串聯(lián)諧振方案
串聯(lián)諧振過電壓變換器問題
發(fā)布日期：2020-05-09 點(diǎn)擊：1500次
四方國(guó)瑞電力是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)串聯(lián)諧振的廠家，本公司生產(chǎn)的串聯(lián)諧振在行業(yè)內(nèi)都廣受好評(píng)，以打造最具權(quán)威的“串聯(lián)諧振“高壓設(shè)備供應(yīng)商而努力。
首先講一下什么是諧振，在含有電阻、電感和電容的交流電路中，電路兩端電壓與其電流一般是不同相的，若調(diào)節(jié)電路參數(shù)或電源頻率使電流與電源電壓同相，電路呈電阻性，稱這時(shí)電路的工作狀態(tài)為諧振。諧振又分為串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振，在串聯(lián)電路中發(fā)生的諧振即為串聯(lián)諧振，在并聯(lián)電路中發(fā)生的諧振即為并聯(lián)諧振，諧振現(xiàn)象是正玄交流電路的一種特定現(xiàn)象，它在電子和通訊工程中得到廣泛的應(yīng)用，但是在電力系統(tǒng)中，發(fā)生諧振有可能破壞系統(tǒng)的正常工作。接下來我們?cè)賮矸謩e介紹一下串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振的特電路特點(diǎn)。
串聯(lián)諧振的電路特點(diǎn)
1.總阻抗值最??；
2.電源電壓一定時(shí)，電流最大；
3. 電路呈電阻性，電容或電感上的電壓可能高于電源電壓。
并聯(lián)諧振電路的特點(diǎn)
1.電壓一定時(shí)，諧振時(shí)電流最?。?/span>
2.總阻抗最大；
3.電路呈電阻性，支路電流可能會(huì)大于總電流。
串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振的區(qū)別
1. 從負(fù)載諧振方式劃分，可以為并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振兩大類型，下面列出串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振的主要技術(shù)特點(diǎn)及其比較：
串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振的差別，源于它們所用的振蕩電路不同，前者是用L、R和C串聯(lián)，后者是L、R和C并聯(lián)。
（1）串聯(lián)諧振的負(fù)載電路對(duì)電源呈現(xiàn)低阻抗，要求由電壓源供電。因此，經(jīng)整流和濾波的直流電源末端，必須并接大的濾波電容器。當(dāng)逆變失敗時(shí)，浪涌電流大，保護(hù)困難。
并聯(lián)諧振的負(fù)載電路對(duì)電源呈現(xiàn)高阻抗，要求由電流源供電，需在直流電源末端串接大電抗器。但在逆變失敗時(shí)，由于電流受大電抗限制，沖擊不大，較易保護(hù)。
串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振區(qū)別2
（2）串聯(lián)諧振的輸入電壓恒定，輸出電壓為矩形波，輸出電流近似正弦波，換流是在晶閘管上電流過零以后進(jìn)行，因而電流總是超前電壓一φ角。 并聯(lián)諧振的輸入電流恒定，輸出電壓近似正弦波，輸出電流為矩形波，換流是在諧振電容器上電壓過零以前進(jìn)行，負(fù)載電流也總是越前于電壓一φ角。這就是說，兩者都是工作在容性負(fù)載狀態(tài)。
