串聯(lián)諧振式中頻電源的節(jié)能效果分析

王　勇，苑清英，王一岑，常永樂

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008）

串聯(lián)諧振式中頻電源的節(jié)能效果分析

王勇1，2，苑清英1，2，王一岑1，2，常永樂2

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008）

串聯(lián)諧振是中頻電源的一種諧振形式。介紹了中頻電源電路的基本原理，比較分析了串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振的工作特性，通過在鋼管加熱中的應(yīng)用實例來證明串聯(lián)諧振顯著的節(jié)能效果，指出在鋼管加熱中采用串聯(lián)諧振式中頻電源具有顯著的節(jié)能價值。

鋼管加熱；中頻電源；串聯(lián)諧振；并聯(lián)諧振；節(jié)能效果；比較分析

隨著社會的發(fā)展以及人們對環(huán)保節(jié)能高效需求的提高，用感應(yīng)加熱電源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的煤、氣加熱方式，在金屬熔煉、熱處理及工件透熱等行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用。但單純標(biāo)準(zhǔn)型的感應(yīng)加熱設(shè)備已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場的需求，需要的是不斷改進(jìn)提升的加熱設(shè)備，因此節(jié)能環(huán)保型加熱設(shè)備將會有廣闊的市場發(fā)展前景。目前用于鋼管加熱的中頻電源逆變電路部分，主要采用的是并聯(lián)逆變電路，而對串聯(lián)諧振逆變電路的研究相對較少［1-6］。本文將對串聯(lián)諧振的工作特性進(jìn)行分析，并以應(yīng)用實例來證明其顯著的節(jié)能效果。

1　中頻電源電路的核心構(gòu)件

1.1中頻電源整流器及其類型

無論中頻電源采用何種諧振形式，必須先將三相供電電源整流為直流電源，再將直流電源逆變成單相中頻電源，才能向負(fù)載提供電能。

根據(jù)逆變器種類的不同，中頻電源采用的整流器形式也不同。整流器共分3種形式：①三相不可控整流器，其輸出電壓取決于電源進(jìn)線線電壓，整流器的輸出電壓不可控制；因此，不可控整流器必須與一個可調(diào)電源輸出功率的逆變器一起使用。②三相全控整流器，通過調(diào)節(jié)可控硅的控制角α來控制整流輸出電壓，從而調(diào)整輸出功率。其優(yōu)點是整流輸出電壓可控、可調(diào)，但存在兩個缺點：一是當(dāng)整流器的直流輸出電壓下降時，進(jìn)線電網(wǎng)的功率因數(shù)也將隨之下降；二是控制響應(yīng)時間較慢，因為它不可能比其采用的進(jìn)線頻率響應(yīng)更快。當(dāng)然可以彌補(bǔ)這些缺點，但需采用一些復(fù)雜的附加功率器件。③三相半控整流器，該整流器可通過調(diào)節(jié)可控硅SCR1～SCR3來調(diào)節(jié)整流電壓［7-9］。

在以上3種整流器中，應(yīng)用最廣的是三相全控整流器，該整流器的優(yōu)點是輸出電壓連續(xù)可調(diào)，適用于各種直流負(fù)載電路。中頻電源的并聯(lián)諧振逆變器中，由于逆變器的工作頻率必須和其負(fù)載LC的振蕩頻率相同才能正常工作，并聯(lián)逆變器的輸出功率無法自己調(diào)整，必須通過改變其輸入電壓大小才能調(diào)整輸出功率；因此，并聯(lián)諧振逆變器必須采用三相全控整流器為其提供電能［10］。

三相全控整流器的電壓是通過改變可控硅的α角來調(diào)整的。不同的α角，整流輸出的電壓也不同，其輸出電壓為：

式中 Ud——直流電壓（整流器輸出電壓），V；

U——進(jìn)線電壓，V；

α——可控硅控制角，（°）。

由式（1）可以看出：改變α角就可以改變整流器的輸出電壓。

在不同角度下整流器的輸出電壓波形是不同的，當(dāng)α=0°時，整流器的輸出電壓是連續(xù)的脈動波形，隨著α角增大，電壓波形的脈動值越大；當(dāng)α∧60°后，整流器的輸出電壓波形不再連續(xù)，此時為了保障輸出電流的連續(xù)，必須在整流器的輸出端串接一臺電感量很大的續(xù)流電抗器LD，同時隨著α角度的改變，整流器的功率因數(shù)也會隨之改變。下面來分析α角對功率因數(shù)的影響。

忽略可控硅的換相過程和電流脈動，對電路進(jìn)行分析，三相交流側(cè)電流的有效值I與直流側(cè)電流Id的關(guān)系為：

電流基波I1和各次諧波In的有效值分別為：

式中，n=6k±1，k=1，2，3，…。

電流中僅含6k±1次諧波（k為正整數(shù)），各次諧波的有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。

