CN213072465U - 一种并联谐振式电源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电源系统技术领域，具体涉及一种并联谐振式电源系统，包括进线开关1，输入端与所述进线开关1连接的整流电路2，至少一个直流滤波电抗5，输入端与所述至少一个直流滤波电抗5的输出端连接且输出端与并联谐振电路并联连接的电流型逆变电路6，所述并联谐振电路包括至少一个并联补偿电容7和负载线圈8；并联谐振式电源系统还包括：至少一个直流滤波电容3，与所述整流电路2的输出端并联连接；斩波电路4，输入端与所述至少一个直流滤波电容3并联连接，其中一个输出端和所述至少一个直流滤波电抗5的输入端连接。该电源系统能够在全电压范围无级调功的同时始终保持较高的功率因数。从而有效的减少线路损耗，提高用电效率。

Description

一种并联谐振式电源系统

技术领域

本实用新型涉及电源系统技术领域，具体涉及一种并联谐振式电源系统，主要应用在大功率感应加热等领域。

背景技术

在冶金或铸造领域，需要用到大功率感应电炉。感应电炉是由多圈水冷铜管绕制而成（即负载线圈），可以等效为一个电感。感应加热的原理是通过在线圈上施加交变电流，在炉膛内产生交变的磁场，利用交变磁场在金属内部产生涡流而发热，从而达到对炉膛内金属进行加热或熔化的目的。

为大功率感应电炉提供交变电流的电源系统分为串联谐振式电源和并联谐振式电源两大类。串联谐振式电源采用电压型逆变电路，而并联谐振式电源采用电流型逆变器。并联谐振式电源只需要提供负载所需的有功电流，因此在同等功率状况下，所需晶闸管数量大大减少，这使得其在大功率应用领域具备一定优势。

然而，传统的大功率并联谐振式电源结构普遍采用三相可控型全桥整流电路，通过调节整流器的移相控制角度来调节输出直流电压的高低，从而控制输出功率。这种控制方式存在的缺陷是：当直流电压不在最高点时，即系统在非满功率输出时，整流移相角远离0°，这将降低整流器的功率因数。在负载特性变化较大或者需要频繁调节功率的应用场合，功率因数无法得到保证。

发明内容

本实用新型的目的主要是为了解决传统大功率并联谐振式电源功率因数低的问题，提供一种并联谐振式电源系统，该电源系统能够在全范围无级调功的同时始终保持较高的功率因数，从而有效地减少线路损耗，提高用电效率。

本实用新型采用的技术方案是：

一种并联谐振式电源系统，包括：进线开关，整流电路，其输入端与所述进线开关连接，至少一个直流滤波电抗，电流型逆变电路，其输入端的其中一路与所述至少一个直流滤波电抗的输出端连接，其输出端并联有并联谐振电路；所述并联谐振电路包括至少一个并联补偿电容和负载线圈；所述并联谐振式电源系统还包括：至少一个直流滤波电容，并联在所述整流电路的输出端；斩波电路，其输入端并联在所述至少一个直流滤波电容的两端，输出端的其中一路与所述至少一个直流滤波电抗的的输入端连接。

所述直流滤波电容是为了滤除或减小整流电路的输出电压纹波，得到较为平整的直流电压。该直流电压经过所述斩波电路之后，在其输出端输出占空比可调的方波电压，进而在所述直流滤波电抗上生成稳定且可调的直流电流，作为电流型逆变电路的输入电流源；所述并联补偿电容与负载线圈并联，组成并联谐振电路，共同作为电流型逆变电路的输出。

作为进一步的方案，所述电流型逆变电路包括至少4只晶闸管组成的H桥逆变电路。通过控制晶闸管的门极触发时序及间隔，使得该逆变电路输出方波电流，且方波频率高于或略高于输出侧的并联谐振电路的谐振频率。

作为进一步的方案，所述负载线圈包括至少一个由水冷铜管绕制而成的线圈。在这种负载形式下，并联谐振电容和线圈并联组成并联谐振电路；线圈Lp的电压等于并联谐振电容上的电压。

作为进一步的方案，所述负载线圈包括至少一个升压电容和至少一个由水冷铜管绕制而成的线圈，所述升压电容与线圈采用串联方式连接。在这种负载形式下，升压电容，线圈两者串联后再与并联谐振电容并联，组成并联谐振电路；线圈上的电压等于并联谐振电容上的电压与升压电容上的电压之和。

作为进一步的方案，所述的斩波电路包括：至少一个全控型开关器件和至少一个二极管，全控型开关器件与二极管连接成串联电路，该串联电路的两端作为斩波电路的输入端，所述至少一个二极管的两端作为所述斩波电路的输出端。通过控制该全控型开关器件的导通时间和关断时间，在该输出端输出占空比可调的方波电压；通过调节该方波电压的占空比来调节直流滤波电抗上的直流电流大小，从而实现系统功率的无级调节。