（3）串聯(lián)諧振是恒壓源供電，為避免逆變器的上、下橋臂晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，造成電源短路，換流時(shí)，必須保證先關(guān)斷，后開通。即應(yīng)有一段時(shí)間(t )使所有晶閘管（其它電力電子器件）都處于關(guān)斷狀態(tài)。此時(shí)的雜散電感，即從直流端到器件的引線電感上產(chǎn)生的感生電勢(shì)，可能使器件損壞，因而需要選擇合適的器件的浪涌電壓吸收電路。此外，在晶閘管關(guān)斷期間，為確保負(fù)載電流連續(xù)，使晶閘管免受換流電容器上高電壓的影響，必須在晶閘管兩端反并聯(lián)快速二極管。 并聯(lián)諧振是恒流源供電，為避免濾波電抗Ld上產(chǎn)生大的感生電勢(shì)，電流必須連續(xù)。也就是說，必須保證逆變器上、下橋臂晶閘管在換流時(shí)，是先開通后關(guān)斷，也即在換流期間(tγ)內(nèi)所有晶閘管都處于導(dǎo)通狀態(tài)。這時(shí)，雖然逆變橋臂直通，由于Ld足夠大，也不會(huì)造成直流電源短路，但換流時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)使系統(tǒng)效率降低，因而需縮短tγ，即減小Lk值。
（4）串聯(lián)諧振的工作頻率必須低于負(fù)載電路的固有振蕩頻率，即應(yīng)確保有合適的t 時(shí)間，否則會(huì)因逆變器上、下橋臂直通而導(dǎo)致?lián)Q流的失敗。
并聯(lián)諧振的工作頻率必須略高于負(fù)載電路的固有振蕩頻率，以確保有合適的反壓時(shí)間t ，否則會(huì)導(dǎo)致晶閘管間換流失??；但若高得太多，則在換流時(shí)晶閘管承受的反向電壓會(huì)太高，這是不允許的。
（5）串聯(lián)諧振的功率調(diào)節(jié)方式有二：改變直流電源電壓Ud或改變晶閘管的觸發(fā)頻率，即改變負(fù)載功率因數(shù)cosφ。
并聯(lián)諧振的功率調(diào)節(jié)方式，一般只能是改變直流電源電壓Ud。改變cosφ雖然也能使逆變輸出電壓升高和功率增大，但所允許調(diào)節(jié)范圍小。
（6）串聯(lián)諧振在換流時(shí)，晶閘管是自然關(guān)斷的，關(guān)斷前其電流已逐漸減小到零，因而關(guān)斷時(shí)間短，損耗小。在換流時(shí)，關(guān)斷的晶閘管受反壓的時(shí)間(t +tγ)較長(zhǎng)。 并聯(lián)諧振在換流時(shí)，晶閘管是在全電流運(yùn)行中被強(qiáng)迫關(guān)斷的，電流被迫降至零以后還需加一段反壓時(shí)間，因而關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)。相比之下，串聯(lián)諧振更適宜于在工作頻率較高的感應(yīng)加熱裝置中使用。
（7）串聯(lián)諧振的晶閘管所需承受的電壓較低，用380V電網(wǎng)供電時(shí)，采用1200V的晶閘管就行，但負(fù)載電路的全部電流，包括有功和無功分量，都需流過晶閘管。逆變晶閘管丟失脈沖，只會(huì)使振蕩停止，不會(huì)造成逆變顛覆。
并聯(lián)諧振的晶閘管所需承受的電壓高，其值隨功率因數(shù)角φ增大，而迅速增加。但負(fù)載本身構(gòu)成振蕩電流回路，只有有功電流流過逆變晶閘管，而且逆變晶閘管偶而丟失觸發(fā)脈沖時(shí)，仍可維持振蕩，工作比較穩(wěn)定。
（8）串聯(lián)諧振可以自激工作，也可以他激工作。他激工作時(shí)，只需改變逆變觸發(fā)脈沖頻率，即可調(diào)節(jié)輸出功率；而并聯(lián)諧振一般只能工作在自激狀態(tài)。
（9）在串聯(lián)諧振中，晶閘管的觸發(fā)脈沖不對(duì)稱，不會(huì)引入直流成分電流而影響正常運(yùn)行；而在并聯(lián)諧振中，逆變晶閘管的觸發(fā)脈沖不對(duì)稱，則會(huì)引入直流成分電流而引起故障。
（10）串聯(lián)諧振起動(dòng)容易，適用于頻繁起動(dòng)工作的場(chǎng)合；而并聯(lián)諧振需附加起動(dòng)電路，起動(dòng)較為困難。
（11）串聯(lián)諧振中的晶閘管由于承受矩形波電壓，故du /dt值較大，吸收電路起著關(guān)鍵作用，而對(duì)其di/dt要求則較低。
在并聯(lián)諧振中，流過逆變晶閘管的電流是矩形波，因而要求大的di/dt，而對(duì)du/dt的要求則低一些。
