串联谐振装置技术文章

发布日期：2020-06-16　点击：3253次

国内外感应加热的发展现状串联谐振装置技术文章

  感应加热电源由于上述的诸多优点,己在各行业中得到日益广泛的应用。感应加热电源按其工作频率的不同可分为中频、超音频和高频以上三种。

在世纪年代以前感应加热电源主要有工频感应熔炼炉、电磁倍频器、中频发电机组和电子管振荡器式高频电源。在世纪年代末,硅晶闸管的出现引起了整个电力电子学的一场革命,促进了感应加热电源飞速发展。至今,在中频范围内,晶闸管中频感应加热装置己经完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器。国外研制出的感应加热电源装置的最大容量己达数十兆瓦,国内也己形成一系列产品。从可预见的电力半导体器件发展情况来看,近期不太可能满足开发以上大功率感应加热电源的要求,这一频段暂时还只能用电子管振荡器去实现。随着电力半导体的逐步高频化,固态电源必将取代电子管振荡器。总体来说,国内感应加热电源在各频率范围与功率等级、设计水平等方面都有了很大发展,但是与国外相比还有一定的差距,还需要更多科技工作者的不懈努力。

串联谐振感应加热电源的发展趋势

  随着现代工业生产对感应加热设备的数量和性能质量上需求的不断增长,以及电力电子技术的发展,电力电子半导体器件的更新,计算机微控制器性能的增强,未来感应加热电源技术的发展趋势可以期望有如下几个方面.

  1.智能化随着感应加热设备所处生产线的自动化程度的提高和对电源可靠性要求的提高,感应加热电源正向智能化控制方向发展。特别是随着、嵌入式芯片的飞速发展和普及,具有计算机接口、远程控制、故障自诊断等控制性能的感应加热电源正成为主要方向。

  2.高效化随着人们对现代电能质量的更多关注和对电网无功及谐波污染抑制要求的提高,具有高功率因数,对电网谐波污染小的感应加热电源将会成为感应加热电源研制生产的追求目标。

  3.大容量、高频化电力半导体器件的大容量化、高频化以及感应加热电源在高频工况下所具有的一些优异性能促使感应加热电源向大容量化、高频化超音频串联谐振感应加热电源的研究和小型化方向发展。

  4.最佳负载匹配。串联谐振感应加热电源运行在各类工业现场,工况特别复杂,其所驱动的负载对象差别很大,实际工作过程中电源逆变器与负载是一个需要综合考虑的有机整体,他们之间的配置情况会直接影响到电源的运行情况和运行效率。因此,以后感应加热电源的研制过程中肯定会更多的考虑到电源负载的实际情况,设计出整体性能、效率更佳的感应加热电源。

随着电力电子技术的不断发展和实际工业生产等应用领域中的不同要求的提出,感应加热电源发展出了多种不同的种类形式。但总体上来说,感应加热电源主要由以下四个部分组成整流器一,逆变器一,谐振槽路及负载和控制及保护环节。一般的感应加热电源的组成框图如图2-1所示串联谐振装置技术文章

  其大致工作过程如下感应加热电源接入市况工频正弦交流电,经整流环节后成为脉动直流电,再经过滤波环节后成为平滑的直流电,此平滑直流电经过其后的逆变器环节逆变为一定频率的交流电供给负载。在感应加热装置中,电能一般都是通过感应线圈传递给被加热负载,它与负载一起又可构成逆变器的等效负载。

变频串联谐振实验装置

  该装置主要针10kV及以下电缆的交流耐压试验设计制造。电抗器采用多只分开设计，既可满足高电压、小电流的设备试验条件要求，又能满足象10kV电缆这样的低电压的交流耐压试验要求，具有较宽的适用范围，是地、市、县级高压试验部门及电力安装、修试工程单位理想的耐压设备。

  该装置主要由变频电源、激励变压器、电抗器、电容分压器组成。 串联谐振在电力系统中应用的优点：

  1、所需电源容量大大减小。串联谐振电源是利用谐振电抗器和被试品电容谐振产生高电压和大电流的，在整个系统中，电源只需要提供系统中有功消耗的部分，因此，试验所需的电源功率只有试验容量的1/Q。

  2、设备的重量和体积大大减少。串联谐振电源中，不但省去了笨重的大功率调压装置和普通的大功率工频试验变压器，而且，谐振激磁电源只需试验容量的1/Q，使得系统重量和体积大大减少，一般为普通试验装置的1/10-1/30。

  3、改善输出电压的波形。谐振电源是谐振式滤波电路，能改善输出电压的波形畸变，获得很好的正弦波形，有效的防止了谐波峰值对试品的误击穿。

  4、防止大的短路电流烧伤故障点。在串联谐振状态，当试品的绝缘弱点被击穿时，电路立即脱谐，回路电流迅速下降为正常试验电流的1/Q。而并联谐振或者试验变压器方式做耐压试验时，击穿电流立即上升几十倍，两者相比，短路电流与击穿电流相差数百倍。所以，串联谐振能有效的找到绝缘弱点，又不存在大的短路电流烧伤故障点的忧患。

