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串聯(lián)諧振裝置技術(shù)文章
發(fā)布日期：2020-06-16 點擊：3252次
國內(nèi)外感應(yīng)加熱的發(fā)展現(xiàn)狀串聯(lián)諧振裝置技術(shù)文章
感應(yīng)加熱電源由于上述的諸多優(yōu)點,己在各行業(yè)中得到日益廣泛的應(yīng)用。感應(yīng)加熱電源按其工作頻率的不同可分為中頻、超音頻和高頻以上三種。
在世紀年代以前感應(yīng)加熱電源主要有工頻感應(yīng)熔煉爐、電磁倍頻器、中頻發(fā)電機組和電子管振蕩器式高頻電源。在世紀年代末,硅晶閘管的出現(xiàn)引起了整個電力電子學(xué)的一場革命,促進了感應(yīng)加熱電源飛速發(fā)展。至今,在中頻范圍內(nèi),晶閘管中頻感應(yīng)加熱裝置己經(jīng)完全取代了傳統(tǒng)的中頻發(fā)電機組和電磁倍頻器。國外研制出的感應(yīng)加熱電源裝置的最大容量己達數(shù)十兆瓦,國內(nèi)也己形成一系列產(chǎn)品。從可預(yù)見的電力半導(dǎo)體器件發(fā)展情況來看,近期不太可能滿足開發(fā)以上大功率感應(yīng)加熱電源的要求,這一頻段暫時還只能用電子管振蕩器去實現(xiàn)。隨著電力半導(dǎo)體的逐步高頻化,固態(tài)電源必將取代電子管振蕩器?？傮w來說,國內(nèi)感應(yīng)加熱電源在各頻率范圍與功率等級、設(shè)計水平等方面都有了很大發(fā)展,但是與國外相比還有一定的差距,還需要更多科技工作者的不懈努力。
串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源的發(fā)展趨勢
隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對感應(yīng)加熱設(shè)備的數(shù)量和性能質(zhì)量上需求的不斷增長,以及電力電子技術(shù)的發(fā)展,電力電子半導(dǎo)體器件的更新,計算機微控制器性能的增強,未來感應(yīng)加熱電源技術(shù)的發(fā)展趨勢可以期望有如下幾個方面.
1.智能化隨著感應(yīng)加熱設(shè)備所處生產(chǎn)線的自動化程度的提高和對電源可靠性要求的提高,感應(yīng)加熱電源正向智能化控制方向發(fā)展。特別是隨著、嵌入式芯片的飛速發(fā)展和普及,具有計算機接口、遠程控制、故障自診斷等控制性能的感應(yīng)加熱電源正成為主要方向。
2.高效化隨著人們對現(xiàn)代電能質(zhì)量的更多關(guān)注和對電網(wǎng)無功及諧波污染抑制要求的提高,具有高功率因數(shù),對電網(wǎng)諧波污染小的感應(yīng)加熱電源將會成為感應(yīng)加熱電源研制生產(chǎn)的追求目標。
3.大容量、高頻化電力半導(dǎo)體器件的大容量化、高頻化以及感應(yīng)加熱電源在高頻工況下所具有的一些優(yōu)異性能促使感應(yīng)加熱電源向大容量化、高頻化超音頻串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源的研究和小型化方向發(fā)展。
4.最佳負載匹配。串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源運行在各類工業(yè)現(xiàn)場,工況特別復(fù)雜,其所驅(qū)動的負載對象差別很大,實際工作過程中電源逆變器與負載是一個需要綜合考慮的有機整體,他們之間的配置情況會直接影響到電源的運行情況和運行效率。因此,以后感應(yīng)加熱電源的研制過程中肯定會更多的考慮到電源負載的實際情況,設(shè)計出整體性能、效率更佳的感應(yīng)加熱電源。
隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和實際工業(yè)生產(chǎn)等應(yīng)用領(lǐng)域中的不同要求的提出,感應(yīng)加熱電源發(fā)展出了多種不同的種類形式。但總體上來說,感應(yīng)加熱電源主要由以下四個部分組成整流器一,逆變器一,諧振槽路及負載和控制及保護環(huán)節(jié)。一般的感應(yīng)加熱電源的組成框圖如圖2-1所示串聯(lián)諧振裝置技術(shù)文章
其大致工作過程如下感應(yīng)加熱電源接入市況工頻正弦交流電,經(jīng)整流環(huán)節(jié)后成為脈動直流電,再經(jīng)過濾波環(huán)節(jié)后成為平滑的直流電,此平滑直流電經(jīng)過其后的逆變器環(huán)節(jié)逆變?yōu)橐欢l率的交流電供給負載。在感應(yīng)加熱裝置中,電能一般都是通過感應(yīng)線圈傳遞給被加熱負載,它與負載一起又可構(gòu)成逆變器的等效負載。
變頻串聯(lián)諧振實驗裝置
該裝置主要針10kV及以下電纜的交流耐壓試驗設(shè)計制造。電抗器采用多只分開設(shè)計，既可滿足高電壓、小電流的設(shè)備試驗條件要求，又能滿足象10kV電纜這樣的低電壓的交流耐壓試驗要求，具有較寬的適用范圍，是地、市、縣級高壓試驗部門及電力安裝、修試工程單位理想的耐壓設(shè)備。
該裝置主要由變頻電源、激勵變壓器、電抗器、電容分壓器組成。 串聯(lián)諧振在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)點：
1、所需電源容量大大減小。串聯(lián)諧振電源是利用諧振電抗器和被試品電容諧振產(chǎn)生高電壓和大電流的，在整個系統(tǒng)中，電源只需要提供系統(tǒng)中有功消耗的部分，因此，試驗所需的電源功率只有試驗容量的1/Q。
2、設(shè)備的重量和體積大大減少。串聯(lián)諧振電源中，不但省去了笨重的大功率調(diào)壓裝置和普通的大功率工頻試驗變壓器，而且，諧振激磁電源只需試驗容量的1/Q，使得系統(tǒng)重量和體積大大減少，一般為普通試驗裝置的1/10-1/30。
3、改善輸出電壓的波形。諧振電源是諧振式濾波電路，能改善輸出電壓的波形畸變，獲得很好的正弦波形，有效的防止了諧波峰值對試品的誤擊穿。
4、防止大的短路電流燒傷故障點。在串聯(lián)諧振狀態(tài)，當試品的絕緣弱點被擊穿時，電路立即脫諧，回路電流迅速下降為正常試驗電流的1/Q。而并聯(lián)諧振或者試驗變壓器方式做耐壓試驗時，擊穿電流立即上升幾十倍，兩者相比，短路電流與擊穿電流相差數(shù)百倍。所以，串聯(lián)諧振能有效的找到絕緣弱點，又不存在大的短路電流燒傷故障點的憂患。
5、不會出現(xiàn)任何恢復(fù)過電壓。試品發(fā)生擊穿時，因失去諧振條件，高電壓也立即消失，電弧即刻熄滅，且恢復(fù)電壓的再建立過程很長，很容易在再次達到閃絡(luò)電壓前斷開電源，這種電壓的恢復(fù)過程是一種能量積累的間歇振蕩過程，其過程長，而且，不會出現(xiàn)任何恢復(fù)過電壓。
傳統(tǒng)的試驗變壓器由于容量的限制，不適合電力系統(tǒng)高電壓、大容量電氣設(shè)備交流耐壓試驗的需要。本文介紹了一種新的基于電路諧振原理而研發(fā)的變頻串聯(lián)諧振裝置，對變頻串聯(lián)諧振裝置在各種電氣設(shè)備交流耐壓試驗中的應(yīng)用進行了研究，總結(jié)了裝置在應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，并進行了分析，提出了相應(yīng)的對策。取得的主要結(jié)論如下：
（1）變頻串聯(lián)諧振裝置安全性高。在GIS的交流耐壓試驗中，由于GIS 是運輸?shù)浆F(xiàn)場后再進行安裝的，受到現(xiàn)場環(huán)境的影響，里面可能會受潮，或存在異物導(dǎo)致內(nèi)部絕緣性能下降，經(jīng)常發(fā)生放電的現(xiàn)象。
