一種基于全波斬控整流電路的中頻爐的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種基于全波斬控整流電路的中頻爐，由三相交流電源，變壓器，N個全波斬控整流電路，直流濾波電路，逆變電源和感應(yīng)線圈構(gòu)成。全波斬控整流電路有二極管整流電路和多重斬波電路構(gòu)成，其交流側(cè)電流畸變率很小，當(dāng)三個單相全波斬控整流電路直流側(cè)串聯(lián)構(gòu)成一個三相全波斬控整流電路后，其直流側(cè)輸出電壓為一個穩(wěn)定的直流電壓，且在0到最大值之間任意可調(diào)。其中變壓器采用普通的工頻變壓器，且無需交流側(cè)無功補(bǔ)償與濾波設(shè)備，從而大大降低了設(shè)備投資和運行成本。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電力轉(zhuǎn)換設(shè)備，更具體的說，涉及一種基于全波斬控整流電路的 中頻爐。 一種基于全波斬控整流電路的中頻爐

【背景技術(shù)】
[0002] 中頻爐是一種典型的非線性負(fù)載，其采用晶閘管整流的方式將交流電整流成直流 電，在其運行過程中產(chǎn)生大量的諧波電流，給電力系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的污染，因此需要增加無 功補(bǔ)償與濾波設(shè)備，濾除諧波電流；這大大增加了設(shè)備投資和運行時的損耗。此外，中頻爐 一般需要配備整流變壓器，用于將電壓轉(zhuǎn)換到合適的電壓等級，若中頻爐的功率較大時，就 需要采用12脈波整流或是24脈波整流，由于整流變壓器比普通的變壓器昂貴的多，損耗也 很大，因此由變壓器產(chǎn)生的設(shè)備投資和運行損耗也非常大。
[0003] 有的廠家用基于IGBT的可控整流電路代替晶閘管整流電路，用于向串聯(lián)型中頻 爐供電，其交流側(cè)電流畸變很小，功率因數(shù)很高，不需要無功補(bǔ)償和濾波設(shè)備。但是基于 IGBT的可控整流電路容量有限，且可擴(kuò)展性不強(qiáng)，設(shè)備昂貴，控制復(fù)雜，可靠性比較低，在中 小功率的場合還勉強(qiáng)可以，但是在大功率的場合，便無法勝任了。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 基于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于全波斬控整流電路的中頻爐，其中 全波斬控整流電路的交流側(cè)電流畸變很小，功率因數(shù)很高，其直流側(cè)輸出是一個穩(wěn)定的直 流電壓，且在0到最大值之間任意可調(diào)。
[0005] 本發(fā)明采用以下方法來實現(xiàn)本發(fā)明的目的。
[0006] -種基于全波斬控整流電路的中頻爐，其特征在于：由三相交流電源，變壓器，N 個全波斬控整流電路，逆變電路和感應(yīng)線圈構(gòu)成。
[0007] 其中三相交流電源接變壓器的一次側(cè)線圈，變壓器的二次側(cè)線圈相互隔離，每個 線圈的輸出接全波斬控整流電路的交流輸入端，N個全波斬控整流電路的直流側(cè)輸出串聯(lián) 連接，然后接到直流濾波電路上，直流濾波電路的另一側(cè)接逆變電路的直流側(cè)輸入，逆變電 路的交流側(cè)輸出接感應(yīng)線圈。
[0008] 直流濾波電路有電容或電感構(gòu)成，其作用為抑制全波斬控整流電路輸出的電壓和 電流的波動，為逆變電路提供一個穩(wěn)定的電壓和電流，同時也抑制逆變電路對全波斬控整 流電路的干擾。
[0009] 全波斬控整流電路包含單相全橋二極管整流電路，濾波電容，補(bǔ)償電路，多重斬波 電路。
[0010] 單相全橋二極管整流電路作為全波斬控整流電路的交流輸入，單相全橋二極管整 流電路的直流側(cè)接濾波電容（C)，多重斬波電路的輸入接濾波電容（C)的兩端，多重斬波電 路的輸出作為全波斬控整流電路的輸出；其中補(bǔ)償電路的作用為補(bǔ)償電容的充放電電流。
