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大功率中频电源电子平波电抗器

阅读：832发布：2021-02-27

IPRDB可以提供大功率中频电源电子平波电抗器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种大功率中频电源电子平波电抗器，是由低电压小整流器T和小平波电抗Ld′组成，输出连续电压的低电压小整流器T的输出端连接小平波电抗Ld′，小整流器T的输入端经一个降压变压器与三相交流电源连接，低电压小整流器T的输出端还与大功率中频电源的主整流桥1的输出端并联。本发明在主整流桥的输出端并联一组输出连续电压的低电压小整流器T，保证了逆变回路的直流电压和直流电流的连续性。小平波电抗Ld′只需1mH以下，即可替代原有的并联补偿型中频电源中6～12mH的平波电抗Ld，从而节省了制造大电抗器所需要的巨额费用，而所增加的小整流器的全部费用，不到所节省的费用的十分之一，中频电源的输出功率越大，其所能节省的费用也越多。，下面是大功率中频电源电子平波电抗器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种大功率中频电源电子平波电抗器，其特征在于是由低电压小整流器T和小平波电抗Ld′组成，输出连续电压的低电压小整流器T的输出端连接小平波电抗Ld′，低电压小整流器T的输出端还与大功率中频电源的主整流桥1的输出端并联，此电子平波电抗器的输出接大功率中频电源的逆变桥3的输入端。

2.根据权利要求1所述的大功率中频电源电子平波电抗器，其特征在于，所述的小整流器T的输入端是经一个降压变压器与三相交流电源连接，起到降压与隔离的作用。

3.根据权利要求1所述的大功率中频电源电子平波电抗器，其特征在于，所述的小平波电抗Ld′可接在并联于大功率中频电源的主整流桥1的输出端的低电压小整流器T的正电输出端与大功率中频电源的逆变桥3的正电输入端之间。

4.根据权利要求1所述的大功率中频电源电子平波电抗器，其特征在于，所述的小平波电抗Ld′可接在并联于大功率中频电源的主整流桥1的输出端的低电压小整流器T的负电输出端与大功率中频电源的逆变桥3的负电输入端之间。

5.根据权利要求1所述的大功率中频电源电子平波电抗器，其特征在于，所述的小平波电抗Ld′可以分为两个，分别接在并联于大功率中频电源的主整流桥1的输出端的低电压小整流器T的正电输出端与大功率中频电源的逆变桥3的正电输入端之间，以及并联于大功率中频电源的主整流桥1的输出端的低电压小整流器T的负电输出端与大功率中频电源的逆变桥3的负电输入端之间。

6.根据权利要求1所述的大功率中频电源电子平波电抗器，其特征在于，小整流器T在大功率中频电源中可设有一台以上，每台小整流器各携带一个独立的降压变压器，每台小整流器的直流输出端都与大功率中频电源的主整流桥的输出端相并联，且每台小整流器的输出电压各不相同，启动中频电源时，先从电压最低的小整流器开始，然后逐步将电压更高的整流桥投入工作，直到主整流桥投入运行为止。

说明书全文

技术领域

本发明涉及一种电子平波电抗器，特别是一种适用于大功率中频电源的电子平波电抗器。

背景技术

并联补偿型固态中频(或高频)电源都有一个(或两个)很大的平波电抗器Ld。典型的并联补偿型固态中频电源的主回路如图1所示，是由整流桥、平波电抗器Ld和逆变回路组成。其中逆变回路是将炉体感应线圈L与补偿电容C并联，构成一个LC并联谐振槽路再与可控硅共同组成。通过可控硅(也可以是其它功率半导体器件，如IGBT，GTO等)7、8和9、10的分别导通给 LC谐振槽路输送正向或反向电流，以维持LC槽路中的振荡。此类设备中的平波电抗器Ld的铁心重量W与它的储能多少有关，W∝Id 2Ld，可见当Id和 Ld很大时，其铁心很重，耗资巨大。
并联补偿型中频电源中的Ld有三个作用，其一是为逆变器提供恒定电流源，以保证并联补偿型逆变器可靠换流；其二是当发生逆变颠覆时，Ld可以有效限制故障电流的上升率；其三是平波。但是，Ld的这三种用途对Ld的电感量有不同的要求：
1)恒定电流源功能对Ld的要求：如图1所示，在并联补偿型逆变器的换流过程中(由可控硅7和8导通换成可控硅9和10导通)，补偿电容C 的反向放电电流IC(此电流反向流过可控硅7)必须大于因可控硅7和10 同时导通而造成的短路电流IS(此电流顺向流过可控硅7)才能将可控硅7 关断，否则会发生逆变颠覆。不难算出，