（12）串聯(lián)諧振的感應(yīng)加熱線圈與逆變電源(包括槽路電容器)的距離遠(yuǎn)時(shí)，對(duì)輸出功率的影響較小。如果采用同軸電纜或?qū)砘鼐€盡量靠近(扭絞在一起更好)敷設(shè)，則幾乎沒有影響。而對(duì)并聯(lián)諧振來說，感應(yīng)加熱線圈應(yīng)盡量靠近電源(特別是槽路電容器)，否則功率輸出和效率都會(huì)大幅度降低。
（13）串聯(lián)諧振感應(yīng)線圈上的電壓和槽路電容器上的電壓，都為諧振輸出電壓的Q倍，流過感應(yīng)線圈上的電流，等于逆變器的輸出電流。 并聯(lián)諧振逆變器的感應(yīng) 線圈和槽路電容器上的電壓，都等于逆變器的輸出電壓，而流過它們的電流，則都是逆變器輸出電流的Q倍。
綜上所述，并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振各有其自己的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。從工業(yè)加熱應(yīng)用的角度，并聯(lián)諧振廣泛應(yīng)用于熔煉、保溫、透熱、感應(yīng)加熱熱處理等各種領(lǐng)域，其功率可以從幾千瓦到上萬千瓦。串聯(lián)諧振廣泛應(yīng)用于熔煉——保溫的一拖二爐組以及高Q值高頻率的感應(yīng)加熱場(chǎng)合，其功率可以從幾千瓦到幾千千瓦。目前我國(guó)工業(yè)上采用的變頻電源90%以上屬并聯(lián)變頻電源。通過以上對(duì)諧振電路的分析，掌握諧振電路的特點(diǎn)，在生產(chǎn)實(shí)踐中，應(yīng)該用其所長(zhǎng)，避其所短。
電力系統(tǒng)中一些電感、電容元件在系統(tǒng)進(jìn)行操作或發(fā)生故障時(shí)可形成各種振蕩回路，在一定的能源作用下，會(huì)產(chǎn)生串聯(lián)諧振現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)某些元件出現(xiàn)嚴(yán)重的過電壓。
分類
(1) 線性諧振過電壓 諧振回路由不帶鐵芯的電感元件(如輸電線路的電感,變壓器的漏感)或勵(lì)磁特性接近線性的帶鐵芯的電感元件(如消弧線圈)和系統(tǒng)中的電容元件所組成。
(2) 鐵磁諧振過電壓 諧振回路由帶鐵芯的電感元件(如空載變壓器、電壓互感器)和系統(tǒng)的電容元件組成。因鐵芯電感元件的飽和現(xiàn)象,使回路的電感參數(shù)是非線性的,這種含有非線性電感元件的回路在滿足一定的諧振條件時(shí),會(huì)產(chǎn)生鐵磁諧振。
(3) 參數(shù)諧振過電壓 由電感參數(shù)作周期性變化的電感元件(如凸極發(fā)電機(jī)的同步電抗在Xd ～ Xq間周期變化)和系統(tǒng)電容元件(如空載線路)組成回路,當(dāng)參數(shù)配合時(shí),通過電感的周期性變化,不斷向諧振系統(tǒng)輸送能量,造成參數(shù)諧振過電壓。
限制措施
(1) 提高開關(guān)動(dòng)作的同期性 由于許多諧振過電壓是在非全相運(yùn)行條件下引起的,因此提高開關(guān)動(dòng)作的同期性,防止非全相運(yùn)行,可以有效防止諧振過電壓的發(fā)生。
(2) 在并聯(lián)高壓電抗器中性點(diǎn)加裝小電抗，用這個(gè)措施可以阻斷非全相運(yùn)行時(shí)工頻電壓傳遞及串聯(lián)諧振。
(3) 破壞發(fā)電機(jī)產(chǎn)生自勵(lì)磁的條件,防止參數(shù)諧振過電壓。
系統(tǒng)發(fā)生諧振時(shí)，在諧振電壓和工頻電壓的作用下，PT鐵芯磁密迅速飽和，激磁電流迅速增大，會(huì)使PT繞組嚴(yán)重過熱而損壞(同一系統(tǒng)中所有PT均受到威脅)，甚至引起母線故障造成大面積停電。因此對(duì)發(fā)生諧振時(shí)，如何快速消除諧振是保證設(shè)備安全運(yùn)行的關(guān)鍵。
條件特點(diǎn)
在中性點(diǎn)不接地電力系統(tǒng)中，由于電磁式電壓互感器（TV）激磁特性的非線性，當(dāng)電壓發(fā)生波動(dòng)使網(wǎng)絡(luò)中電抗接近容抗時(shí)，便產(chǎn)生諧振過電壓。特別是遇有激磁特 性不好（易飽和）的TV及系統(tǒng)發(fā)生單相對(duì)地閃絡(luò)或接地時(shí)，更容易引發(fā)諧振過電壓。輕者令到TV的熔斷器熔斷、匝間短路或爆炸；重者則發(fā)生避雷器爆炸、母線短路、廠用電失電等嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備運(yùn)行安全的事故。