[0011] 其中多重斬波電路由多個單重降壓斬波電路構(gòu)成，其中單重降壓斬波電路由IGBT (T)，二極管（D)和電感（L)構(gòu)成，IGBT的集電極作為斬波電路的正極輸入，IGBT的發(fā)射極， 二極管（D)的陰極和電感（L)的一端相連，二極管（D)的陽極作為斬波電路的輸入的負(fù)極和 輸出的負(fù)極，電感（L)的另一端作為斬波電路輸出的正極。
[0012] 多個單重斬波電路的正極輸入相連作為多重斬波電路的正極輸入，多個單重斬波 電路的負(fù)極輸入相連作為多重斬波電路的負(fù)極輸入，多個單重斬波電路的正極輸出相連作 為多重斬波電路的正極輸出，多個單重斬波電路的負(fù)極輸出相連作為多重斬波電路的負(fù)極 輸出。
[0013] 如權(quán)利要求1所述的一種基于全波斬控整流電路的中頻爐，其特征在于：所述的 多重斬波電路中的IGBT的占空比為：
[0014] ￡3 :.- (1)。 h
[0015] 其中D為所述的直流斬波電路中IGBT的占空比，Vdc為所述的二極管整流電路直 流側(cè)電壓瞬時值，L為直流斬波電路輸出側(cè)電流，G為等效電導(dǎo)；通過控制等效電導(dǎo)（G)的 大小，便可以控制整流電路輸出電壓的大小。
[0016] 其中濾波電容（C)和斬波電路可以等效為一個電導(dǎo)為G的電導(dǎo)，連接在二極管整 流電路的直流側(cè)，從而使二極管整流電路的交流側(cè)電流為正弦波。
[0017] 全波斬控整流電路的輸出電壓為：
[0018] I =丄 X( 2 )。
[0019] 設(shè)二極管交流側(cè)電壓的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
[0020] K;· 〇轉(zhuǎn)⑶。
[0021] 則二極管直流側(cè)電壓表達(dá)式為：
[0022] = FK|si_l丨⑷。
[0023] 將式（4)帶入式（2)可以得到全波斬控整流電路的輸出電壓為： - I,: v〇
[0024] 1',;. = ......^................[J ... e_S.2ef )j (5)。 2/0
[0025] 由式（5)可以看到，全波斬控整流電路的輸出電壓中含有直流分量和倍頻分量。
[0026] 所述的變壓器的二次側(cè)由一組或多組三相交流電源構(gòu)成，假設(shè)其中一組三相交流 電源的電壓為： |'r, = Fm
[0027] .{."二如(㈣一 2-τ / 3) (6)。 | F, = siiUojf + 2,τ / 3)
[0028] 根據(jù)式（5)可以得到則每個全波斬控整流電路的輸出電壓為： f- V2 xG ! A I ··*· J'' x Cj , ,
[0029] < = --fl - cos(：2<ar + Hr （7)。 ：
[V0c = [n........--- f 1 ^ cos< 2m - 2π i 3)] I 24
[0030] 由于全波斬控整流電路的直流側(cè)串聯(lián)連接，則其直流側(cè)輸出電壓為：
[0031] = U& + !\ (8)。
[0032] 將式（7)代入式（8)可以得到：
[0033] f5 ir =! ^........^ (9)〇
[0034] 由式（9)可以看出，三相全波斬控整流電路的直流側(cè)輸出電壓是一個穩(wěn)定的直流 電壓，單個全波斬控整流電路的直流側(cè)串聯(lián)后，其輸出電壓中的倍頻波動分量相互抵消了， 而三相交流電源輸入的電流為正弦波，可以通過改變等效電導(dǎo)（G)的大小來改變?nèi)喟肟?整流電路的輸出電壓。
[0035] 所述的補(bǔ)償電路由主Η橋子模塊（SM)，一個或多個輔助Η橋子模塊（SM廣SMn)和 電感（U)構(gòu)成，其中主Η橋子模塊（SM)的直流側(cè)接權(quán)利要求1所述的全波斬控整流電路中 的二極管整流電路直流側(cè)濾波電容（C)，輔助Η橋子模塊的交流側(cè)，電感（LJ和主Η橋子模 塊（SM)的交流側(cè)依次串聯(lián)連接，形成一個回路；輔助Η橋子模塊（SM^SM n)的直流側(cè)接電容 (C^C；)，用于穩(wěn)定輔助Η橋子模塊的直流側(cè)電壓；
