中頻電源的運行原理與無源逆變技術教學實踐

摘要：電力電子課程涉及四大變換及其控制，分別為AC/DC、AC/AC、DC/AC、DC/DC，課程的教學均圍繞這幾個知識點逐一展開。但相關技術的背景、應用對象比較模糊，電路原理的闡述比較抽象，學生缺乏學習的興趣與動力。根據中頻感應加熱技術的原理及其裝備的運行情況，嘗試實施無源逆變技術的案例教學。讓學生在學習課程的同時，獲得該知識點的原理、背景與應用，獲得除知識點之外的現實裝備的概貌與運行情況，建立并加深對該知識點的理解與掌握，逐步建立自身的興趣點與發展方向。教學實踐表明，這種教學方法其效果明顯，師生互動踴躍，學生反映良好。

關鍵詞：中頻電源；無源逆變；案例教學

作者簡介：陳榮（1963-），男，江蘇大豐人，鹽城工學院信息學院院長，教授。（江蘇 鹽城 224051）

中圖分類號：G642.41 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）03-0084-04

電氣工程類專業教學過程中所采用的電力電子技術教材，均為根據專業規范要求，將本技術相關知識領域中涉及的知識點進行抽象而形成的課程教科書。因此，作為專業課，其知識點是實際工程對象工作原理的抽象，其教學過程中知識點的傳授具有高度抽象性，學生的學習過程必然趣味不足，動力不強。

電力電子技術課程涉及四大變換及其控制，按照當前本課程教學所使用的專業教材，以及幾乎所有的教學過程，在講解DC→AC的無源逆變部分時，均就電壓型、電流型無源逆變電路的工作原理進行講解、歸納。實際教學過程中對剛剛涉足工程教育環境的大學生而言，因為缺少工程背景，缺少實際對象支持，即便是教師講課十分生動，說理十分透徹，教學過程都顯得十分枯燥乏味，學生學習興趣不濃。

實際教學過程中，將教學方法做個變更，和學生一起走到現實中來，從現實生活中尋找技術的背景、專業的基礎，改變專業課程教學方法，整合相關教學內容，讓學生從現實中體驗專業課程的真締，激發學生學習專業課程的積極性與主動性，盡快掌握課程的知識點，其結果是對學生課程學習積極性產生深刻影響。[1-5]本文探討借助于中頻電源具體對象，闡述無源逆變技術教學實施過程。[6，7]

一、中頻電源的應用簡介

中頻感應加熱爐又稱中頻電源，是電力電子技術無源逆變的典型應用實例，它將工頻交流電通過整流、濾波、逆變環節，將50Hz工頻交流電變換成1kHz～8kHz中頻電流。該中頻電流通過螺旋線圈產生磁場，當工件置于該磁場時，根據楞次定律，在工件中形成渦流，該渦流產生熱效應（0.24i2Rt），將工件加熱至所需溫度。由于集膚效應，工件表層高密度電流使電能轉變為熱能，工件表層溫度升高，從而實現表面加熱。電流頻率越高，工件表層與內部的電流密度差越大，加熱層越薄。在加熱層溫度超過工件臨界點溫度后迅速冷卻，即可實現金屬材料表面淬火，使工件表面淬硬，而工件內部物理性質不變。

若工件在進行中頻加熱處理時，將工件置于含有活性元素介質中，實現工件加熱和保溫，使介質中活性原子滲入工件表層或形成某種化合物覆蓋層，可以改變表層組織和化學成分，從而使零件表面具有特殊的機械或物理、化學性能，即可實現金屬材料表面化學熱處理。通常在進行化學熱處理（又稱化學滲）前后均需采用其他合適的熱處理，以最大限度地發揮滲層潛力，達到工件心部與表層在組織結構、性能等方面的最佳配合。

表面淬火和化學熱處理均可使工件達到特有的性能，如自行車飛輪表面熱處理。經過處理的自行車飛輪其表面很硬且耐磨，其輪齒又具有比較好的柔性，適合于飛輪與鏈條之間配合與功率傳輸。也有的中頻感應電爐用于稀有金屬的垂熔工藝，使粉末狀金屬成型，如鉬、鎢等金屬的粉末冶金等。