作为进一步的方案，所述的整流电路包括：至少6只二极管组成的三相全桥不控整流电路。

作为进一步的方案，所述的整流电路包括：至少6只晶闸管组成的三相全桥半控整流电路。

本实用新型与现有技术路线相比的区别是：在整流电路和逆变电路之间增设了斩波器。所达到的效果是：整流电路可始终在全电压模式下运行，从而保证了在大范围调功过程中功率因数不受影响；而将调功的任务交给斩波器来完成。用斩波器来实现调功，更加灵活，稳定。若斩波器采用高频开关器件，则可以实现直流滤波电抗的小型化，节约成本。也可以通过共用直流母线的方式来实现多套斩波器之间的并联运行，达到扩展功率的目的。

附图说明

图1是传统的并联谐振式电源结构。

图2是本实用新型提供的高功率因数并联谐振式电源结构。

图3 是由4只晶闸管组成的电流型逆变器（桥臂由单只晶闸管组成）。

图4是多只晶闸管串联组成的电流型逆变器（桥臂由多只晶闸管串联组成）。

图5是负载线圈的电路形式之一。

图6是负载线圈的电路形式之二。

图7是斩波器的电路形式之一。

图8是斩波器的电路形式之二。

图9是桥臂由单只二极管组成的三相全桥不控整流电路。

图10是桥臂由多只二极管串联组成的三相全桥不控整流电路。

图11是桥臂由单只晶闸管组成的三相全桥半控整流电路。

图12是桥臂由多只晶闸管串联组成的三相全桥半控整流电路。

图13高功率因数并联谐振式电源系统的实现方式1。

图14高功率因数并联谐振式电源系统的实现方式2。

具体实施方式

现在结合参考附图，对本实用新型作进一步说明，更充分地描述示例实施例。

需要指出的是，这里公开的特定的结构上和功能上的细节只是代表性的以用于描述示例实施例的目的。但是，示例实施例可以以许多替换的形式实现并且不应被理解为限于这里阐述的示例实施例。

应该理解，不打算限于公开的特定的示例实施例，而是相反，示例实施例将覆盖落入本公开的范围的全部修改、等价物、和替换。全部附图的说明中相同的数字或符号指代相同或功能完全相同的元件。

不难理解，这里使用的术语"和/或"包括一个或更多个相关的列出的条目的任意和所有组合。

不难理解，当一个元件被称为"连接"或"耦接"到另一元件时，它可以直接连接到或耦接到其他元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为"直接连接"或"直接耦接"到另一元件时，则不存在中间元件。应当以类似的方式解释用于描述元件之间的关系的其他单词(例如"在. . .之间"与"直接在. . .之间" "相邻"与"直接相邻"等)。

参见图2，图13，图14所示高功率因数并联谐振式电源结构及实现方式，其包括进线开关1，整流电路2，直流滤波电容3（即图2、图13、图14中的电容Cd），斩波电路4，直流滤波电抗5，电流型逆变电路6，并联补偿电容7（即图2、图13、图14中的电容Cp），负载线圈8。

其工作原理为：交流供电侧（一般为三相交流电）经进线开关1来控制主电源的开断，进线开关1后端连接到整流电路2的输入端；由整流电路2将交流电转换成直流电；整流电路2的输出端与直流滤波电容3并联连接；直流滤波电容3起到滤除或减小整流电路2的输出电压纹波的作用，从而在直流滤波电容3上得到较为平整的直流电压；直流滤波电容3与斩波电路4的输入端并联连接，为斩波电路提供直流电压源，同时直流滤波电容3还起到滤除斩波电路工作过程中产生的高频开关电流的作用；斩波电路4由一个全控型开关器件K1和一个二极管K2串联而成，当该全控型开关器件导通时，斩波电路4输出直流滤波电容3上的全电压；当该全控型开关器件关断时，斩波电路4的输出电流通过二极管续流而输出“零”电压；因此可以用通过控制该全控型开关器件的导通时间和关断时间，在斩波电路4的输出端输出占空比可调的方波电压；通过调节该方波电压的占空比可以调节后级所接直流滤波电抗5上的直流电流大小，从而实现系统功率的调节；直流滤波电抗5串接在斩波电路4和电流型逆变电路6之间；直流滤波电抗5上生成稳定且可调的直流电流，作为电流型逆变电路6的输入电流源；该电流源经过电流型逆变器6的转换后，在电流型逆变器的输出生成频率可调而占空比为50%的方波电流I_OUT；电流型逆变器6输出端接并联补偿电容7和负载线圈8组成的谐振电路。电流型逆变器6输出的方波电流I_OUT经过并联补偿电容7进入谐振电路，作为谐振电路的激励电流。当激励电流的频率接近或等于谐振电路的谐振频率时，将引发谐振电路的共振放大效应，使得在Cp-Lp的谐振回路上产生远大于激励电流I_OUT的谐振电流I_LP,即有：I_LP=Q*I_OUT （一般来讲Q>10）；该谐振电路I_LP即是负载线圈上的电流。这就达到了将交流进线侧的电能源源不断输送到负载上的目的。