[0036] 主Η橋子模塊（SM)的控制方法為：二極管整流電路交流側(cè)電壓（Va。）為正時，主 Η橋子模塊的交流側(cè)輸出正電壓（?\和T4導(dǎo)通)，二極管整流電路交流側(cè)電壓（Va。）為負(fù)時， 主Η橋子模塊的交流側(cè)輸出負(fù)電壓（T 2和T3導(dǎo)通)，此時，主Η橋子模塊的交流側(cè)輸出電壓 與二極管整流電路交流側(cè)電壓（V a。）的瞬時值相等；主Η橋子模塊（SM)，輔助Η橋子模塊 (SM廣SMn)和電感構(gòu)成一個單相STATC0M系統(tǒng)；
[0037] 通過控制輔助Η橋子模塊（SM廣SMn)的交流側(cè)輸出電壓可以控制該單相STATC0M 系統(tǒng)輸出的無功功率，通過調(diào)整該無功功率的大小，可以使單相STATC0M系統(tǒng)的感性無功 與二極管直流側(cè)濾波電容（C)的容性無功相互抵消，從而補(bǔ)償濾波電容（C)的容性無功對 全波斬控整流電路交流側(cè)波形的影響。
[0038] 采用本發(fā)明所提供的解決方案可以實現(xiàn)如下益處。
[0039] 全波斬控整流電路的交流側(cè)電流畸變很小，且功率因數(shù)很高，因此不需要交流濾 波器與無功補(bǔ)償設(shè)備。
[0040] 采用普通的工頻變壓器代替整流變壓器，降低了設(shè)備投資與運行損耗。
[0041] 全波斬控整流電路的可擴(kuò)展性強(qiáng)，可以擴(kuò)展到高壓大電流的應(yīng)用場合。
[0042] 采用中低壓IGBT，其成本低，損耗小。
[0043] 多重斬波電路和全波斬控整流電路采用模塊化設(shè)計，易于維護(hù)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0044] 圖1是基于全波斬控整流電路的中頻爐。
[0045] 圖2是全波斬控整流電路的結(jié)構(gòu)圖。
[0046] 圖3是補(bǔ)償電路的結(jié)構(gòu)圖。

【具體實施方式】
[0047] -種基于全波斬控整流電路的中頻爐，其特征在于：由三相交流電源，變壓器，N 個全波斬控整流電路，逆變電路和感應(yīng)線圈構(gòu)成。
[0048] 其中三相交流電源接變壓器的一次側(cè)線圈，變壓器的二次側(cè)線圈相互隔離，每個 線圈的輸出接全波斬控整流電路的交流輸入端，N個全波斬控整流電路的直流側(cè)輸出串聯(lián) 連接，然后接到直流濾波電路上，直流濾波電路的另一側(cè)接逆變電路的直流側(cè)輸入，逆變電 路的交流側(cè)輸出接感應(yīng)線圈。
[0049] 直流濾波電路有電容或電感構(gòu)成，其作用為抑制全波斬控整流電路輸出的電壓和 電流的波動，為逆變電路提供一個穩(wěn)定的電壓和電流，同時也抑制逆變電路對全波斬控整 流電路的干擾。
[0050] 全波斬控整流電路包含單相全橋二極管整流電路，濾波電容，補(bǔ)償電路，多重斬波 電路。
[0051] 單相全橋二極管整流電路作為全波斬控整流電路的交流輸入，單相全橋二極管整 流電路的直流側(cè)接濾波電容（C)，多重斬波電路的輸入接濾波電容（C)的兩端，多重斬波電 路的輸出作為全波斬控整流電路的輸出；其中補(bǔ)償電路的作用為補(bǔ)償電容的充放電電流。
[0052] 其中多重斬波電路由多個單重降壓斬波電路構(gòu)成，其中單重降壓斬波電路由IGBT (T)，二極管（D)和電感（L)構(gòu)成，IGBT的集電極作為斬波電路的正極輸入，IGBT的發(fā)射極， 二極管（D)的陰極和電感（L)的一端相連，二極管（D)的陽極作為斬波電路的輸入的負(fù)極和 輸出的負(fù)極，電感（L)的另一端作為斬波電路輸出的正極。
