逆變電源啟動(dòng)電路結(jié)構(gòu)分析與研究

魏桂霞

摘要：對(duì)幾種典型的啟動(dòng)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和比較，并提出了一種新的啟動(dòng)電路結(jié)構(gòu)方案。它不僅適用于并聯(lián)負(fù)載諧振逆變器，也可以推廣到其他形式負(fù)載諧振逆變器。

關(guān)鍵詞：晶閘管逆變感應(yīng)電源；啟動(dòng)電路；諧振電路信號(hào)

中圖分類號(hào)：TM924文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-1145(2009)09-0141-02

晶閘管逆變感應(yīng)電源在冶煉、淬火、透熱等方面得到了十分廣泛的應(yīng)用，占有重要的市場(chǎng)份額，因而使許多學(xué)者、企業(yè)倍加關(guān)注?；陔娫吹膯?dòng)問(wèn)題，一直是該領(lǐng)域?qū)W者研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。針對(duì)這些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者從不同的應(yīng)用角度出發(fā)研究設(shè)計(jì)一些啟動(dòng)電路。下面對(duì)幾種典型的啟動(dòng)電路結(jié)構(gòu)原理做一簡(jiǎn)要分析和比較。

一、幾種啟動(dòng)電路結(jié)構(gòu)分析

目前，晶閘管逆變感應(yīng)電源啟動(dòng)電路盡管有多種實(shí)現(xiàn)方法，但在結(jié)構(gòu)形式上一般都可以概括為“它激轉(zhuǎn)自激”。所謂的它激轉(zhuǎn)自激，就是在附加能量或信號(hào)的作用下啟動(dòng)晶閘管逆變感應(yīng)電源，從而在負(fù)載諧振電路獲取電壓或電流信號(hào)(自激信號(hào))，實(shí)現(xiàn)在自激信號(hào)作用下運(yùn)行。

(一)“負(fù)載充磁式”啟動(dòng)電路

該啟動(dòng)電路是一種傳統(tǒng)的啟動(dòng)電路，該啟動(dòng)電路結(jié)構(gòu)的基本思想是：在啟動(dòng)前用充電器向貯能電容充電，充電結(jié)束后，向負(fù)載諧振電路放電，使負(fù)載諧振電路處于諧振狀態(tài)，從而獲取負(fù)載諧振電路的電壓或者電流信號(hào)，經(jīng)處理后作為逆變橋的觸發(fā)脈沖信號(hào)。這是一種利用附加能量產(chǎn)生自激信號(hào)，屬于“它激轉(zhuǎn)自激”的結(jié)構(gòu)形式。這種電路的不足之處是：?jiǎn)?dòng)瞬間有一個(gè)較高的階躍電壓輸出，造成對(duì)設(shè)備及電網(wǎng)的沖擊；啟動(dòng)操作自動(dòng)化程度較低；啟動(dòng)電路所需要的器件成本高。

(二)“它激轉(zhuǎn)自激”啟動(dòng)電路

這是一種比較先進(jìn)的電路，該啟動(dòng)電路結(jié)構(gòu)的基本思想是；將一個(gè)頻率可調(diào)的脈沖信號(hào)作為逆變橋晶閘管的觸發(fā)信號(hào)。啟動(dòng)初，電源工作在它激狀態(tài)，當(dāng)輸出電壓達(dá)到一定幅值時(shí)，負(fù)載諧振電路信號(hào)已足夠大，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路將負(fù)載諧振電路信號(hào)作為逆變橋晶閘管的觸發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)它激轉(zhuǎn)自激的啟動(dòng)過(guò)程。這種啟動(dòng)電路方案自動(dòng)化程度較高，實(shí)現(xiàn)了零電壓?jiǎn)?dòng)功能，缺點(diǎn)是它激信號(hào)的頻率必須調(diào)至接近電源的工作頻率。并且逆變橋觸發(fā)脈沖有轉(zhuǎn)換的過(guò)程，在一定程度上影響啟動(dòng)的可靠性。文獻(xiàn)提出了附加震蕩啟動(dòng)方案，也是一種它激轉(zhuǎn)自激結(jié)構(gòu)形式，但這種電路只適用于串并聯(lián)負(fù)載諧振電路，因而不具有普遍意義。

(三)“自激-外橋轉(zhuǎn)內(nèi)橋式”啟動(dòng)電路

文獻(xiàn)提出了自激-外橋轉(zhuǎn)內(nèi)橋啟動(dòng)電路結(jié)構(gòu)，該電路結(jié)構(gòu)的基本思想是在啟動(dòng)時(shí)借助一個(gè)輔助橋臂使負(fù)載總阻抗增高。從而減小負(fù)載諧振電路的能量損耗，便于捕捉到自激信號(hào)。啟動(dòng)瞬間，由于擾動(dòng)電壓和電流存在，產(chǎn)生的微弱自激信號(hào)經(jīng)處理后去觸發(fā)外橋工作，當(dāng)自激信號(hào)足夠大時(shí)，轉(zhuǎn)而觸發(fā)內(nèi)橋工作，實(shí)現(xiàn)利用自激信號(hào)啟動(dòng)的過(guò)程。該啟動(dòng)電路具有操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，具有零電壓?jiǎn)?dòng)功能。不足之處逆變橋觸發(fā)信號(hào)雖然采用自激信號(hào)還存在外橋轉(zhuǎn)內(nèi)橋的轉(zhuǎn)換過(guò)程，因而對(duì)啟動(dòng)可靠性同樣存在一定的影響，并且所需元器件較多成本高，控制電路也比較復(fù)雜。