諧振處理
對(duì)于我們現(xiàn)在6kV不接地系統(tǒng)來說，主要是投入消弧線圈和改變運(yùn)行參數(shù)，一般投入消弧線圈都能消除諧振，對(duì)于發(fā)生基波和高頻諧振，只要消諧器可靠動(dòng)作，也能消除諧振，但對(duì)于分頻諧振具有零序性質(zhì)，一般消諧器無法消除諧振，投切三相對(duì)稱負(fù)荷不起作用，對(duì)于未裝設(shè)消弧線圈，因此根據(jù)實(shí)際情況，可按以下方法處理：
1、 基波或高頻諧振的處理：
1) 有運(yùn)行電容器時(shí)，切除運(yùn)行電容器;沒有運(yùn)行電容器時(shí)，投入一組電容器;
2) 以上措施無法消諧時(shí)，切除該母線所有電容器，向調(diào)度申請(qǐng)切除部分饋線，最好是先切長(zhǎng)線路。
2、 分頻諧振的處理：
1) 切除該母線所有電容器;
2) 諧振仍無法消除時(shí)，向調(diào)度申請(qǐng)切除該母線上的線路，直至諧振消除;
3) 若所有線路全部切除后仍無法消諧，向調(diào)度申請(qǐng)切除變低開關(guān)，將母線停電;
4) 恢復(fù)母線及線路送電。
四方國(guó)瑞是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)串聯(lián)諧振的廠家，本公司生產(chǎn)的串聯(lián)諧振在行業(yè)內(nèi)都廣受好評(píng)，以打造最具權(quán)威的“串聯(lián)諧振“高壓設(shè)備供應(yīng)商而努力。
高頻化、高效率是開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。傳統(tǒng)開關(guān)電源，開關(guān)器件都是工作在硬開關(guān)狀態(tài)，不斷提高變換器的工作效率會(huì)引起開關(guān)損耗增大、電磁干擾嚴(yán)重等問題，從而妨礙了開關(guān)器件工作頻率的進(jìn)一步提高。隨著開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展，軟開關(guān)技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，已研究出不少高效率的電路拓?fù)?，主要為諧振型的軟開關(guān)拓?fù)浜蚉WM型的軟開關(guān)拓?fù)洹?/span>
LLC串聯(lián)諧振半橋變換器工作原理
LLC串聯(lián)諧振變換器在形式上與傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振變換器完全一樣，所不同的是，在傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振變換器中，變壓器的勵(lì)磁電感通常較大而不參與諧振，諧振網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)LC的形式。因此，在傳統(tǒng)的LC串聯(lián)諧振變換器中，為使主開關(guān)管獲得零電壓導(dǎo)通的工作條件，開關(guān)頻率必須高于LC本征諧振頻率f0，而在LLC串聯(lián)諧振變換器中，變壓器勵(lì)磁電感有很大程度的價(jià)格內(nèi)地，用來實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管的零電壓導(dǎo)通。
與傳統(tǒng)串聯(lián)諧振變換器不同，LLC諧振變換器開關(guān)頻率高于或低于諧振頻率時(shí)均可實(shí)現(xiàn)原邊開關(guān)的軟導(dǎo)通。當(dāng)開關(guān)頻率低于諧振頻率時(shí)，變換器電壓增益升高，因此可拓寬變換器輸入電壓范圍。同時(shí)在輕載時(shí)，由于勵(lì)磁電感充當(dāng)負(fù)載，可提高變換器的負(fù)載效應(yīng)，減小開關(guān)頻率變化范圍。此外，變壓器漏感參與諧振，降低了副邊整流二極管的電壓應(yīng)力，提高了變換器EMI性能。