I_{S} = I_{0} + \frac{U_{d}}{L_{d}} τ

I_{C} = \frac{U_{C}}{2 l} τ

式中I0是换流前流过可控硅1和2的初始电流，Ud是直流电压，Ld是平波电抗，C是补偿电容，UC是C上的电压，l是可控硅的换流电抗，而τ 是换流时间。由于L＞＞2l，LC的振荡周期＞＞2l C的放电周期，所以在C 对2l放电过程中，我们可以近似认为C上的电压为一常数。比如，取UC＝Ud /2。
考虑到τ存在一个最小值τ0，即τ＝τ0＋Δτ，其中τ0定义为

I_{0} = \frac{U_{C}}{2 l} τ_{0},

可得

\frac{U_{C}}{2 l} (\frac{I_{0}}{U_{C}} 2 l + Δτ) > > I_{0} + \frac{U_{d}}{L_{d}} (\frac{I_{0}}{U_{C}} 2 l + Δτ)

最后求得Ld应满足：

L_{d} \geq \frac{{2 lU}_{d} (1 + \frac{2 l}{U_{C}} \frac{I_{0}}{Δτ})}{U_{c}} .

作为实例，我们考虑一台直流电流I0＝2000A、直流电压Ud＝500V的中频电源的情况，取

不难算出，Ld≥30μH。
2)限制故障电流上升率对Ld的要求：当我们因设备发生故障而切断整流可控硅的触发脉冲时，可控整流桥并不能即刻封闭，此时已经导通的一组可控硅(比如图1中的可控硅1和6)处于失控状态，必须等到加在这一组可控硅上的电源电压反向后，失控电流才有可能得到抑制。此失控时间的长与短因故障发生时刻的不同而不同，具有完全的随机性。最恶劣故障发生的时间是在相邻两个自然换相点所对应的t1和t2时刻之间，此时可控硅1和 6已经导通。不难算出，由此而导致的最大电流为

I_{\max} = \int_{t_{0}}^{t_{1}} \frac{U_{m}}{L_{d}} [\sin ωt + \sin (ωt - \frac{2}{3} π)] dt = \frac{3 \sqrt{3} U_{m}}{{2 L}_{d} ω}

若取交流输入电压的峰值Um＝500V，并假定可控硅可以承受的最大浪涌电流Imax＝10×Id＝20000A，于是求得对Ld的第二种限制：Ld≥200μH。
3)平波功能对Ld的要求：
对Ld平波功能的最低要求是要保证直流电流不出现断流。否则会导致逆变颠覆或者逆变器停止振荡。当可控整流器的导通角小到一定程度时，其整流电压波形会出现断续。这时，必须依靠Ld的平波作用，才能保持直流电流的连续。我们有充分的理由要求中频电源能够在很低的直流电压下起振并维持工作。这时，可控整流器的导通角非常小，整流电压的两个相邻脉冲的间隔非常之大，而要使直流电流能够从一个电压脉冲延续到下一个脉冲，就要求Ld非常之大。实际上很多中频电源厂家都把Ld取到6～12mH，甚至更大。实验证明，当Ld＜6mH时，中频电源有可能因电流断续而丧失在100V直流电压以下维持振荡的能力。这不仅限制了中频电源的应用范围，而且要求中频电源必须在相当高的直流电压下起振。这时，如果出现起振失败，有可能造成可控硅损坏。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种采用小电感量Ld′(≈1mH)，却适用于大功率中频电源的电子平波电抗器，它是同样具有保证恒流源供电，有效限制故障电流的上升率和平波的三项功能的大功率中频电源电子平波电抗器。
本发明所采用的技术方案是：一种大功率中频电源电子平波电抗器，是由低电压小整流器T和小平波电抗Ld′组成，输出连续电压的低电压小整流器T的输出端连接小平波电抗Ld′，低电压小整流器T的输出端还与大功率中频电源的主整流桥1的输出端并联，此电子平波电抗器的输出接大功率中频电源的逆变桥3的输入端。
本发明中，在大功率中频电源中小平波电抗的位置可以有如下三种接法：一、小平波电抗Ld′接在整流桥的正电输出端与逆变桥的正电输入端之间(如图2所示)；二、小平波电抗Ld′接在整流桥的负电输出端与逆变桥的负电输入端之间(如图3所示)；三、小平波电抗Ld′可以分为两个，分别连在整流桥的正电输出端与逆变桥的正电输入端之间以及整流桥的负电输出端与逆变桥的负电输入端之间(如图4所示)。
本发明由于在主整流桥的输出端并联一组输出连续电压的低电压小整流器T，保证了逆变回路的直流电压和直流电流的连续性。小平波电抗Ld′ 只需1mH以下，即可替代原有的并联补偿型中频电源中6～12mH的平波电抗Ld，从而节省了制造大电抗器所需要的巨额费用，而所增加的小整流器的全部费用(包括降压变压器和小整流器本身)不及所节省的费用的十分之一，中频电源的输出功率越大，本发明所能节省的费用也越多。

