大功率串聯(lián)中頻電源晶閘管均流問題的分析

劉書忠，龐河臨，毛 海，3，王小偉，3

(1.山西太鋼不銹鋼股份有限公司 煉鋼二廠，山西 太原 030003； 2.西安電爐研究所有限公司，陜西 西安 710061；3.西安慧金科技有限公司，陜西 西安 710061)

感應(yīng)加熱設(shè)備主要應(yīng)用于金屬熔煉、透熱及表面淬火等方面，感應(yīng)加熱設(shè)備的核心部分是中頻諧振電源，而在中頻諧振電源領(lǐng)域，晶閘管電源以容量大，耐壓高、效率高、可控制等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于中頻電源中[1]。在中頻爐熔煉方面，熔煉設(shè)備功率越大，效率越高，噸鋼電耗越低，所以大功率中頻熔煉設(shè)備在節(jié)能方面有較大優(yōu)勢。由于單個晶閘管可通過的電流有限，所以大功率的串聯(lián)諧振電源都需要多組晶閘管組成逆變單元并聯(lián)使用，因此研究多組晶閘管并聯(lián)引起的不均流問題是很有意義的。

晶閘管串聯(lián)諧振中頻電源具有啟動可靠性高、功率因數(shù)高，電能利用效率高的優(yōu)點，線圈電流完全流過逆變單元，通過控制逆變單元可完全控制線圈電流，缺點是過大的線圈電流需要多組逆變單元并聯(lián)分流使用[2]。而多組逆變單元并聯(lián)使用時，晶閘管因自身特性差異、電流路徑等差異，往往會導致各個逆變單元不均流。晶閘管不均流現(xiàn)象嚴重時，會損壞器件，增加設(shè)備故障率，影響工廠生產(chǎn)[3]。

1 基本情況

某項目現(xiàn)場4 500 kW串聯(lián)諧振中頻電源出現(xiàn)多組并聯(lián)逆變單元不均流的現(xiàn)象，現(xiàn)場電源逆變部分結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

電源功率達到滿功率4 500 kW輸出時，現(xiàn)場通過羅氏線圈對每組逆變單元分別測量各支路電流，測量數(shù)據(jù)如表1所示。分析數(shù)據(jù)可得，靠近電容器組的第五組和第六組逆變單元通過的電流是遠離電容器組的第一組和第二組逆變單元電流的2倍左右，導致了靠近電容器組的晶閘管過負荷運行，晶閘管多次損壞；同時也導致靠近電容器組的電源柜柜門發(fā)熱，現(xiàn)場溫度超過60 ℃，高出設(shè)計標準。

圖1 某項目現(xiàn)場4 500 kW串聯(lián)中頻諧振電源逆變部分結(jié)構(gòu)圖

表1 4 500 kW中頻電源滿功率輸出時各支路電流值 A

2 大功率串聯(lián)諧振電源中影響晶閘管均流的因素分析及改善方法

(1)各并聯(lián)支路阻抗不同，會引起通過各支路的電流不均衡。逆變單元設(shè)計時需要保證每個單元的逆變回路結(jié)構(gòu)基本一致，由于安裝螺栓松緊等因素會使各路接觸電阻有差異，而大截面銅排連接性較好，一般阻抗很小，在每一路逆變單元中串聯(lián)一個阻抗值較大的器件，可以有效的減小由于各路阻抗不同而導致的并聯(lián)器件不均流。

(2)并聯(lián)使用的晶閘管開關(guān)不同步也會引起動態(tài)電流不均衡。并聯(lián)器件開通時間不一致不僅會造成開通過程中的動態(tài)不均流，而且對并聯(lián)器件穩(wěn)定導通后電流分布的均衡也有較大的影響，并聯(lián)支路存在一定的電感L(線路分布電感和均流電感或動態(tài)強迫均流所加的均流電感)，晶閘管導通時其動態(tài)電阻Rcm一般很小，并聯(lián)器件先后導通的電流差衰減速度由支路時間常數(shù)L/Rcm決定，當時間常數(shù)較大時，會造成并聯(lián)器件通態(tài)時電流不均衡。尤其在電路工作頻率較高時，每次導通周期的時間短，有可能到器件導通終止時還沒達到穩(wěn)定分布電流值，引起穩(wěn)態(tài)電流分配的不均衡。