电流型逆变器6的示例实施例如图3、图4所示。图3为四只晶闸管组成的电流型逆变器，每个桥臂上单只晶闸管；图4为多只晶闸管串联组成的电流型逆变器，每个桥臂上有多只晶闸管串联。一般来讲，图4图采用多管串联是为了降低单只晶闸管的电压等级，或是为了提高系统可靠性，从基本功能和原理上讲并无区别。

负载线圈8的示例实施例如图5、图6所示。有两种典型的电路形式：如图5所示的形式之一是最简单的，负载线圈8由至少一个水冷铜管绕制而成的线圈Lp组成；在这种负载形式下，并联谐振电容7是和水冷铜管绕制的线圈Lp并联连接组成并联谐振电路，线圈Lp上的电压等于并联谐振电容7上的电压。图6所示的形式之二在形式之一的基础上增加了至少一个升压电容Cp2；升压电容Cp2与线圈Lp采用串联方式连接；在这种负载形式下，升压电容Cp2和线圈Lp两者串联后，再与并联谐振电容7并联组成并联谐振回路；线圈Lp上的电压等于并联谐振电容7上的电压与升压电容Cp2上的电压之和。因此采用负载形式2通常是为了保持供电电压不变的情况下提高线圈Lp的电压。对这两种负载形式而言，在控制和原理上并无太大区别。

斩波电路4的示例实施例如图7、图8所示。图7、图8所示两种形式的斩波电路，均是通过控制全控型开关器件K1的导通和关断来在输出端输出方波电压。所述全控型开关器件可以是具有栅极、漏极、和源极并且能够经受相对高的电压的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)或IGCT(集成门极换流晶闸管)。图7、图8示例实施例中的全控型开关器件为IGBT。

整流电路2的示例实施例如图9、图10、图11、图12所示。图9、图10采用了多只大功率二极管组成三相全桥不控整流电路，将三相输入交流电转成直流电输出。图11、图12则采用了多只大功率晶闸管组成三相半控整流电路。采用图11、图12这种半控整流电路的目的是：启动过程中，可以通过控制晶闸管触发角来实现输出电压的缓慢上升，即实现软起动；或在极端应用场合，窄范围的调节输出电压，而不至于对功率因数造成太大的影响；而在常规的稳态工作中，控制晶闸管的触发角到最小，从而全电压输出。因为常态工作情况下，图11、图12的运行状态与二极管不控整流桥的功能相同，因此图11、图12所示三相半控整流电路并未背离本专利的精神实质，即主要通过斩波电路而非整流电路的调压来保证功率因数。

图13、图14示例实施例中的整流电路还添加了限流电感Ls1、Ls2。添加限流电感Ls1、Ls2的目的是为了减小输入冲击电流，从而减小输入侧的电流谐波。限流电感Ls1、Ls2可以是变压器的输出漏感、线路寄生电感、一般铁芯或空心电抗器等。此外，在实际实施中，还应对各功率开关器件加吸收电路以防止过高的电压、电流、电压变化率、电流变化率等带来的器件损坏风险。

本实用新型并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本专利的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本专利的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种并联谐振式电源系统，包括：

进线开关（1），

整流电路（2），其输入端与所述进线开关（1）连接，

至少一个直流滤波电抗（5），

电流型逆变电路（6），其输入端的其中一路与所述至少一个直流滤波电抗（5）的输出端连接，其输出端并联有并联谐振电路；

所述并联谐振电路包括至少一个并联补偿电容（7）和负载线圈（8）；

其特征在于，所述并联谐振式电源系统还包括：

至少一个直流滤波电容（3），并联在所述整流电路（2）的输出端；

斩波电路（4），其输入端并联在所述至少一个直流滤波电容（3）的两端，输出端的其中一路与所述至少一个直流滤波电抗（5）的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种并联谐振式电源系统，其特征在于：所述电流型逆变电路（6）包括由至少4只晶闸管组成的H桥逆变电路，用于输出频率高于所述并联谐振电路的谐振频率的方波电流。

3.根据权利要求1所述的一种并联谐振式电源系统，其特征在于：所述负载线圈（8）包括至少一个线圈（Lp）。

4.根据权利要求3所述的并联谐振式电源系统，其特征在于：所述负载线圈（8）还包括与所述至少一个线圈（Lp）串联的至少一个升压电容（Cp2）。

5.根据权利要求1所述的一种并联谐振式电源系统，其特征在于：所述斩波电路（4），包括连接成串联电路的至少一个全控型开关器件和至少一个二极管，该串联电路的两端作为斩波电路的输入端，所述至少一个二极管的两端作为所述斩波电路（4）的输出端。

6.根据权利要求1所述的一种并联谐振式电源系统，其特征在于：所述整流电路（2），包括由至少6只二极管组成的三相全桥不控整流电路。

7.根据权利要求1所述的一种并联谐振式电源系统，其特征在于：所述整流电路（2），包括由至少6只晶闸管组成的三相全桥半控整流电路。

Images