串聯(lián)諧振現(xiàn)場使用控制方法

發(fā)布日期：2020-05-09　點擊：1399次

 討論了幾種常用的串聯(lián)諧振單相全橋逆變器的功率和頻率控制方法，比較了各種方法的優(yōu)缺點，同時對脈寬加頻率調(diào)制的方法進(jìn)行了較深入的討論。
  隨著可自關(guān)斷電力電子器件的發(fā)展，串聯(lián)諧振逆變電路獲得越來越多的應(yīng)用，各種適合于串聯(lián)諧振逆變電路的控制方法不斷出現(xiàn)。本文對常用的調(diào)幅控制、脈沖頻率調(diào)制、脈沖密度調(diào)制以及諧振脈沖寬度調(diào)制等控制方法進(jìn)行了討論和比較。特別對脈寬加頻率調(diào)制的控制方法進(jìn)行了較詳細(xì)的分析。

  串聯(lián)諧振逆變器基本結(jié)構(gòu)
  串聯(lián)諧振逆變器的基本原理圖包括直流電壓源，和由開關(guān)S1～S4組成的逆變橋及由R、L、C組成的串聯(lián)諧振負(fù)載。其中開關(guān)S1～S4可選用IGBT、SIT、MOSFET、SITH等具有自關(guān)斷能力的電力半導(dǎo)體器件。逆變器為單相全橋電路，其控制方法是同一橋臂的兩個開關(guān)管的驅(qū)動信號是互補的，斜對角的兩個開關(guān)是同時開通與關(guān)斷的。
  串聯(lián)諧振逆變器的控制方法
  1、調(diào)幅控制（PAM）方法
  調(diào)幅控制方法是通過調(diào)節(jié)直流電壓源輸出（逆變器輸入）電壓Ud（可以用移相調(diào)壓電路，也可以用斬波調(diào)壓電路加電感和電容組成的濾波電路，來實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出功率的目的。即逆變器的輸出功率通過輸入電壓調(diào)節(jié)，由鎖相環(huán)（PLL）完成電流和電壓之間的相位控制，以保證較大的功率因數(shù)輸出。
  這種方法的優(yōu)點是控制簡單易行，缺點是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大。
  2、脈沖頻率調(diào)制（PFM）方法

  脈沖頻率調(diào)制方法是通過改變逆變器的工作頻率，從而改變負(fù)載輸出阻抗以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出功率的目的。

圖3諧振脈沖寬度調(diào)制

圖3、圖4及圖5中為避免橋臂直通，S1、S4及S2、S3管應(yīng)遵循先關(guān)斷后開通的原則，S1、S4及S2、S3門極觸發(fā)脈沖應(yīng)有死區(qū)時間。因本文重點討論控制方法，故圖中沒有畫出。

從串聯(lián)諧振負(fù)載的阻抗特性可知，串聯(lián)諧振負(fù)載的阻抗隨著逆變器的工作頻率（f）的變化而變化。對于一個恒定的輸出電壓，當(dāng)工作頻率與負(fù)載諧振頻率偏差越大時，輸出阻抗就越高，因此輸出功率就越小，反之亦然。脈沖頻率調(diào)制方法的主要缺點是工作頻率在功率調(diào)節(jié)過程中不斷變化，導(dǎo)致集膚深度也隨之而改變，在某些應(yīng)用場合如表面淬火等，集膚深度的變化對熱處理效果會產(chǎn)生較大的影響，這在要求嚴(yán)格的應(yīng)用場合中是不允許的。但是由于脈沖頻率調(diào)制方法實現(xiàn)起來非常簡單，故在以下情況中可以考慮使用它：
1）如果負(fù)載對工作頻率范圍沒有嚴(yán)格限制，這時頻率必須跟蹤，但相位差可以存在而不處于諧振工作狀態(tài)。
2）如果負(fù)載的Q值較高，或者功率調(diào)節(jié)范圍不是很大，則較小的頻率偏差就可以達(dá)到調(diào)功的要求。
3、脈沖密度調(diào)制（PDM）方法
脈沖密度調(diào)制方法就是通過控制脈沖密度，實際上就是控制向負(fù)載饋送能量的時間來控制輸出功率。其控制原理如圖2所示。