GIS 是全封閉的結(jié)構(gòu)，發(fā)生放電的時候，難以確定放電的位置，需要通過多次的加壓，才能找到放電點。如果采用其它的交流耐壓試驗裝置來進行試驗，經(jīng)過多次的放電沖擊，試驗裝置很容易損壞，并且放電時，試品對試驗裝置產(chǎn)生的反電勢，容易對操作人員產(chǎn)生傷害。采用變頻串聯(lián)諧振裝置進行試驗，發(fā)生放電時，諧振條件不滿足，電壓降到很低，不會對試品和操作人員產(chǎn)生損害。
（2）變頻串聯(lián)諧振裝置適用范圍廣。變頻串聯(lián)諧振裝置適用于各種電氣設(shè)備的交流耐壓試驗。它不但適合于電力變壓器、電流互感器、斷路器等單體設(shè)備的交流耐壓試驗，特別適合于配電裝置、GIS、交流聚乙烯電纜等大容量電氣設(shè)備的交流耐壓試驗，電氣設(shè)備的容量越大，效果越好。
（3）變頻串聯(lián)諧振裝置所需電源容量小。在目前變電站電氣設(shè)備的交流耐壓試驗中，所需電源最大電流不超過 150A，非常適合在電力工程中使用。
實踐證明，使用變頻串聯(lián)諧振裝置來進行交流耐壓試驗是可行的、有效的。因此，變頻諧振試驗方法在電力系統(tǒng)耐壓試驗中將會得到全面的應(yīng)用。
開關(guān)變換器是負反饋控制系統(tǒng),其控制環(huán)節(jié)是非常關(guān)鍵的一個方面。變換器的控制方法分為電壓模式和電流模式。電壓模式控制,只有電壓反饋的單閉環(huán)控制,誤差放大器只檢測輸出電壓,只有當輸出電流的變化引起輸出電壓變化時才進行調(diào)整,其控制簡單,但動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能不夠好,另外,由于只對電壓量調(diào)節(jié),而沒有考慮電流量的變化對系統(tǒng)的影響,不能調(diào)節(jié)變換器的功率。
電流模式控制,在電壓反饋的基礎(chǔ)上,又引入了電流反饋環(huán)節(jié),其實質(zhì)是使輸出電感電流跟隨誤差電壓所設(shè)定的值,即可將電感用一個恒流源代替,從而可以使系統(tǒng)由二階降為一階,從而簡化了控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計。在控制性能方面遠遠優(yōu)于電壓模式,它又分為峰值電流控制、平均電流控制、滯環(huán)電流控制模式等。峰值電流是把電流峰值作為控制對象,平均電流控制是電流的平均值,平均電流模式具有高增益的電流放大器、能精確地跟蹤電流設(shè)定值、噪聲抑制能力強、無須斜坡補償、可應(yīng)用在任意電路拓撲上等諸多優(yōu)點而被多數(shù)設(shè)計者所青睞。
開關(guān)變換器的控制系統(tǒng)一般都是在恒頻的基礎(chǔ)上進行設(shè)計的,而串聯(lián)諧振逆變器的諧振頻率會隨著負載等效電感量的變化而改變從而電路工作狀態(tài)就會發(fā)生偏移,滑入感性或容性工作狀態(tài),使整個電路效率大降低。當負載發(fā)生改變時,為了使電路仍然能處在諧振狀態(tài),就要對電路的工作頻率進行跟蹤,而鎖相環(huán)技術(shù)是一種頻率跟蹤常用的方法。本設(shè)計采用頻率跟蹤和功率控制相合的方法對整個控制系統(tǒng)的進行設(shè)計,頻率跟蹤模塊采用鎖相環(huán)技術(shù),功率控制模塊采用平均電流模式的控制系統(tǒng)如圖3-1所示,通過控制輸出電路電流來達到控制輸出功率,動態(tài)響應(yīng)快,控制性能好,可達到良好的控制效果。
鎖相環(huán)的組成和工作原理
鎖相就是自動完成相位同步,能夠?qū)崿F(xiàn)兩個電信號相位同步的自動控制系統(tǒng)稱為鎖相環(huán)路,簡稱鎖相環(huán)(PLL)。鎖相環(huán)是一個由振蕩器產(chǎn)生的輸出信號在頻率和相位上與參考信號或輸入信號同步的系統(tǒng)。鎖相環(huán)由鑒相超音頻串聯(lián)諧振滋應(yīng)加熱電派的研究器一、環(huán)路濾波器一及壓控振蕩器一這三個基本部件組成。如圖3-1所示,基本鎖相環(huán)是一個全反饋系統(tǒng),它的反饋信號等于輸出信號。
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