通過(guò)對(duì)上面幾種常用啟動(dòng)電路結(jié)構(gòu)的分析和比較，可知每種啟動(dòng)電路都存在一定的缺陷。那么怎樣揚(yáng)長(zhǎng)避短設(shè)計(jì)出一種更完善的啟動(dòng)電路呢?本文下面提出一種新的啟動(dòng)電路結(jié)構(gòu)。

二、自激—零電壓?jiǎn)?dòng)電路

(一)自激—零電壓?jiǎn)?dòng)電路結(jié)構(gòu)

這種啟動(dòng)電路結(jié)構(gòu)不需要附加信號(hào)(它激信號(hào)或能量)，而是將負(fù)載諧振回路中捕捉到的微弱電壓、電流信號(hào)(自激信號(hào))，經(jīng)過(guò)技術(shù)處理后觸發(fā)逆變橋晶閘管、直接啟動(dòng)電源。其結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。圖1具有最簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)，是眾多學(xué)者多年來(lái)所追求的理想電路結(jié)構(gòu)形式。同時(shí)也可以看到了預(yù)充磁、它激轉(zhuǎn)自激、外橋轉(zhuǎn)內(nèi)橋等電路結(jié)構(gòu)所做的種種努力都是為獲取—個(gè)具有足夠能量的有效自激觸發(fā)信號(hào)。

從圖2可以看出，由VT1～VT4及逆變橋外圍電路構(gòu)成一個(gè)電橋，其輸入端與三相整流橋的輸出相接，其輸出AB端作用在負(fù)載諧振電路上。在三相整流橋有輸出電壓的瞬間(即啟動(dòng)瞬間)，由于電橋所屬元器件電氣參數(shù)的離散性和擾動(dòng)電壓的作用使電橋處于不平衡狀態(tài)，因而AB兩端必有電壓存在，而且在啟動(dòng)瞬間可以認(rèn)為是一個(gè)恒壓，負(fù)載諧振電路在這個(gè)電壓作用下產(chǎn)生了諧振信號(hào)(自激信號(hào))。

(三)捕捉自激信號(hào)的關(guān)鍵技術(shù)措施

1．在負(fù)載諧振回路中設(shè)置啟動(dòng)電感L_Q。由于諧振回路等效直流電阻較小和補(bǔ)充能量的不足，在負(fù)載諧振電路產(chǎn)生有效自激信號(hào)的時(shí)間很短，加之對(duì)自激信號(hào)進(jìn)行處理的電路有延時(shí)性，因而在啟動(dòng)瞬間不易捕捉到自激信號(hào)，造成啟動(dòng)失敗。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在負(fù)載諧振回路設(shè)置一個(gè)啟動(dòng)電感L_Q。其原理是：在負(fù)載回路諧振期間，L_Q兩端必產(chǎn)生一個(gè)自感電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)楞次定律，該自感電動(dòng)勢(shì)所產(chǎn)生的電流總是阻礙原來(lái)電流變化的。即在相同的啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)減少了自激信號(hào)的衰減速度，使產(chǎn)生自激信號(hào)的周期數(shù)增加，為捕捉自激信號(hào)贏得了時(shí)間，提高了啟動(dòng)的可靠性。另外，由于L_Q電感量很小，對(duì)電源正常工作時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生影響，同時(shí)還具有抑制di／dt的作用。

2．自激信號(hào)采用高阻匹配方式

捕捉到的自激信號(hào)強(qiáng)度很弱，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理的過(guò)程中要采用高阻匹配的方式。以降低自激信號(hào)能量損耗，其主要措施如圖3所示。

D₁和D₃、和D₄串接，其主要目的是在啟動(dòng)瞬間D₁～D₄工作在非線性區(qū)內(nèi)，從而可以獲得較高的輸出阻抗與T匹配。T為高輸入／輸出電阻隔離變壓器，Ic為高輸入內(nèi)阻的集成放大電路。

三、結(jié)論

經(jīng)過(guò)采取上述這些技術(shù)措施，就可以很容易地將自激信號(hào)進(jìn)行處理，形成逆變橋晶閘管所需的有效觸發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了用白激信號(hào)直接啟動(dòng)電源的目的。該啟動(dòng)電路與其他啟動(dòng)電路比較不需要附加能量，不需要它激轉(zhuǎn)自激和外橋轉(zhuǎn)內(nèi)橋的過(guò)程，從而使啟動(dòng)性能更加可靠。具有操作維護(hù)方便、電路簡(jiǎn)單。大幅度降低了成本等優(yōu)點(diǎn)，它不僅適用于并聯(lián)負(fù)載諧振逆變器。也可以推廣到其他形式負(fù)載諧振逆變器。

參考文獻(xiàn)

[1]孟志強(qiáng)，何志勇．晶閘管中頻感應(yīng)逆變電源的附加震蕩啟動(dòng)方法[J]．電力電子技術(shù)，2003，37(6)．

[2]杜錦才，丁大慶．并聯(lián)逆變電源的外橋自激啟動(dòng)電路[J]．電力電子技術(shù)．1999．33(4)．