现代中频感应加热电源的整流器优化方案

1.中频电源的三相可控整流类型

（1）6脉波可控整流 其电路如图2-11所示。在全导通电阻性负载情况下输出电压是具有6个脉动周期的直流电压，如图2-17所示，相邻两个峰点之间相差60°，6脉波持续时间为0.02s，对应50Hz三相交流电源的周期。根据对6脉波电流的福氏级数分析，谐波次数分别为6、12、18、24等，6脉波中的总谐波方均根值约为直流电流平均值的4.20％。

图2-17 6脉波电压波形

（2）12脉波可控整流 它有两组三相可控整流器，输出端并联，输出电压经合成后输出12脉波脉动电压，波形如图2-18所示，相邻两个峰点之间的相差30°。输出直流电压U0并，两组三相交流电源分别来自12脉波电力变压器T的两组二次侧绕组。变压器T的两组连接组别分别为Dd12和Dy11，它的Y组和D组三相对应线电压之间的相差为30°，Y组超前。谐波次数分别为12、24、36 48等，12脉波中的总谐波方均根值约为直流电流平均值的1.03％。

图2-18 12脉波整流器并联电路及输出电压波形

12脉波两组三相可控整流器也可串联输出，输出电压经合成后输出12脉波脉动电压，波形如图2-19所示，相邻两个峰点之间相差30°。输出直流电压是并联方式的两倍（2U0并）。它的Y组和D组三相对应线电压之间的相差为30°，Y组超前，其线电压有效值相等。谐波次数分别为12、24、36、48等，12脉波中的总谐波方均根值约等于直流电流平均值的1.03％。

图2-19 12脉波整流器串联电路及输出电压波形

图2-20 24脉波整流电路及波形

（3）24脉波可控整流 24脉波整流电路及波形如图2-20所示。整流电路中用到了两台具有特殊结构的变压器T1和T2，每台变压器有两组三相电压输出特殊结构保证了四组线电压u_1组、u_2组、u_3组、u_4组相互间的相位差为15°，各经三相可控整流后在输出端并联合成24脉波电压输出。波形中相邻两个峰点之间相差为15°，谐波次数分别为24，48等，24脉波中的总谐波方均根值约等于直流电流平均值的0.26％。当然，可以只用变压器T1的u_1组和u_2组；或只用变压器T2的u_3组和u_4组获得两路12脉波电压。

综上分析看出，脉波数越多，总谐波方均根值占直流电流平均值的比值将大幅度减少，这将大大降低大功率中频电源对电网的谐波干扰，以上介绍的整流器已广泛应用于大功率中频电源。

（4）直流PWM斩波电路 这种直流电源电路常用于中小功率的感应加热电源中，直流斩波原理框图如图2-21所示。只要改变斩波器中PWM波的占空比就可以改变直流电压U_直的大小。

图2-21 直流斩波原理框图

（5）PSM（Pulse Step Modulation）电源 又称脉冲步进调制器，PSM电源原理示意图如图2-22所示。变压器T是一台多绕组三相变压器，提供多组三相电源u₁组～u_n组，每组包含两路互差30°的三相电源，它们分别经n组三相不可控整流输出直流脉动电压，又经由IGBT（绝缘栅双极性晶体管）组成的斩波器输出脉动电压，每个这样的单元电路称为SPS（Switched Power Supply）模块，每个模块的工作原理相同，它们的输出电压分别为U₁₁、U₁₂……U_n1、U_n2。U₁₁～U_n2有相同的周期T、导通时间t_on、截止时间t_off、占空比D＝t_on／T、输出平均电压＝DU_m，只是相邻两个模块之间有延时t_d。U₁₁～U_n2的叠加输出直流脉动电压为U₀，经LC滤波器后，PSM电路输出的直流电压为U直。选n等于3，则有6个SPS模块，每个SPS模块输出的脉动电压U₁₁、U₁₂……U_n1、U_n2及U₀的波形如图2-23所示。U₀的平均电压＝6DU_m，经LC滤波器滤波后，输出纹波很小的直流电压U直。由此看出，为调节输出电压U_直的大小，可以调节SPS模块的开通数n及占空比D的大小。(www.xing528.com)

举例：6个不控整流器输入端的三相交流电压有效值为620V，在空载情况下，U_直最高可达5000V左右。两路互差30°的三相电源经整流后，两个模块叠加输出的电压是12脉波电压。要想调节输出电压，只要控制器发出控制脉冲“控制脉冲11”～“控制脉冲n2”去改变开关管IGBT₁₁～IGBT_n2的通断比，即可实现斩波功能，从而实现输出电压的调节。

图2-22 PSM电源原理示意图

图2-23 输出脉动电压的波形

2.节能型晶闸管中频感应加热电源

相对于6脉波整流器供电的中频感应加热电源，12脉波和24脉波整流器供电的中频感应加热电源要更节能，功率因数更高，对电网的谐波干扰更低。

（1）12脉波并联谐振式晶闸管中频电源 其电路如图2-24所示，图中直流电源是两个整流器串联供电的12脉波直流电源（见图2-19），逆变电路由晶闸管与并联谐振回路组成。该电路具有如下的特点：

1）两组整流器是串联输出，相比于整流器并联输出的直流电压要高一倍例如图2-19中，Y组和D组的线电压有效值是380V，每组整流器输出的空载最高直流电压根据式（2-2）（cosα＝1）计算为513V，两组整流器串联输出为1026V。因此，在相同电炉功率条件下，主电路电流减小了一半，回路损耗降低到1／4（包括大电流流过可控硅，铜排、电抗器、水冷、电缆等产生的发热损耗）。网侧谐波电流小，功率因数高于0.95。

2）逆变器采用高压大功率高速晶闸管模块构成逆变功率单元，通过逆变功率单元的叠加可实现大功率输出。表2-5列出了两种型号的技术参数，输出功率达20000kW。

图2-24 12脉波并联谐振式晶闸管电源

表2-5 12脉波多个逆变功率单元叠加的晶闸管中频电源

注：需用户配置12脉波电力变压器

（2）其他晶闸管中频电源 晶闸管中频电源的电路结构还可以是：12脉波直流电压（两组整流器并联供电）＋（串联）电抗器＋并联谐振晶闸管逆变器12脉波直流电压（两组整流器并联供电）＋串联谐振晶闸管逆变器；12脉波直流电压（两组整流器串联供电）＋串联谐振晶闸管逆变器。这里就不再做详细的叙述了。