(3)晶閘管的開關(guān)時間除了與器件本身的內(nèi)部參數(shù)有關(guān)外，還與晶閘管外電路門極驅(qū)動信號有很大的關(guān)系，采用強觸發(fā)可以大大降低器件參數(shù)的影響，采用同一驅(qū)動源的驅(qū)動器可以消除由于驅(qū)動電路延遲時間不同而產(chǎn)生的影響。

(4)電源結(jié)構(gòu)方面，當并聯(lián)器件分布在同一平面且工作電流較大時，在不同位置上的器件就會有不同的電流值，主要與引出母線的位置有較大關(guān)系。引線電感、互感和電磁場相互作用的結(jié)果，會使各支路阻抗不同。半橋串聯(lián)逆變電路如圖2所示。

圖2 半橋串聯(lián)逆變電路

C是直流濾波電容，C1和C2是補償電容，且滿足?C1=C2?C，整流輸出電壓Ud經(jīng)過C濾波變成更加平穩(wěn)的直流電壓，因此C相當于一個直流電壓源。L是感應(yīng)線圈的電感。由于Ic遠大于Id，分析時可以忽略Id。

每個逆變周期開始時，晶閘管T1獲得觸發(fā)信號，晶閘管T1正向?qū)?，晶閘管T2、二極管D1、D2關(guān)閉，主回路存在兩個回路電流，回路1的路徑是C→T1→L→C2→C，回路2的路徑是C1→T1→L→C1，兩個回路電流都經(jīng)過T1和L，所以流經(jīng)T1的電流可以看做兩個回路各自流經(jīng)T1的電流疊加。其中C1和C2代表參數(shù)相同的諧振電容器組，流經(jīng)C1的電流IC1和流經(jīng)C2的電流IC2大致相等，則IC≈IC1=IT1。

隨著系統(tǒng)諧振負載電流IL逐漸減小至零后反向，T1關(guān)閉。D1開始續(xù)流。負載電流IL也是由兩個回路疊加而成，回路1的路徑是C→D1→L→C2→C，回路2的路徑是C1→D1→L→C1，則IC≈IC1=ID1。

當晶閘管T2獲得觸發(fā)信號導通時，晶閘管T1、二極管D1、D2關(guān)閉，負載電流IL也是由兩個回路疊加而成，回路1的路徑是C→C1→L→T2→C，回路2的路徑是C2→T2→L→C2，則IC≈IC2=IT2。

隨著系統(tǒng)諧振負載電流IL反向后，T1關(guān)閉。D2開始續(xù)流。負載電流IL也是由兩個回路疊加而成，回路1的路徑是C→C1→L→D2→C，回路2的路徑是C2→L→D2→C2，則IC≈IC2=ID2。

某項目現(xiàn)場的4 500 kW串聯(lián)諧振電源是6組逆變單元并聯(lián)使用，如圖1所示，由于第一組和第二組結(jié)構(gòu)上對稱、第三組和第四組結(jié)構(gòu)上對稱、第五組和第六組結(jié)構(gòu)上對稱，分析可簡化至只分析一、三、五組逆變單元，把晶閘管與其配套的續(xù)流二極管簡化為一個?？欤瑒t結(jié)構(gòu)圖如圖3所示：

圖3 現(xiàn)場原設(shè)計主回路布局示意圖

其中TD11代表第一組逆變單元的上橋臂，TD12代表第一組逆變單元的下橋臂，TD31代表第三組逆變單元的上橋臂，TD32代表第三組逆變單元的下橋臂，TD51代表第五組逆變單元的上橋臂，TD52代表第五組逆變單元的下橋臂。當所有逆變單元的上橋臂導通時，下橋臂關(guān)斷，負載電流IL由以下兩個回路疊加而成：回路1中電流路徑為C→(TD11+TD31+TD51)→L→C2→C。從圖3所示結(jié)構(gòu)中可明顯看出，越靠近逆變電容器組的逆變單元支路路徑越短，支路阻抗越小，則流經(jīng)第一組、第三組、第五組逆變單元的電流ITD11