這些都是中頻電源的應用案例，借助于這些實例，讓學生了解無源逆變技術應用領域，并建立初步興趣。為實施無源逆變技術的實例教學，從介紹中頻電源的構成與工作原理開始。

二、中頻電源系統構成與工作原理。

中頻電源主電路采用“交流―直流―交流”變換系統結構，由三相全控橋整流、電感濾波、并聯逆變電路組成。整流器采用三相橋式全控整流電路，輸出脈動直流電經過大電感濾波轉變成恒流輸出，以滿足并聯逆變器的電流源輸入要求。逆變器采用單相橋式逆變電路，負載為C―LR并聯諧振形式。主電路框圖如圖1所示。

為清晰地說明中頻電源工作原理，按電路結構逐步對電路工作情況進行闡述。

1.三相橋式全控整流及電感濾波電路

因后續逆變器對輸入電源性質（電流源）需要，三相橋式全控整流電路輸出采用電感濾波，考慮到電感電流不能突變，經過電感濾波整流電源具有電流源性質。

三相橋式全控整流輸出直流電壓平均值為：

（1）

式中U2為交流輸入相電壓有效值，α為觸發角。

不同α角，其輸出直流電壓可以連續變化，感性負載時電流連續。當α>90°時整流電路處于逆變狀態，負載將向電網回饋能量。

三相橋式全控整流輸出直流電壓經過電感濾波，負載得到平直的直流電壓。因電感濾波時電流不可突變，使該電源對后續負載而言具有電流源性質。因此，后續逆變器供電電源可視為電流源。

濾波電感使整流橋輸出直流電流連續，電流紋波減小，分析時可近似地把整流橋輸出電流看成是一平直電流。濾波電感的另一作用是限制中頻電流進入工頻電網，起隔離高次諧波作用。同時，當無源逆變電路逆變失敗時，濾波電感又可起限制浪涌電流作用，可以實施逆變器短路保護。

這一節內容是整流電路相關知識的回顧，并將所學整流電路知識與實際工程對象的需求結合，加深對所學知識的理解與掌握，建立不同負載性質對整流電路濾波方法要求的一般概念。

2.中頻電源逆變器工作的理論基礎

為說明中頻電源工作原理，先回顧一下電路基礎中并聯諧振的概念，建立該無源逆變電路的理論基礎。

在電感和電容并聯的電路中，當電容的大小變化恰好使電路中負載兩端電壓與輸入電流同相位時，即電源輸出的電能全部被負載電阻消耗，負載便成為電阻性，此時該電路發生了并聯諧振，電路相量圖如圖2所示。

電路發生并聯諧振時，是并聯電容對感性負載的完全補償，電源無需對負載提供無功功率，只需對負載回路提供電阻所需要的有功功率。此時，電路輸入總電流最小，兩分支電流往往大于電路輸入總電流，因此，并聯諧振也稱為電流諧振。電路發生并聯諧振時，電感支路和電容支路中會流過很大的電流，容易造成各支路熔斷器熔斷或燒毀電氣設備。因此，電路設計需考慮各分支電流的影響。

3.中頻電源中逆變電路的工作原理分析

下面通過該逆變電路工作過程，學習電流型逆變電路工作原理。中頻電源并聯逆變電路如圖3。

圖3中，VT7—VT10組成橋式逆變電路，Ld為直流濾波電感，L、r為感應爐等效電路參數。該參數取決于感應爐當時的負載，并隨著工作條件、工件溫度、時間等因素而變化，C為感應爐并聯補償電容，由L、r、C組成并聯諧振電路。CT為電容分支電路電流采樣元件。

逆變橋每一臂為2只晶閘管和2支限流電抗器串聯，橋臂中點與負載相聯。限流電抗器限制逆變橋晶閘管導通時電流上升率（di/dt），使其不超過允許數值。如果橋臂中VT7、VT10和VT8、VT9輪流導通，便可將直流電流Id逆變為交替流動的中頻梯形波電流io輸出。

為使逆變器正常工作，其工作頻率應高于負載諧振頻率。此時，負載回路對輸入中頻梯形電流中高次諧波電流呈現低阻抗，高次諧波電流通過并聯電容短路（容抗）。對中頻梯形波電流中基波電流呈現高阻抗，使逆變器輸出電壓接近正弦波。逆變電路有關波形示于圖6。逆變器電路工作原理分析如下：

電路工作時，在一個周期（逆變器輸出頻率對應周期）內，存在兩個穩定導通階段和兩個換流階段。兩個穩定導通階段是：VT7、VT10穩定導通階段，如圖4（a）；VT8、VT9穩定導通階段，如圖4（b）。