這種控制方法的基本思路是：假設(shè)總共有N個調(diào)功單位，在其中M個調(diào)功單位里逆變器向負(fù)載輸出功率；而剩下的N-M個單位內(nèi)逆變器停止工作，負(fù)載能量以自然振蕩形式逐漸衰減。輸出的脈沖密度為M/N，這樣輸出功率就跟脈沖密度聯(lián)系起來了。因此通過改變脈沖密度就可改變輸出功率。
脈沖密度調(diào)制方法的主要優(yōu)點是：輸出頻率基本不變，開關(guān)損耗相對較小，易于實現(xiàn)數(shù)字化控制，比較適合于開環(huán)工作場合。
脈沖密度調(diào)制方法的主要缺點是：逆變器輸出功率的頻率不完全等于負(fù)載的自然諧振頻率，在需要功率閉環(huán)的場合中，工作穩(wěn)定性較差。由于每次從自然衰減振蕩狀態(tài)恢復(fù)到輸出功率狀態(tài)時要重新鎖定工作頻率，這時系統(tǒng)可能會失控。因此在功率閉環(huán)或者溫度閉環(huán)的場合，工作的穩(wěn)定性不好。其另一個缺點就是功率調(diào)節(jié)特性不理想，呈有級調(diào)功方式。
  4、諧振脈沖寬度調(diào)制（PWM）方法
在圖3中，諧振脈沖寬度調(diào)制是通過改變兩對開關(guān)管的驅(qū)動信號之間的相位差來改變輸出電壓值以達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。即在控制電路中使原來同相的兩個橋臂開關(guān)（S1，S2）、（S3，S4）的驅(qū)動信號之間錯開一個相位角，使得輸出的正負(fù)交替電壓之間插入一個零電壓值，這樣只要改變相位角就可以改變輸出電壓的有效值，最終達(dá)到調(diào)節(jié)輸出功率的目的。
這種控制方法的優(yōu)點是電源始終工作在諧振狀態(tài)，功率因數(shù)高。但存在反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)問題、小負(fù)載問題、軟開關(guān)實現(xiàn)問題。

脈寬加頻率調(diào)制方法
針對上述控制方法的優(yōu)缺點，一些復(fù)合型控制方法的研究日益引起重視，脈寬加頻率調(diào)制方法就是一種較好的控制方法。
在一般的逆變器中，常用的移相PWM方法的工作頻率是固定的，不需考慮負(fù)載在不同工作頻率下的特性。而在串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源中使用移相PWM方法時，則要求其工作頻率必須始終跟蹤負(fù)載的諧振頻率，通常使某一橋臂的驅(qū)動脈沖信號與輸出電流的相位保持一致，而另外一個橋臂的驅(qū)動脈沖信號與輸出電流的相位則可以調(diào)節(jié)。圖4和圖5中，S1和S4驅(qū)動信號互補，S2和S3驅(qū)動脈沖信號互補，S1驅(qū)動信號相位與負(fù)載電流的相位保持相同，而S3的驅(qū)動脈沖與S1的驅(qū)動脈沖信號之間的相位差β在0°～180°范圍內(nèi)可調(diào)，調(diào)節(jié)β就可以調(diào)節(jié)輸出電壓的占空比，即調(diào)節(jié)輸出功率。
根據(jù)輸出電壓和輸出電流的不同相位關(guān)系，有2種PWM調(diào)節(jié)方式：升頻式PWM和降頻式PWM.

圖5降頻式PWM
1、升頻式
在圖4中，為保證滯后臂（S1，S4）觸發(fā)信號前沿同電流信號同相，角頻率須根據(jù)移相角β的大小改變。即在通過調(diào)節(jié)移相角β調(diào)節(jié)功率的同時改變頻率f.在β調(diào)節(jié)過程中，在增大輸出脈沖寬度的同時，將引起輸出電壓相對于輸出電流的相位不斷減小并滯后于輸出電流，這說明輸出頻率也在不斷升高，因此稱這種調(diào)制方式為升頻式PWM.這時S1、S4管各導(dǎo)通180°，已經(jīng)實現(xiàn)ZCS.超前臂S2，S3在大電流下開通，D2，D3在大電流下關(guān)斷因而有反向恢服。通過在S2、S3臂上串聯(lián)電感也可實現(xiàn)ZCS.，這種方法適用于有關(guān)斷尾部電流、關(guān)斷損耗占主導(dǎo)的雙極型器件，如IGBT，SIT，MCT等。同時應(yīng)注意電路布局減小分布電感，以減小二極管反向恢復(fù)帶來的電壓尖峰。
輸出功率為P=cos4
2、降頻式
在圖5中，調(diào)節(jié)β在增大輸出脈沖寬度的同時，將引起輸出電壓相對于輸出電流的相位不斷減小，使相位差減小，這說明輸出頻率在不斷降低，因此稱這種方式為降頻式PWM.
在這種方式下，二極管D2，D3均自然過零關(guān)斷，D1，D4不導(dǎo)通，沒有二極管反向恢復(fù)所帶來的問題。S1、S4在零電流下開關(guān)（ZCS），S2、S3在大電流下關(guān)斷。通過在S2、S3上并聯(lián)電容即可實現(xiàn)ZVS.這種方法適和高頻電源和內(nèi)建反并聯(lián)二極管反向恢復(fù)問題比較嚴(yán)重的器件，如MOSFET等。可避免二極管反向恢復(fù)所帶來的電流尖峰和器件的損耗增加。
為保證超前臂觸發(fā)信號前沿同電流信號同相，角頻率為ω0=
輸出功率為P=cos4
由以上分析可知，無論是升頻式PWM，還是降頻式PWM，兩者有一個共同的特點，即在調(diào)節(jié)輸出電壓脈寬的同時，也改變了負(fù)載的工作頻率。故稱之為脈寬加頻率調(diào)制方法。
結(jié)語
本文較詳細(xì)地討論了常用的串聯(lián)諧振單相全橋逆變器的功率和頻率控制方法，以及各種方法的優(yōu)缺點，同時對脈寬加頻率調(diào)制的方法進(jìn)行了較深入的討論，設(shè)計者可以根據(jù)負(fù)載的不同要求及不同的應(yīng)用場合采用不同的控制方法。

