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              串聯諧振與并聯諧振比較
              2021-07-17

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


              串聯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整的,整流器的輸出電壓始終是 cos α=1 狀態運行,無論電源的輸出功率高低,整流器的功率因數均為 λ≈0.955cos α≈0.955,由此可見,串聯諧振式中頻電源運行時的功率因數是不受負載變化和功率變化所影響的,高功率因數和低無功損耗為其帶來節電效果,通過大量試驗表明:串聯諧振式中頻電源比并聯諧振式中頻電源的節電效率高達 10%~20%(負載變化及工藝標準不同,節電效率也就不同)。


              串聯諧振


              諧波分量


              由于并聯諧振整流控制角 α 的變化,整流輸出電壓脈動較大,當 α ∧ 60°后電壓波形不再連續,整流可控硅換流過程中殘缺角會吸收電網正弦波,造成電網波形缺角,產生大量的 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,若用常規的無功補償就無法進行,有的用戶用常規的電容器作無功補償,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、變壓器等用電設備的銅損、鐵損明顯增加,縮短了設備的使用壽命,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償,也不需要高昂的濾波設備。


              諧振電流


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


              制造成本


              并聯諧振結構相對簡單,制造成本較低,而串聯諧振采用的電器件數量較多,結構相對復雜,制造成本高于并聯諧振。


              在鋼管加熱中的節能作用


              在鋼管加熱時,對加熱溫度和速度有著嚴格的工藝要求,而且工廠需要加熱的鋼管品種規格不是單一的,往往是一臺加熱設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和最大功率狀態,如果采用并聯諧振中頻電源,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諧振中頻電源對鋼管進行加熱,這樣無論需要電源輸出多大功率,電源的功率因數始終為 λ≈0.955,根據大量的試驗對比表明:串聯諧振比并聯諧振中頻電源節電達 10%~20%,現以 10%節電率粗略計算節電效果,如某企業采用 1 000 kW 的串聯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,每班一年節約電量:1 000×10%×8×24×12=230 400(kW·h)每班一年節約電費:230 400×0.7=161 280(元)如果每天 3 班運行,則年可節約 48.384 萬元,為企業節省較大的生產成本。


              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、五線的陸續開工,直徑 1 422 mm 甚至更大規格鋼管的使用,中頻電源的單機功率將在 1 500 kW 以上,如果采用串聯諧振中頻電源作為鋼管加熱設備,不僅可給企業帶來巨大經濟效益,而且可為我國節能減排做出貢獻。

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