[0053] 多個單重斬波電路的正極輸入相連作為多重斬波電路的正極輸入，多個單重斬波 電路的負(fù)極輸入相連作為多重斬波電路的負(fù)極輸入，多個單重斬波電路的正極輸出相連作 為多重斬波電路的正極輸出，多個單重斬波電路的負(fù)極輸出相連作為多重斬波電路的負(fù)極 輸出。
[0054] 如權(quán)利要求1所述的一種基于全波斬控整流電路的中頻爐，其特征在于：所述的 多重斬波電路中的IGBT的占空比為： F G
[0055] D = ^ (1)。 h
[0056] 其中D為所述的直流斬波電路中IGBT的占空比，Vdc為所述的二極管整流電路直 流側(cè)電壓瞬時值，Ii為直流斬波電路輸出側(cè)電流，G為等效電導(dǎo)；通過控制等效電導(dǎo)（G)的 大小，便可以控制整流電路輸出電壓的大小。
[0057] 其中濾波電容（C)和斬波電路可以等效為一個電導(dǎo)為G的電導(dǎo)，連接在二極管整 流電路的直流側(cè)，從而使二極管整流電路的交流側(cè)電流為正弦波。
[0058] 全波斬控整流電路的輸出電壓為： ,-. 1 fr. V1 x G
[0059] F, = - f/ = J x 匕=(2 )。 7：H **- 4
[0060] 設(shè)二極管交流側(cè)電壓的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
[0061] --_ =匕 sitt(cuf) (3)。
[0062] 則二極管直流側(cè)電壓表達(dá)式為：
[0063] 丨（4)。
[0064] 將式（4)帶入式（2)可以得到全波斬控整流電路的輸出電壓為： .- r; kG
[0065] I ：> = ---· [1 - COSf -ftf)] ( 5 ) 〇
[0066] 由式（5)可以看到，全波斬控整流電路的輸出電壓中含有直流分量和倍頻分量。
[0067] 所述的變壓器的二次側(cè)由一組或多組三相交流電源構(gòu)成，假設(shè)其中一組三相交流 電源的電壓為：
[0068] s -(:戰(zhàn)-^3) (6 )。 |Ff =rwsiii{rrf-2,T/3j
[0069] 根據(jù)式（5)可以得到則每個全波斬控整流電路的輸出電壓為： f--- V2 X G = -cos(2ftf)] > -ir . .J ：
[0070] I Vr,t = - cos(2?f + 2/了 / 3)] (7)。 i -1， 丨V: x G ：f3, =: [i-cosi- 2-/3)]
[0071] 由于全波斬控整流電路的直流側(cè)串聯(lián)連接，則其直流側(cè)輸出電壓為：
[0072] = ?%β + Ρ-- + ?%; (8)〇
[0073] 將式（7)代入式（8)可以得到：
[0074] ?,:上」? (9)。 -- ，/
[0075] 由式（9)可以看出，三相全波斬控整流電路的直流側(cè)輸出電壓是一個穩(wěn)定的直流 電壓，單個全波斬控整流電路的直流側(cè)串聯(lián)后，其輸出電壓中的倍頻波動分量相互抵消了， 而三相交流電源輸入的電流為正弦波，可以通過改變等效電導(dǎo)（G)的大小來改變?nèi)喟肟?整流電路的輸出電壓。
[0076] 所述的補(bǔ)償電路由主Η橋子模塊（SM)，一個或多個輔助Η橋子模塊（SM廣SMn)和 電感（U)構(gòu)成，其中主Η橋子模塊（SM)的直流側(cè)接權(quán)利要求1所述的全波斬控整流電路中 的二極管整流電路直流側(cè)濾波電容（C)，輔助Η橋子模塊的交流側(cè)，電感（LJ和主Η橋子模 塊（SM)的交流側(cè)依次串聯(lián)連接，形成一個回路；輔助Η橋子模塊（SM^SM n)的直流側(cè)接電容 (C^C；)，用于穩(wěn)定輔助Η橋子模塊的直流側(cè)電壓；
[0077] 主Η橋子模塊（SM)的控制方法為：二極管整流電路交流側(cè)電壓（Va。）為正時，主 Η橋子模塊的交流側(cè)輸出正電壓（?\和T4導(dǎo)通)，二極管整流電路交流側(cè)電壓（Va。）為負(fù)時， 主Η橋子模塊的交流側(cè)輸出負(fù)電壓（T 2和T3導(dǎo)通)，此時，主Η橋子模塊的交流側(cè)輸出電壓 與二極管整流電路交流側(cè)電壓（V a。）的瞬時值相等；主Η橋子模塊（SM)，輔助Η橋子模塊 (SM廣SMn)和電感構(gòu)成一個單相STATC0M系統(tǒng)；
