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              串聯諧振逆變器的功率調節方式
              2021-05-20

              1引言

              串聯諧振


                由圖1可以得出逆變器的輸出功率表達式(0.1),可以看出在負載一定的情況下,輸出功率的大小是由Ud和大小決定的。其中Ud為輸入直流電壓的幅值,f為負載的功率因數角。從而可以將串聯諧振逆變器的功率調節方式分為兩種:

              圖片.png


              a.直流調功:通過調節輸入的直流電壓的幅值來調節輸出功率。

              b.逆變調功:通過調節輸出電壓的頻率來調節負載功率因數,或調節輸出電壓的有效值大小(調節占空比)來調節輸出功率。

              圖片.png


              2 直流調功

                直流調功也叫調壓調功,它是通過調節整流電路輸出電壓的大小來調整負載功率,負載通過鎖相措施保證工作在諧振或者接近諧振的工作頻率處。調節整流輸出電壓的方式有兩種:一種是采用晶閘管三相全控橋整流進行調壓;另種是采用三相不控整流后用斬波器進行調壓。

              2.1 晶閘管三相全控橋整流進行調壓

                這種方式主要通過控制晶閘管(注:晶閘管是PNPN四層半導體結構,它有三個極:陽極,陰極和門極; 晶閘管具有硅整流器件的特性,能在高電壓、大電流條件下工作,且其工作過程可以控制、被廣泛應用于可控整流、交流調壓、無觸點電子開關、逆變及變頻等電子電路中。)導通角來控制整流輸出電壓值。這種方式電路簡單成熟,控制方便。主要缺點是在深控下網側功率因數低,動態響應慢,換流過程中電流容易出現畸變。

              晶閘管整流調功的感應加熱電源拓撲結構見圖 2,與逆變側不同的是,整流部分采用六只晶閘管組成的晶閘管相控整流橋。

              圖片.png


              2.2 三相不控整流加斬波器進行調壓

                感應加熱電源中的直流斬波調功方式的調功原理如圖 3所示。

              圖片.png


              前端是由六只二極管組成的三相不可控整流器,輸出的直流電壓Ud經過電容C1濾波后送入由開關管VT、續流二極管D2、濾波電感Lo和濾波電容Cd 組成的斬波器,調節VT 的占空比,逆變器得到的電壓就在0~Ud之間任意的電壓值。這種方式可以獲得較高的功率因數,但是開關管VT 是工作在硬開關方式,開關損耗較高,對開關器件的要求比較高。由于電路中電感的存在,將使開關器件關斷時承受更高的電壓,而器件的開關頻率較高有利于減小濾波電路中儲能元件的體積。

              這種方式具有網側功率因數高,電壓動態響應快,保護容易等優點。但由于DC/DC變換環節的加入,電源的整機效率和可靠性將會降低。

              3 逆變調功

                常見的逆變調功方法主要有脈沖頻率調制法(PFM)、脈沖密度調制(PDM)、脈沖寬度調制法(PWM)等等。

              3.1 脈沖頻率調制法(PFM)

                PFM方法采用不控整流得到直流電壓,通過改變逆變器輸出電壓的頻率來改變負載的功率因數角f,從而調節輸出功率的大小。

              輸出功率的表達式如(0.1)所示,其中f的表達式如(0.2)所示。根據表達式(0.1)和0.2)可以看出改變w就可以改變輸出功率,而w則是由系統的開關頻率所決定的。因此改變逆變器輸出電壓的頻率就可以調節輸出功率的大小。

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              從圖 4中可以看出,負載功率在諧振點頻率0f處時是最大的,而偏離這個諧振頻率時,負載功率都會降低。

              圖片.png


              PFM方式最大優點是簡化了設備,降低了成本,調頻部分實現起來也比較簡單。但是它也存在著一些難以克服的缺點。具體表現為以下3點:1、由于整流一般采用不控整流。這就要求逆變開關元件承受較高的浪涌電壓或浪涌電流,這對逆變開關元件不利的:2、如果負載在加熱過程中的參數變化比較大,那么負載工作頻率可能會在一個相當大的頻率范圍內變化,負載適應性差。工件頻率在功率調節過程中不斷變化,導致集膚深度(注:導體中電流密度減小到導體截面表層電流密度的1/e處的深度。)也隨之改變,這在要求嚴格的應用場合中是不允許的:3、在高頻的工作場合,如果采用調頻調功,由于沒有對負載工作的相位角給出恒定的控制,在低功率輸出時,負載功率因數較低,逆變開關元件承受較大的無功能量交換。但是由于PFM控制方法實現起來非常簡單,在以下情況中可以考慮使用它:l:如果負載對工作頻率范圍沒有嚴格限制,相位差可以存在而不必處于近諧振工作狀態;2:如果負載的Q值較高,或者功率調節范圍不是很大,則較小的頻率偏片就可以達到調功的要求??偠灾?,在要求嚴格的情況下,PFM方法不適用。


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