LLC半橋諧振變換器特點(diǎn)
1.基于LLC諧振網(wǎng)絡(luò)的半橋變換器具有EMI小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，與PWM控制變換器相比有著其獨(dú)特的應(yīng)用領(lǐng)域；
2. llc諧振變換器是通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率來調(diào)節(jié)輸出電壓的，也就是在不同的輸入電壓下它的占空比保持不變，它的掉電維持時(shí)間特性比較好，可以廣泛地應(yīng)用在對(duì)掉電維持時(shí)間要求比較高的場(chǎng)合；
3. llc諧振變換器中副邊二極管上的電壓應(yīng)力比不對(duì)稱半橋變換器小很多，因?yàn)?，在llc諧振變換器中副邊二極管上的電壓應(yīng)力是輸出電壓的2倍，因此，在llc諧振變換器中可以選擇耐壓比較低的二極管，從而可以提高電路的效率；
4.在llc諧振變換器中上下開關(guān)管的占空比是相等的；
5.在輕負(fù)載時(shí)，工作頻率逐漸升高，工作在降壓區(qū)域內(nèi)；而在重負(fù)載時(shí)，工作頻率逐漸降低，工作在升壓區(qū)域內(nèi)；
6.原邊輸入電壓為方波，電流為近似正弦波，而變壓器輸出電壓也是方波，電流也是正弦波；
7.在全負(fù)載范圍內(nèi)都具有較高的轉(zhuǎn)換效率，而且頻率變化范圍比較窄等。
LLC諧振網(wǎng)絡(luò)需要兩個(gè)磁性組件Ls和Lp。然而，在實(shí)現(xiàn)應(yīng)用中，考慮到高頻變壓器實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，可以把磁性組件Ls和Lp集成在一個(gè)變壓器內(nèi)，利用變壓器的漏感作為L(zhǎng)s,利用變壓器的磁化電感作為L(zhǎng)p。采用原副邊分開繞制的方法增加漏感，利用該漏感作為諧振電源，這樣一來，可以大大減少磁性組件數(shù)目。在設(shè)計(jì)時(shí)，只要重點(diǎn)設(shè)計(jì)變壓器的漏感與變壓器磁化電感即可。因此，為增加漏感，需要在變壓器中加入適當(dāng)?shù)臍庀?，并且控制變壓器原副邊的繞線方式，如圖4所示。因?yàn)樽儔浩鞯脑吚@組與副邊繞組是完全分離的，因此無需使用隔離膠帶，這樣有助于形體的小型化。
在變換器應(yīng)用中，有一類將直流電變?yōu)楦哳l正弦交流電的變換器，作為變換器的中間環(huán)節(jié)或者直接輸出，主要應(yīng)用于：
1. 雷達(dá)、通信中的射頻功率放大器；
2. 感應(yīng)爐的高頻逆變器；
3. 使用高頻正弦中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的諧振變換器；
4. 日光燈的電弧裝置；
這類變換器具有一些共性的特點(diǎn)：
1. 主回路中為高頻正弦交流波形
2. 具有較高的電能轉(zhuǎn)換效率
其高頻正弦交流波形通常通過諧振網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，因此成為諧振變換器。
諧振變換器優(yōu)點(diǎn)：
主功率回路波形為正弦波，無諧波成分，電磁干擾小?？稍诤軐挼姆秶鷥?nèi)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。
諧振變換器缺點(diǎn)：
通過頻率調(diào)制方式控制，頻率變化范圍較寬，不利于磁性元件優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)負(fù)載變化敏感，調(diào)節(jié)范圍窄。
諧振條件：
1. 電路必須同時(shí)存在電感和電容元件
2. 激勵(lì)頻率必須與電路固有的震蕩頻率相同。
通過橋式電路，將直流電壓斬成交變的交流方波，為諧振網(wǎng)絡(luò)提供激勵(lì)源。
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