[0078] 通過控制輔助Η橋子模塊（SM廣SMn)的交流側(cè)輸出電壓可以控制該單相STATC0M 系統(tǒng)輸出的無功功率，通過調(diào)整該無功功率的大小，可以使單相STATC0M系統(tǒng)的感性無功 與二極管直流側(cè)濾波電容（C)的容性無功相互抵消，從而補(bǔ)償濾波電容（C)的容性無功對 全波斬控整流電路交流側(cè)波形的影響。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于全波斬控整流電路的中頻爐，其特征在于：由三相交流電源，變壓器，N個 全波斬控整流電路，逆變電路和感應(yīng)線圈構(gòu)成； 其中三相交流電源接變壓器的一次側(cè)線圈，變壓器的二次側(cè)線圈相互隔離，每個線圈 的輸出接全波斬控整流電路的交流輸入端，N個全波斬控整流電路的直流側(cè)輸出串聯(lián)連接， 然后接到直流濾波電路上，直流濾波電路的另一側(cè)接逆變電路的直流側(cè)輸入，逆變電路的 交流側(cè)輸出接感應(yīng)線圈； 直流濾波電路有電容或電感構(gòu)成，其作用為抑制全波斬控整流電路輸出的電壓和電流 的波動，為逆變電路提供一個穩(wěn)定的電壓和電流，同時也抑制逆變電路對全波斬控整流電 路的干擾； 全波斬控整流電路包含單相全橋二極管整流電路，濾波電容，補(bǔ)償電路，多重斬波電 路； 單相全橋二極管整流電路作為全波斬控整流電路的交流輸入，單相全橋二極管整流電 路的直流側(cè)接濾波電容（C)，多重斬波電路的輸入接濾波電容（C)的兩端，多重斬波電路的 輸出作為全波斬控整流電路的輸出；其中補(bǔ)償電路的作用為補(bǔ)償電容的充放電電流； 其中多重斬波電路由多個單重降壓斬波電路構(gòu)成，其中單重降壓斬波電路由IGBT( T )， 二極管（D)和電感（L)構(gòu)成，IGBT的集電極作為斬波電路的正極輸入，IGBT的發(fā)射極，二極 管（D)的陰極和電感（L)的一端相連，二極管（D)的陽極作為斬波電路的輸入的負(fù)極和輸出 的負(fù)極，電感（L)的另一端作為斬波電路輸出的正極； 多個單重斬波電路的正極輸入相連作為多重斬波電路的正極輸入，多個單重斬波電 路的負(fù)極輸入相連作為多重斬波電路的負(fù)極輸入，多個單重斬波電路的正極輸出相連作為 多重斬波電路的正極輸出，多個單重斬波電路的負(fù)極輸出相連作為多重斬波電路的負(fù)極輸 出。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于全波斬控整流電路的中頻爐，其特征在于：所述的補(bǔ) 償電路由主Η橋子模塊（SM)，一個或多個輔助Η橋子模塊（SM^SM n)和電感（LJ構(gòu)成，其中 主Η橋子模塊（SM)的直流側(cè)接所述的全波斬控整流電路中的二極管整流電路直流側(cè)濾波 電容（C)，輔助Η橋子模塊的交流側(cè)，電感（Q)和主Η橋子模塊（SM)的交流側(cè)依次串聯(lián)連 接，形成一個回路；輔助Η橋子模塊（SM廣SM n)的直流側(cè)接電容（C^C；)，用于穩(wěn)定輔助Η橋 子模塊的直流側(cè)電壓； 通過控制輔助Η橋子模塊（SM廣SMn)的交流側(cè)輸出電壓可以控制所述的補(bǔ)償電路輸出 的無功功率，通過調(diào)整該無功功率的大小，可以使補(bǔ)償電路的感性無功與二極管直流側(cè)濾 波電容（C)的容性無功相互抵消，從而補(bǔ)償濾波電容（C)的容性無功對全波斬控整流電路 交流側(cè)波形的影響。
【文檔編號】H02M7/217GK203911774SQ201420241603
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】郭高朋 申請人:郭高朋