當所有逆變單元的下橋臂導通時，通過并聯(lián)使用的晶閘管的電流與上橋臂導通時一樣，越靠近電容器組的逆變單元，通過的電流越大，不均流的現(xiàn)象越嚴重。

整改后的電源結(jié)構(gòu)如圖4所示：

圖4 現(xiàn)場整改后主回路布局示意圖

當所有逆變單元的上橋臂導通時，負載電流IL由以下兩個回路疊加而成：回路1中電流路徑為C→(TD11+TD31+TD51)→L→C2→C，從圖4所示結(jié)構(gòu)中可看出，三組逆變單元支路路徑基本相等，支路阻抗也基本相等，則流經(jīng)第一組、第三組、第五組逆變單元的電流近似ITD11=ITD31=ITD51；回路2中電流路徑為C1→(TD11+TD31+TD51)→L→C1，也可從圖4中看出越靠右(靠近諧振電容器組)的逆變單元支路路徑越短，支路阻抗越小，則流經(jīng)第一組、第三組、第五組逆變單元的電流ITD11

當所有逆變單元的下橋臂導通時，通過并聯(lián)使用的晶閘管的電流與上橋臂導通時一樣，靠近逆變晶閘管的電流稍大于通過另一側(cè)晶閘管的電流。

3 現(xiàn)場采取的改進措施

(1)緊固所有的連接銅排上的安裝螺栓，連接接觸面涂導電膏，減小因接觸電阻引起的并聯(lián)單元阻抗不同。

(2)現(xiàn)場再次檢查晶閘管標牌上的參數(shù)，確保電源柜中所有的晶閘管門檻電壓VTO、通態(tài)斜率電阻Rt等參數(shù)差異很小。在電源裝配應(yīng)盡量采用同廠家、同型號、同批次生產(chǎn)的器件進行并聯(lián)。如果有晶閘管損壞時，應(yīng)盡量采用與并聯(lián)晶閘管參數(shù)較為相近的器件更換。

(3)檢查諧振電源的控制系統(tǒng)及驅(qū)動信號同步性。更換了具有強觸信號的光纖觸發(fā)板，新更換的觸發(fā)板采用獨特的模塊化設(shè)計，觸發(fā)信號采用光纖傳輸，信號一致性好，增加了抗干擾性，降低了故障率。

(4)分析主回路電流路徑，確實存在主回路路徑不合理的問題，現(xiàn)場整改電源，調(diào)整直流濾波電容的位置，整改后靠近電容器組的第五組和第六組逆變單元通過的電流2 720 A左右，第三組和第四組逆變單元通過的電流3 000 A左右，第五組和第六組逆變單元通過的電流3 280 A左右。合理的主路電流的路徑，最終大幅度提高了并聯(lián)使用晶閘管均流的系數(shù)。

根據(jù)并聯(lián)器件均流系數(shù)公式(1)可得：

(1)

式中：n為并聯(lián)器件數(shù)。

整改前6組逆變單元并聯(lián)使用的均流系數(shù)為0.732，整改后6組逆變單元并聯(lián)使用的均流系數(shù)為0.914，均流系數(shù)有較大幅度提高，明顯改善了并聯(lián)逆變單元不均流的問題。

4 結(jié) 論

本文主要以某項目現(xiàn)場4 500 kW串聯(lián)諧振電源出現(xiàn)的各組逆變晶閘管不均流現(xiàn)象為研究對象，分析影響逆變晶閘管均流的各個因素，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，整理出串聯(lián)諧振電源中多組逆變單元并聯(lián)使用時，影響晶閘管均流的因素及對應(yīng)的解決方案如下：

(1)并聯(lián)支路阻抗不同會影響晶閘管均流效果，在保證電源回路各部分連接可靠的情況下，串入一個阻抗較大的器件，可以有效改善因支路阻抗不同引起的晶閘管不均流問題。

(2)并聯(lián)使用的晶閘管參數(shù)一致性不好會影響均流效果，采用強觸發(fā)信號的驅(qū)動板，可有效解決因晶閘管開通不一致引起的晶閘管不均流問題。

(3)諧振電源逆變單元不同的進出線方式會響晶并聯(lián)閘管電流分配，各組逆變單元主回路路徑基本一致，能有效改善因主回路不合理引起的晶閘管不均流問題。