由式（2）～（4）可得基波因數(shù)ν為：

基波電流與電壓的相位差φ1等于可控硅控制角α，故位移因數(shù)λ1為：

功率因數(shù)λ即為：

由此可見，整流器功率因數(shù)與可控硅的控制角有關(guān)。因此，整流器的電壓越低（α角越大），整流器的功率因數(shù)越低。

1.2中頻電源逆變器及其類型

中頻電源的逆變器常見的有兩大類：一類為并聯(lián)諧振式逆變器，另一類為串聯(lián)諧振式逆變器［11-12］。

并聯(lián)諧振式逆變器就是電容器C和線圈L連接成并聯(lián)式諧振回路，串聯(lián)諧振式逆變器是電容器C和線圈L連接成串聯(lián)式諧振回路。并聯(lián)逆變器和串聯(lián)逆變器是中頻電源逆變器的基本形式，但特性各異，目前應(yīng)用最多的是并聯(lián)諧振式逆變器。串聯(lián)諧振式逆變器受技術(shù)條件限制，在我國發(fā)展較晚，至今也只有為數(shù)不多的企業(yè)能夠生產(chǎn)制造。

并聯(lián)諧振式逆變器的輸出電壓為正弦波，電流為方波，采用自激方式控制，其工作頻率為LC的自由振蕩頻率，輸出功率大小根據(jù)輸入電壓高低確定，需要恒流源供電。串聯(lián)諧振式逆變器輸出電壓為方波，電流為正弦波，采用他激方式控制，通過改變逆變器的頻率來調(diào)整逆變器的輸出功率，采用恒壓源為其供電。

2　中頻電源電路的基本形式

通過以上介紹可以看出，并聯(lián)逆變器必須采用三相全控整流器作為直流電源，其主電路原理如圖1所示。而串聯(lián)逆變器原則上3種整流器均可為其供電，但為了控制方便和節(jié)能，一般采用三相不可控整流器或三相半控整流器作為直流電源，如圖2～3所示。其中：a、b、c代表三相，SCR1～SCR10為可控硅，LD為濾波電抗器，L為振蕩線圈，C為振蕩電容器，D1～D8為整流二極管，Cd1、Cd2為濾波電容器，Cn1、Cn2為諧振電容器。

圖1　三相全控整流器并聯(lián)諧振式主電路

圖2　三相不可控整流器串聯(lián)諧振式主電路

圖3　三相半控整流器串聯(lián)諧振式主電路

串聯(lián)諧振逆變器雖然采用三相半控整流器提供直流電源，但不用來調(diào)壓，只用來在軟啟動和出現(xiàn)故障時作為電子開關(guān)，快速切斷電源。正常工作時，可控硅總是處于全導(dǎo)通狀態(tài)，其工作特性與圖2所示的三相不可控整流器串聯(lián)諧振電路完全相同。一般100 kW以上的中頻電源多采用此種整流方式。

3　串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振比較

3.1功率因數(shù)及無功損耗

并聯(lián)諧振式中頻電源采用了三相全控整流器，其輸出功率的大小是通過改變整流器的輸出電壓來調(diào)整的。而整流器的輸出電壓是通過改變可控硅控制角α來實現(xiàn)。

根據(jù)式（1）和式（6）可知：α值越大，直流電壓就越低，同時整流器的功率因數(shù)也越低。電源在運行時，根據(jù)加熱工藝要求的不同及負(fù)載阻抗的變化，很難做到cos α=1。也就是說，并聯(lián)諧振中頻電源在運行時很可能會因功率因數(shù)低而形成較大的無功損耗。

串聯(lián)諧振式中頻電源無論采用三相不可控整流器還是采用三相半控整流器，其輸出功率是通過改變逆變器的諧振頻率來調(diào)整的。整流器的輸出電壓始終是cos α=1狀態(tài)運行，無論電源的輸出功率高低，整流器的功率因數(shù)均為λ≈0.955cos α ≈0.955。

由此可見，串聯(lián)諧振式中頻電源運行時的功率因數(shù)是不受負(fù)載變化和功率變化所影響的，高功率因數(shù)和低無功損耗為其帶來節(jié)電效果。通過大量試驗表明：串聯(lián)諧振式中頻電源比并聯(lián)諧振式中頻電源的節(jié)電效率高達(dá)10%～20%（負(fù)載變化及工藝標(biāo)準(zhǔn)不同，節(jié)電效率也就不同）。