  5、不会出现任何恢复过电压。试品发生击穿时，因失去谐振条件，高电压也立即消失，电弧即刻熄灭，且恢复电压的再建立过程很长，很容易在再次达到闪络电压前断开电源，这种电压的恢复过程是一种能量积累的间歇振荡过程，其过程长，而且，不会出现任何恢复过电压。

 传统的试验变压器由于容量的限制，不适合电力系统高电压、大容量电气设备交流耐压试验的需要。本文介绍了一种新的基于电路谐振原理而研发的变频串联谐振装置，对变频串联谐振装置在各种电气设备交流耐压试验中的应用进行了研究，总结了装置在应用中出现的问题，并进行了分析，提出了相应的对策。取得的主要结论如下：

 （1）变频串联谐振装置安全性高。在GIS的交流耐压试验中，由于GIS 是运输到现场后再进行安装的，受到现场环境的影响，里面可能会受潮，或存在异物导致内部绝缘性能下降，经常发生放电的现象。

  GIS 是全封闭的结构，发生放电的时候，难以确定放电的位置，需要通过多次的加压，才能找到放电点。如果采用其它的交流耐压试验装置来进行试验，经过多次的放电冲击，试验装置很容易损坏，并且放电时，试品对试验装置产生的反电势，容易对操作人员产生伤害。采用变频串联谐振装置进行试验，发生放电时，谐振条件不满足，电压降到很低，不会对试品和操作人员产生损害。

 （2）变频串联谐振装置适用范围广。变频串联谐振装置适用于各种电气设备的交流耐压试验。它不但适合于电力变压器、电流互感器、断路器等单体设备的交流耐压试验，特别适合于配电装置、GIS、交流聚乙烯电缆等大容量电气设备的交流耐压试验，电气设备的容量越大，效果越好。

 （3）变频串联谐振装置所需电源容量小。在目前变电站电气设备的交流耐压试验中，所需电源最大电流不超过 150A，非常适合在电力工程中使用。

实践证明，使用变频串联谐振装置来进行交流耐压试验是可行的、有效的。因此，变频谐振试验方法在电力系统耐压试验中将会得到全面的应用。

 开关变换器是负反馈控制系统,其控制环节是非常关键的一个方面。变换器的控制方法分为电压模式和电流模式。电压模式控制,只有电压反馈的单闭环控制,误差放大器只检测输出电压,只有当输出电流的变化引起输出电压变化时才进行调整,其控制简单,但动态和稳态性能不够好,另外,由于只对电压量调节,而没有考虑电流量的变化对系统的影响,不能调节变换器的功率。

  电流模式控制,在电压反馈的基础上,又引入了电流反馈环节,其实质是使输出电感电流跟随误差电压所设定的值,即可将电感用一个恒流源代替,从而可以使系统由二阶降为一阶,从而简化了控制系统调节器的设计。在控制性能方面远远优于电压模式,它又分为峰值电流控制、平均电流控制、滞环电流控制模式等。峰值电流是把电流峰值作为控制对象,平均电流控制是电流的平均值,平均电流模式具有高增益的电流放大器、能精确地跟踪电流设定值、噪声抑制能力强、无须斜坡补偿、可应用在任意电路拓扑上等诸多优点而被多数设计者所青睐。

  开关变换器的控制系统一般都是在恒频的基础上进行设计的,而串联谐振逆变器的谐振频率会随着负载等效电感量的变化而改变从而电路工作状态就会发生偏移,滑入感性或容性工作状态,使整个电路效率大降低。当负载发生改变时,为了使电路仍然能处在谐振状态,就要对电路的工作频率进行跟踪,而锁相环技术是一种频率跟踪常用的方法。本设计采用频率跟踪和功率控制相合的方法对整个控制系统的进行设计,频率跟踪模块采用锁相环技术,功率控制模块采用平均电流模式的控制系统如图3-1所示,通过控制输出电路电流来达到控制输出功率,动态响应快,控制性能好,可达到良好的控制效果。

  锁相环的组成和工作原理

  锁相就是自动完成相位同步,能够实现两个电信号相位同步的自动控制系统称为锁相环路,简称锁相环(PLL)。锁相环是一个由振荡器产生的输出信号在频率和相位上与参考信号或输入信号同步的系统。锁相环由鉴相超音频串联谐振滋应加热电派的研究器一、环路滤波器一及压控振荡器一这三个基本部件组成。如图3-1所示,基本锁相环是一个全反馈系统,它的反馈信号等于输出信号。

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