附图说明

图1是现有的并联补偿型固态中频电源的主回路电路原理图；
图2是本发明的大功率中频电源电子平波电抗器的电路框图；
图3是本发明的大功率中频电源电子平波电抗器中小平波电抗的第二种连接方案；
图4是本发明的大功率中频电源电子平波电抗器中小平波电抗的第三种连接方案；
图5是本发明大功率中频电源电子平波电抗器实施例的电路原理图。
其中：
图2、图3、图4、图5的框图中的1是大功率中频电源的主整流桥；2是电子平波电抗器；3是大功率中频电源的逆变桥。

具体实施方式

下面结合附图给出具体实施方式，进一步说明本发明是如何实现的。
大功率中频电源电子平波电抗器，是由低电压小整流器T和小平波电抗 Ld′组成，输出连续电压的低电压小整流器T的输出端连接小平波电抗Ld′，小整流器T的输入端经一个降压变压器与三相交流电源连接，起到降压与隔离的作用，低电压小整流器T的输出端还与大功率中频电源的主整流桥1的输出端并联，此电子平波电抗器的输出接大功率中频电源的逆变桥3的输入端。
如图2所示，小平波电抗Ld′可接在并联于大功率中频电源的主整流桥 1的输出端的低电压小整流器T的正电输出端与大功率中频电源的逆变桥3 的正电输入端之间。
如图3所示，小平波电抗Ld′还可接在并联于大功率中频电源的主整流桥1的输出端的低电压小整流器T的负电输出端与大功率中频电源的逆变桥 3的负电输入端之间。
如图4所示，小平波电抗Ld′还可以分为两个，分别接在并联于大功率中频电源的主整流桥1的输出端的低电压小整流器T的正电输出端与大功率中频电源的逆变桥3的正电输入端之间，以及并联于大功率中频电源的主整流桥1的输出端的低电压小整流器T的负电输出端与大功率中频电源的逆变桥3的负电输入端之间。
如图5所示，给出了采用本发明的电子平波电抗器的2000KW中频电源电路图，虚方框中是电子平波电抗器的一个实施例的电路图。低电压小整流器T由三相降压变压T′和半控整流桥构成。由于中频电源的主整流桥并联上一个输出连续低电压的小整流器T，从根本上保证了直流电压和直流电流的连续性。小整流器T输出电压小于主整流桥，可在几十伏到一百伏左右选定，电感Ld′可选在1mH以下。
本实施例中的小整流器T选用半控方案，由三只可控硅和三只整流二极管组成。小整流器T工作时，在触发端子4和5之间施加一个适当的恒定电压(10～15V)，为三只可控硅提供足够的触发电流，而使之维持导通，小整流器T输出连续的电压和电流。当需要切断主整流桥时，则同时撤消小整流器T的触发电流，使其与主整流桥一同封锁，以达到过电流保护的目的。
如有必要，在大功率中频电源中也可采用多台小整流器并联方案。该方案中，每台小整流器各携带一个独立的降压变压器，每台小整流器的直流输出端都与主整流桥的输出端相并联，且输出电压各不相同。启动中频电源时，先从电压最低的小整流器开始，然后逐步将电压更高的整流桥投入工作，直到主整流桥投入运行为止。实验证明此方案具有更为可靠的平波效果。

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