成分，电磁干扰小。可在很宽的范围内实现软开关。

  谐振变换器缺点：

  通过频率调制方式控制，频率变化范围较宽，不利于磁性元件优化设计，对负载变化敏感，调节范围窄。

  谐振条件：

1. 电路必须同时存在电感和电容元件

2. 激励频率必须与电路固有的震荡频率相同。

通过桥式电路，将直流电压斩成交变的交流方波，为谐振网络提供激励源。

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