   串聯(lián)諧振試驗裝置一般都是采用自動試驗和手動試驗2個試驗功能模塊，但是作為自動化高度集成化的今天，人們越來越依賴軟件自動化帶給我的便利，所以串聯(lián)諧振試驗裝置的客戶一般都試驗自動試驗進(jìn)行操作。所以關(guān)于串聯(lián)諧振自動試驗無法完成的問題也比較多。下面我們就針對常見的現(xiàn)象進(jìn)行分析。

    1，調(diào)諧曲線完全是一條直線，調(diào)諧完成后儀器提示沒有諧振點。原因：回路接地不好，試驗回路接線錯誤，裝置某一儀器開路。排除方法：檢查接地裝置可靠，接地連接線是否有斷開點；檢查勵磁變壓器的高低壓線圈的通斷；檢查每一只電抗器的通斷；檢查分壓器的信號線的通斷；檢查分壓器的高低壓電容臂的通斷；裝置自身升壓時沒有諧振點，還需要檢查補償電容器的通斷；如果所有部件正常，依然沒有諧振點，則需要與廠家工程師進(jìn)行溝通！

    2，調(diào)諧曲線是一條曲線，有較低的尖峰；試驗時一次電壓較高，高壓卻較低，甚至在沒有升到試驗電壓時，一次電壓已經(jīng)到達(dá)額定電壓，回路自動降壓；原因：電抗器與試品電容量不匹配，沒有準(zhǔn)確找到諧振點；試品損耗較高，系統(tǒng)Q值太低；勵磁變壓器高壓輸出電壓較低；排除方法：將補償電容器并接入試驗回路，加大回路電容量；盡可能將多只電抗器串聯(lián)，提高回路電感量；提高勵磁變壓器的輸出電壓；干燥處理被試品，提高被試品的絕緣強度，減少回路的有功損耗。

    3，如果調(diào)諧造到諧振點，但是在升壓過程中無法達(dá)到試驗電壓。并降壓停機(jī)的；原因：低壓輸入電壓達(dá)到最大，而諧振產(chǎn)生的高壓無法達(dá)到試驗電壓。處理方法：如果當(dāng)時使用的是220V電壓輸入，可更換380V輸入進(jìn)行試驗，一般情況下可以排除。如果使用380V的情況下還是無法解決的，則是由于此時整個串聯(lián)諧振系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)過小，造成無功功率過大。此時可以通過改變電抗器進(jìn)行解決，如果再無法解決則需要聯(lián)系廠家進(jìn)行解決。

串聯(lián)諧振高壓試品電源所需試品容量

1、所需的電源容量

以下是額定電壓為110kV，電纜長度為2500m，橫截面積為630mm2的XLPE電纜的示例。電纜的電容為0.188μF/km。測試參數(shù)估計如下。

測試電壓：

高壓電抗器電感值：L=40H

測試電壓頻率：f=36.6Hz

高壓測試電流：I=14A

供電電流：I0≈50A

當(dāng)使用傳統(tǒng)的交流高壓測試設(shè)備對上述電纜進(jìn)行耐壓測試時，所需的樣品容量為P=14A×128kV=1792kVA，使用串聯(lián)諧振法的串聯(lián)電源所需的功率僅為P=50A×380V=19千瓦。串聯(lián)諧振電源使用諧振電抗器和測試對象的電容通過頻率調(diào)制諧振以產(chǎn)生高電壓和大電流。在整個系統(tǒng)中，電源只需要提供消耗功率的系統(tǒng)部分。

2、設(shè)備的重量和體積連接到串聯(lián)諧振電源，省去了繁瑣的大功率電壓調(diào)節(jié)裝置和工頻測試變壓器，大大降低了測試設(shè)備的重量和體積，一般為1/3-1/5普通測試設(shè)備。