3.2諧波分量

由于并聯(lián)諧振整流控制角α的變化，整流輸出電壓脈動較大。當(dāng)α∧60°后電壓波形不再連續(xù)，整流可控硅換流過程中殘缺角會吸收電網(wǎng)正弦波，造成電網(wǎng)波形缺角，產(chǎn)生大量的n=6k±1次諧波分量［13-15］，其中5次、7次、11次諧波電流含量分別占基波電流的20%、11%、6%，這對于小功率的用戶而言影響不大，但對于大功率的用戶來說危害就很大，對于中頻用戶，若用常規(guī)的無功補(bǔ)償就無法進(jìn)行，有的用戶用常規(guī)的電容器作無功補(bǔ)償，但無法投入電容器，即便能投入，已對5次諧波電流放大了1.8～3.8倍以上，使電機(jī)、變壓器等用電設(shè)備的銅損、鐵損明顯增加，縮短了設(shè)備的使用壽命，用電成本大幅上升。如果采用LC有源濾波器進(jìn)行濾波，濾波器的成本會接近甚至大于中頻電源的成本。

串聯(lián)諧振的整流器采用不可控整流方式，啟動工作后始終以最大電壓輸出，整流器后端又加上大容量濾波電容，輸出的直流電壓是一條直線，因此其產(chǎn)生的諧波分量很小，幾乎可以忽略不計。所以既不需要無功補(bǔ)償，也不需要高昂的濾波設(shè)備。

3.3諧振電流

并聯(lián)諧振時感應(yīng)器上的諧振電流是中頻輸出電流的Q倍（Q為負(fù)載的品質(zhì)因數(shù)），串聯(lián)諧振時電容電壓是中頻輸出電壓的Q倍；因此并聯(lián)諧振的諧振電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于串聯(lián)諧振，大電流造成線路熱損耗也是不可忽略的。

3.4制造成本

并聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)相對簡單，制造成本較低，而串聯(lián)諧振采用的電器件數(shù)量較多，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，制造成本高于并聯(lián)諧振。

4　在鋼管加熱中的節(jié)能作用

在鋼管加熱時，對加熱溫度和速度有著嚴(yán)格的工藝要求，而且工廠需要加熱的鋼管品種規(guī)格不是單一的，往往是一臺加熱設(shè)備需要加熱多個品種、多種尺寸的鋼管；因此，在鋼管加熱時很難保障中頻電源工作在最佳阻抗匹配狀態(tài)和最大功率狀態(tài)。如果采用并聯(lián)諧振中頻電源，也就意味著電源的整流器輸出電壓很難處于最高輸出電壓，即α=0°，此時中頻電源的功率因數(shù)較低，無功損耗較大，造成電能的無謂消耗。

解決這一問題的最好辦法就是采用串聯(lián)諧振中頻電源對鋼管進(jìn)行加熱，這樣無論需要電源輸出多大功率，電源的功率因數(shù)始終為λ≈0.955。根據(jù)大量的試驗對比表明：串聯(lián)諧振比并聯(lián)諧振中頻電源節(jié)電達(dá)10%～20%。

現(xiàn)以10%節(jié)電率粗略計算節(jié)電效果。

如某企業(yè)采用1 000 kW的串聯(lián)諧振中頻電源加熱鋼管，每班工作時間為8 h/天，每月工作24天，每度電的平均價格0.7元人民幣。

則，每班一年節(jié)約電量：

1 000×10%×8×24×12=230 400（kW·h）

每班一年節(jié)約電費：

230 400×0.7=161 280（元）

如果每天3班運行，則年可節(jié)約48.384萬元，為企業(yè)節(jié)省較大的生產(chǎn)成本。

5　結(jié)　語

目前鋼管加熱用的中頻電源，一般采用最小功率為500 kW，而在鋼管防腐領(lǐng)域中用量最多的是1 000 kW中頻電源。隨著我國西氣東輸四線、五線的陸續(xù)開工，直徑1 422 mm甚至更大規(guī)格鋼管的使用，中頻電源的單機(jī)功率將在1 500 kW以上。如果采用串聯(lián)諧振中頻電源作為鋼管加熱設(shè)備，不僅可給企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益，而且可為我國節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。

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Analysis on Energy-saving Effectiveness of Application of Series Resonance Medium Frequency Power Supply to Pipe Induction Heating

WANG Yong1，2，YUAN Qingying1，2，WANG Yicen1，2，CHANG Yongle2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods，Baoji 721008，China；2.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.，Ltd.，Baoji 721008，China）

Series resonance is one of the resonance types of medium-frequency power supply.Here in the article the basic principle of the medium frequency power supply circuit is described，and the working characteristics of series resonance and those of parallel resonance are comparatively analyzed.The obvious energy-saving effectiveness of series resonance method is proved with actual application examples thereof in steel pipe heating process.It is concluded that using series resonance medium frequency power supply for steel pipe heating can bring about significant energy-saving effectiveness.

steel pipe heating；medium frequency power supply；series resonance；parallel resonance；energysaving effectiveness；comparative analysis

TG335.75；TM924.5

B

1001-2311（2015）02-0079-04

2014-01-04；修定日期：2015-03-16）

王勇（1958-），男，工程師，主要從事石油天然氣管材制造工藝與裝備研究工作。