兩個換流階段是：VT7、VT10關斷，VT8、VT9開通階段，如圖5（a）；VT8、VT9關斷，VT7、VT10開通階段，如圖5（b）。圖中 表示器件原來處于通態， 表示器件原來處于斷態。

下面分別說明四個階段逆變電路工作情況。

（1）t1―t2：VT7、VT10穩定導通階段，如圖4（a）及圖6所示，io=Id，t2時刻前，在C上建立了上“+”下“-”的電壓。電流通路為：電源“+”→Ld→VT7→L1→[（L+r）∥C]→L4→VT10→電源“-”。“∥”表示并聯。

（2）t2―t4：t2時刻觸發VT8、VT9，兩管因承受正向電壓開通，電路進入換流階段，如圖5（a）。此時，四個開關管均處于導通狀態。

電容器兩端上“+”下“-”電壓在兩分支回路形成短路電流，如圖5（a）中的ik1、ik2所示。假定電路對稱，可認為ik1=ik2=ik。由于電容放電回路電感影響，該放電電流將按指數規律從零開始增加，，為將電容視為恒壓源時該放電回路終值電流，τ為該回路時間常數。

因此，在電容電壓作用下，VT7、VT10中電流逐步減小，VT8、VT9中電流逐步增大。

（2）

（3）

（4）

當時，，，，VT7和VT10關斷，VT8和VT9導通。其中，當時，，，，該點位于t2―t4的中間點，即t3時刻。此時，負載電流開始反向。

從t2―t4，逆變器完成從VT7、VT10到VT8、VT9的換流過程，其相反的換流過程相同（從t6開始，VT8、VT9關斷到VT7、VT10導通的換流，如圖5（b）所示）。tγ=t4-t2稱為逆變器換流時間。

（3）t4―t6：VT8和VT9穩定導通階段，如圖4（b）所示，io=-Id，t6時刻前，在C上建立了上“–”下“+”的電壓，為后續VT8、VT9關斷轉向VT7、VT10導通創造條件。

VT8和VT9穩定導通階段，電路電流通路為：電源“+”→Ld→VT8→L2→[（L+r）∥C]→L3→VT9→電源“-”。

VT7和VT10電流減到零后，還需要施加一段時間反壓晶閘管才能恢復正向阻斷能力。從t4時刻開始，VT7和VT10關斷，VT8和VT9開通，此時電容上電壓仍為上“+”下“-”，VT7和VT10承受反向電壓，在直流電源作用下，電容開始放電，負載流過電流為恒值反向電流（io=-Id，注：電容放電電流為正弦），當電容放電結束時（t5時刻），電容電壓為零，VT7和VT10承受反向電壓結束。

如圖6可見，VT7和VT10承受反向電壓時間為：tβ=t5-t4，該反壓時間必須大于晶閘管關斷時間tq。注意，如果VT7和VT10還未恢復正向阻斷能力就加上正向電壓，VT7和VT10將重新導通，逆變電路出現逆變失敗。

為了保證電路可靠換流，應該在負載電壓uL（即電容電壓）負向過零點之前（按圖4定相）給VT8和VT9觸發，tδ=t5-t2稱為觸發引前時間，tδ=tγ+tβ。

負載電流io超前負載電壓uL時間為，則超前角為，ω為電路工作頻率，超前角φ也是負載功率因數角。

到此為止，給學生清楚地說明了逆變器進行狀態轉換的過程，負載得到交流電，電路完成從直流到交流的變換。為進一步了解電路工作原理，獲得電路整體概念，需繼續分析電路工作過程中器件兩端電壓及其與電源電壓間的關系。

4.逆變器開關管兩端電壓波形分析

在逆變器工作過程中，當電路從VT8、VT9被觸發、VT7、VT10的電流下降開始到VT8、VT9完全導通，承擔全部負載電流、VT7、VT10完全關斷的時間內，即圖6中的t2～t4之間，逆變器四只開關管均導通，同一分支兩電感上電壓極性相反，四只管子兩端電壓為零。同樣，電路從VT7、VT10被觸發、VT8和VT9電流下降開始到VT7和VT10完全導通、VT8和VT9完全關斷的時間內四只管子兩端的電壓也為零。