3、改善輸出電壓的波形

諧振電源是諧振濾波電路，可以改善輸出電壓的波形失真，獲得良好的正弦波形，有效防止樣品的諧波擊穿意外損壞。

4、防止大的短路電流燒毀故障點。

在串聯(lián)諧振狀態(tài)下，當(dāng)樣品的絕緣弱點被破壞時，電路由于環(huán)路的電容值的變化而立即失諧，并且環(huán)路電流迅速減小。當(dāng)并聯(lián)諧振或測試變壓器用于耐壓測試時，擊穿電流立即上升數(shù)倍。當(dāng)測試對象發(fā)生故障時，兩者的短路電流相差數(shù)百倍。因此，串聯(lián)諧振可以有效地發(fā)現(xiàn)絕緣弱點，并且不用擔(dān)心大的短路電流燒毀故障點。

5、沒有恢復(fù)過電壓。

當(dāng)發(fā)生擊穿時，由于諧振條件的損失，高壓將立即消失，電弧瞬間熄滅，恢復(fù)電壓將長時間重新建立。很容易再次達(dá)到閃絡(luò)電壓。斷開電源，這個電壓恢復(fù)過程是一個間歇性的能量積累過程，過程很長，并且沒有恢復(fù)過電壓。

變頻串聯(lián)諧振耐壓裝置 主要用途：

1、6kV-500kV高壓交聯(lián)電纜 的交流耐壓試驗；

2、6kV-500kV變壓器 的工頻耐壓試驗；

3、GIS和SF6開關(guān) 的交流耐壓試驗；

4、發(fā)電機(jī)的交流耐壓試驗；

5、其它電力高壓設(shè)備如母線，套管，互感器的交流耐壓試驗。

與原始的設(shè)備相比：

在工頻條件下，由于被試品電容量較大，或者試驗電壓要求較高，對試驗裝置的電源容量相應(yīng)的也有較高的要求，傳統(tǒng)的工頻耐壓裝置（交流耐壓試驗變壓器）往往單件體積大，重量重，不便于現(xiàn)場搬運，而且不便于任意組合，靈活性較差。相比，變頻串聯(lián)諧振試驗裝置（體積與重量約為傳統(tǒng)油式試驗變壓器的1/3～1/4）由變頻電源、勵磁變壓器、電抗器、分壓器組成。特點：體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，接線繁多等。便攜式交流工頻耐壓儀（由干式試驗變壓器、控制箱兩部分組成）體積小，重量輕;，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高；可方便在現(xiàn)場使用。

串聯(lián)諧振試驗裝置在高壓耐壓試驗中的應(yīng)用

串聯(lián)諧振試驗裝置在高壓耐壓試驗中的應(yīng)用大大降低了高壓耐壓試驗的難度。傳統(tǒng)高壓耐壓試驗有著試驗設(shè)備大，不易搬動，試驗效率慢等缺點。串聯(lián)諧振高壓耐壓試驗裝置很好的克服了傳統(tǒng)高壓耐壓試驗的缺點，并在此基礎(chǔ)上有了更大的改進(jìn)，也讓高壓耐壓試驗變的更加有效率。

針對220Kv高壓套管和主變壓器、隔離開關(guān)等電氣設(shè)備的交流耐壓試驗，串聯(lián)諧振耐壓試驗裝置具備寬泛的適用范圍，同樣也是各個高壓試驗部門、電力承裝修試工程單位非常實用且好用的高壓耐壓測試設(shè)備。

串聯(lián)諧振耐壓試驗裝置具備這電源容量小，設(shè)備體積重量小，改善輸出電壓波形，防止大的短路電流燒傷故障點，以及不會出現(xiàn)任何恢復(fù)過電壓的試驗優(yōu)勢特點。特別是它的改善輸出波形，防止大短路電流燒傷故障點和不會出現(xiàn)任何恢復(fù)過電壓的優(yōu)勢，讓高壓耐壓試驗變的非常安全可靠。這是因為諧振電源為諧振式濾波電路，因此不僅能夠改善處處電壓的波形畸變還能得到非常好的正弦波形，從而防止了諧波峰值對被試品的無擊穿。試驗處在串聯(lián)諧振狀態(tài)時，被試品的絕緣弱點被擊穿時，電路會馬上脫諧，回路電流迅速下降到正常試驗電流的很小倍，讓串聯(lián)諧振能快速找到絕緣弱點，又防止了短路電流燒傷故障點的隱患。當(dāng)被試品發(fā)生擊穿時，因為失去了諧振的條件，因此高電壓也馬上消失了，并且不會出現(xiàn)任何恢復(fù)過電壓。

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