劉書(shū)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(diǎn)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(shì)。由于單個(gè)晶閘管可通過(guò)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(wèn)題是很有意義的。

晶閘管串聯(lián)諧振中頻電源具有啟動(dòng)可靠性高、功率因數(shù)高，電能利用效率高的優(yōu)點(diǎn)，線圈電流完全流過(guò)逆變單元，通過(guò)控制逆變單元可完全控制線圈電流，缺點(diǎn)是過(guò)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(shí)，晶閘管因自身特性差異、電流路徑等差異，往往會(huì)導(dǎo)致各個(gè)逆變單元不均流。晶閘管不均流現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)，會(huì)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(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)電源逆變部分結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

電源功率達(dá)到滿(mǎn)功率4 500 kW輸出時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)羅氏線圈對(duì)每組逆變單元分別測(cè)量各支路電流，測(cè)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(guò)的電流是遠(yuǎn)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(dǎo)致了靠近電容器組的晶閘管過(guò)負(fù)荷運(yùn)行，晶閘管多次損壞；同時(shí)也導(dǎo)致靠近電容器組的電源柜柜門(mén)發(fā)熱，現(xiàn)場(chǎng)溫度超過(guò)60 ℃，高出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 某項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)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(mǎn)功率輸出時(shí)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(huì)引起通過(guò)各支路的電流不均衡。逆變單元設(shè)計(jì)時(shí)需要保證每個(gè)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(huì)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(gè)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(dǎo)致的并聯(lián)器件不均流。

(2)并聯(lián)使用的晶閘管開(kāi)關(guān)不同步也會(huì)引起動(dòng)態(tài)電流不均衡。并聯(lián)器件開(kāi)通時(shí)間不一致不僅會(huì)造成開(kāi)通過(guò)程中的動(dòng)態(tài)不均流，而且對(duì)并聯(lián)器件穩(wěn)定導(dǎo)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(dòng)態(tài)強(qiáng)迫均流所加的均流電感)，晶閘管導(dǎo)通時(shí)其動(dòng)態(tài)電阻Rcm一般很小，并聯(lián)器件先后導(dǎo)通的電流差衰減速度由支路時(shí)間常數(shù)L/Rcm決定，當(dāng)時(shí)間常數(shù)較大時(shí)，會(huì)造成并聯(lián)器件通態(tài)時(shí)電流不均衡。尤其在電路工作頻率較高時(shí)，每次導(dǎo)通周期的時(shí)間短，有可能到器件導(dǎo)通終止時(shí)還沒(méi)達(dá)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(kāi)關(guān)時(shí)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(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)有很大的關(guān)系，采用強(qiáng)觸發(fā)可以大大降低器件參數(shù)的影響，采用同一驅(qū)動(dòng)源的驅(qū)動(dòng)器可以消除由于驅(qū)動(dòng)電路延遲時(shí)間不同而產(chǎn)生的影響。

(4)電源結(jié)構(gòu)方面，當(dāng)并聯(lián)器件分布在同一平面且工作電流較大時(shí)，在不同位置上的器件就會(huì)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(chǎng)相互作用的結(jié)果，會(huì)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(bǔ)償電容，且滿(mǎn)足?C1=C2?C，整流輸出電壓Ud經(jīng)過(guò)C濾波變成更加平穩(wěn)的直流電壓，因此C相當(dāng)于一個(gè)直流電壓源。L是感應(yīng)線圈的電感。由于Ic遠(yuǎn)大于Id，分析時(shí)可以忽略Id。

每個(gè)逆變周期開(kāi)始時(shí)，晶閘管T1獲得觸發(fā)信號(hào)，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(gè)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(gè)回路電流都經(jīng)過(guò)T1和L，所以流經(jīng)T1的電流可以看做兩個(gè)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(fù)載電流IL逐漸減小至零后反向，T1關(guān)閉。D1開(kāi)始續(xù)流。負(fù)載電流IL也是由兩個(gè)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(dāng)晶閘管T2獲得觸發(fā)信號(hào)導(dǎo)通時(shí)，晶閘管T1、二極管D1、D2關(guān)閉，負(fù)載電流IL也是由兩個(gè)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(fù)載電流IL反向后，T1關(guān)閉。D2開(kāi)始續(xù)流。負(fù)載電流IL也是由兩個(gè)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(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)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(duì)稱(chēng)、第三組和第四組結(jié)構(gòu)上對(duì)稱(chēng)、第五組和第六組結(jié)構(gòu)上對(duì)稱(chēng)，分析可簡(jiǎn)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(jiǎn)化為一個(gè)?？?，則結(jié)構(gòu)圖如圖3所示：

圖3 現(xiàn)場(chǎng)原設(shè)計(jì)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(dāng)所有逆變單元的上橋臂導(dǎo)通時(shí)，下橋臂關(guān)斷，負(fù)載電流IL由以下兩個(gè)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(dāng)所有逆變單元的下橋臂導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)并聯(lián)使用的晶閘管的電流與上橋臂導(dǎo)通時(shí)一樣，越靠近電容器組的逆變單元，通過(guò)的電流越大，不均流的現(xiàn)象越嚴(yán)重。

整改后的電源結(jié)構(gòu)如圖4所示：

圖4 現(xiàn)場(chǎng)整改后主回路布局示意圖

當(dāng)所有逆變單元的上橋臂導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流IL由以下兩個(gè)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(dāng)所有逆變單元的下橋臂導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)并聯(lián)使用的晶閘管的電流與上橋臂導(dǎo)通時(shí)一樣，靠近逆變晶閘管的電流稍大于通過(guò)另一側(cè)晶閘管的電流。

3 現(xiàn)場(chǎng)采取的改進(jìn)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(dǎo)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(chǎng)再次檢查晶閘管標(biāo)牌上的參數(shù)，確保電源柜中所有的晶閘管門(mén)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(hào)、同批次生產(chǎn)的器件進(jìn)行并聯(lián)。如果有晶閘管損壞時(shí)，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(dòng)信號(hào)同步性。更換了具有強(qiáng)觸信號(hào)的光纖觸發(fā)板，新更換的觸發(fā)板采用獨(dú)特的模塊化設(shè)計(jì)，觸發(fā)信號(hào)采用光纖傳輸，信號(hào)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(shí)存在主回路路徑不合理的問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)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(guò)的電流2 720 A左右，第三組和第四組逆變單元通過(guò)的電流3 000 A左右，第五組和第六組逆變單元通過(guò)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(wèn)題。

4 結(jié) 論

本文主要以某項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)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(duì)象，分析影響逆變晶閘管均流的各個(gè)因素，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(shí)，影響晶閘管均流的因素及對(duì)應(yīng)的解決方案如下：

(1)并聯(lián)支路阻抗不同會(huì)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(gè)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(wèn)題。

(2)并聯(lián)使用的晶閘管參數(shù)一致性不好會(huì)影響均流效果，采用強(qiáng)觸發(fā)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)板，可有效解決因晶閘管開(kāi)通不一致引起的晶閘管不均流問(wèn)題。

(3)諧振電源逆變單元不同的進(jìn)出線方式會(huì)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(wèn)題。