按照圖4所定參考方向，VT7和VT10穩定導通期間，VT8和VT9承受的電壓等于電容兩端電壓，；VT8和VT9穩定導通期間，VT7和VT10承受電壓與電容兩端電壓相反，，參見圖4。其波形如圖6所示。

看圖4可知，A、B之間電壓為uVT7和uVT9（或者uVT8和uVT10）的疊加。該電壓為逆變器輸入端電壓，其輸入電流近似為恒定直流電流，因此，逆變器從直流電源獲得功率是脈動的。當uAB為正時，負載從直流電源獲得正功率；當uAB為負時，負載從直流電源獲得負功率，即補償電容將把一部分能量反饋給電源。這其中Ld實現緩沖無功能量。

將負載電流看成矩形波，其基波電流有效值為：

（5）

如果忽略電抗器Ld的損耗，uAB的平均值等于Ud，由圖6可得：

（6）

即中頻負載電壓與輸入直流電壓有以下關系：

（7）

為提高逆變器功率因數，功率因數角φ應盡量減小，對應地負載電流io超前于負載電壓uL的時間就減小，這意味著逆變器晶閘管關斷后承受反壓時間減小，這不利于逆變器可靠工作。此外，觀察公式（7），加大換相關斷時間（加大功率因數角φ）會增加晶閘管電壓定額。因此，兩者需要兼顧，通常取φ=30°左右。

由于中頻電源負載參數（L、r）隨著工件的多少和工件溫度而變化，負載頻率也隨時間變化，為獲得恒定的觸發引前時間，保證逆變器可靠換流，逆變頻率必須隨著負載諧振頻率而變，并始終略高于負載諧振頻率。因此，逆變觸發電路不能采用恒定頻率的他激方式，而必須采用自激方式，即自動跟蹤負載頻率的控制方式。

為此，逆變器觸發同步信號采用由中頻輸出電壓uL和補償電容電流iC的取樣信號按照一定比例合成，該合成信號滯后于補償電容電流而超前于中頻輸出電壓，其過零時刻即為逆變的觸發時刻。如圖7所示，可見逆變觸發頻率始終略高于負載諧振頻率。

逆變觸發同步信號為中頻正弦信號，經高靈敏比較器轉換為方波，在方波上跳沿及下跳沿各送出一個寬度適當的脈沖到相應的逆變晶閘管，即可完成切換頻率自動跟蹤負載諧振頻率的逆變觸發。

到此為止，中頻電源中無源逆變電路工作原理已經說明清楚，并將以前所學電路基礎知識、整流濾波電路知識與無源逆變裝置結合起來，形成對無源逆變裝置比較清晰概念。實際應用中，裝置剛剛加電時如何啟動，還需要給予進一步說明。

三、中頻電源的調功及起動

1.中頻電源的調功

中頻電源功率就是逆變器輸入功率，它可用（8）式表示：

（8）

式中，為負載兩端中頻電壓相量，表示相量取模，r為負載回路交流等效電阻。

由公式（7），中頻電壓UL與直流電壓成正比，調節整流橋輸出電壓，就可調節中頻電源輸出功率。因此，可以通過控制整流橋觸發角來調節中頻電源輸出功率。

2.中頻電源的起動

為使逆變器正常工作，逆變觸發頻率應略高于負載諧波頻率。因負載參數隨工件的多少及工件的溫度等因素變化，故逆變器觸發信號應來自負載本身。但是，逆變器未投入工作時無信號可取，逆變器起動困難。為此，可先進行他勵起動，系統工作后再轉入自勵運行。或者預先給電容進行充電，起動時將電容給負載放電，形成二階衰減振蕩，由檢測電路檢測到觸發同步信號后實現逆變器自勵運行。

四、教學過程的啟示

通過中頻電源系統的工作原理、波形分析、工作狀態描述以及電路的啟動、調功闡述，使學生全面了解無源逆變技術的原理與應用，建立實際裝備的整體概念，形成無源逆變技術應用背景的感性認識，提升了學習興趣與積極性。

從2009屆開始，針對本節的教學活動筆者采取以上的教學方法，從學生問卷調查、學生測評情況來看，學生對這種教學方法十分感興趣，且從這種教學過程中獲得的相關專業知識也十分牢固，在頭腦中比較容易建立起無源逆變電路工作原理的清晰印象。

筆者將進一步總結經驗，開拓教學資源，對電力電子技術課程中主要的知識點采用這種案例的教學方法，以提高本課程的教學效果。

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（責任編輯：王意琴）