串聯諧振式中頻電源的節能效果分析

王　勇，苑清英，王一岑，常永樂

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008）

串聯諧振式中頻電源的節能效果分析

王勇1，2，苑清英1，2，王一岑1，2，常永樂2

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008）

串聯諧振是中頻電源的一種諧振形式。介紹了中頻電源電路的基本原理，比較分析了串聯諧振和并聯諧振的工作特性，通過在鋼管加熱中的應用實例來證明串聯諧振顯著的節能效果，指出在鋼管加熱中采用串聯諧振式中頻電源具有顯著的節能價值。

鋼管加熱；中頻電源；串聯諧振；并聯諧振；節能效果；比較分析

隨著社會的發展以及人們對環保節能高效需求的提高，用感應加熱電源代替傳統的煤、氣加熱方式，在金屬熔煉、熱處理及工件透熱等行業已得到廣泛應用。但單純標準型的感應加熱設備已經遠遠不能滿足市場的需求，需要的是不斷改進提升的加熱設備，因此節能環保型加熱設備將會有廣闊的市場發展前景。目前用于鋼管加熱的中頻電源逆變電路部分，主要采用的是并聯逆變電路，而對串聯諧振逆變電路的研究相對較少［1-6］。本文將對串聯諧振的工作特性進行分析，并以應用實例來證明其顯著的節能效果。

1　中頻電源電路的核心構件

1.1中頻電源整流器及其類型

無論中頻電源采用何種諧振形式，必須先將三相供電電源整流為直流電源，再將直流電源逆變成單相中頻電源，才能向負載提供電能。

根據逆變器種類的不同，中頻電源采用的整流器形式也不同。整流器共分3種形式：①三相不可控整流器，其輸出電壓取決于電源進線線電壓，整流器的輸出電壓不可控制；因此，不可控整流器必須與一個可調電源輸出功率的逆變器一起使用。②三相全控整流器，通過調節可控硅的控制角α來控制整流輸出電壓，從而調整輸出功率。其優點是整流輸出電壓可控、可調，但存在兩個缺點：一是當整流器的直流輸出電壓下降時，進線電網的功率因數也將隨之下降；二是控制響應時間較慢，因為它不可能比其采用的進線頻率響應更快。當然可以彌補這些缺點，但需采用一些復雜的附加功率器件。③三相半控整流器，該整流器可通過調節可控硅SCR1～SCR3來調節整流電壓［7-9］。

在以上3種整流器中，應用最廣的是三相全控整流器，該整流器的優點是輸出電壓連續可調，適用于各種直流負載電路。中頻電源的并聯諧振逆變器中，由于逆變器的工作頻率必須和其負載LC的振蕩頻率相同才能正常工作，并聯逆變器的輸出功率無法自己調整，必須通過改變其輸入電壓大小才能調整輸出功率；因此，并聯諧振逆變器必須采用三相全控整流器為其提供電能［10］。

三相全控整流器的電壓是通過改變可控硅的α角來調整的。不同的α角，整流輸出的電壓也不同，其輸出電壓為：

式中 Ud——直流電壓（整流器輸出電壓），V；

U——進線電壓，V；

α——可控硅控制角，（°）。

由式（1）可以看出：改變α角就可以改變整流器的輸出電壓。

在不同角度下整流器的輸出電壓波形是不同的，當α=0°時，整流器的輸出電壓是連續的脈動波形，隨著α角增大，電壓波形的脈動值越大；當α∧60°后，整流器的輸出電壓波形不再連續，此時為了保障輸出電流的連續，必須在整流器的輸出端串接一臺電感量很大的續流電抗器LD，同時隨著α角度的改變，整流器的功率因數也會隨之改變。下面來分析α角對功率因數的影響。

忽略可控硅的換相過程和電流脈動，對電路進行分析，三相交流側電流的有效值I與直流側電流Id的關系為：

電流基波I1和各次諧波In的有效值分別為：

式中，n=6k±1，k=1，2，3，…。

電流中僅含6k±1次諧波（k為正整數），各次諧波的有效值與諧波次數成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數的倒數。

由式（2）～（4）可得基波因數ν為：

基波電流與電壓的相位差φ1等于可控硅控制角α，故位移因數λ1為：

功率因數λ即為：

由此可見，整流器功率因數與可控硅的控制角有關。因此，整流器的電壓越低（α角越大），整流器的功率因數越低。

1.2中頻電源逆變器及其類型

中頻電源的逆變器常見的有兩大類：一類為并聯諧振式逆變器，另一類為串聯諧振式逆變器［11-12］。

并聯諧振式逆變器就是電容器C和線圈L連接成并聯式諧振回路，串聯諧振式逆變器是電容器C和線圈L連接成串聯式諧振回路。并聯逆變器和串聯逆變器是中頻電源逆變器的基本形式，但特性各異，目前應用最多的是并聯諧振式逆變器。串聯諧振式逆變器受技術條件限制，在我國發展較晚，至今也只有為數不多的企業能夠生產制造。

并聯諧振式逆變器的輸出電壓為正弦波，電流為方波，采用自激方式控制，其工作頻率為LC的自由振蕩頻率，輸出功率大小根據輸入電壓高低確定，需要恒流源供電。串聯諧振式逆變器輸出電壓為方波，電流為正弦波，采用他激方式控制，通過改變逆變器的頻率來調整逆變器的輸出功率，采用恒壓源為其供電。

2　中頻電源電路的基本形式

通過以上介紹可以看出，并聯逆變器必須采用三相全控整流器作為直流電源，其主電路原理如圖1所示。而串聯逆變器原則上3種整流器均可為其供電，但為了控制方便和節能，一般采用三相不可控整流器或三相半控整流器作為直流電源，如圖2～3所示。其中：a、b、c代表三相，SCR1～SCR10為可控硅，LD為濾波電抗器，L為振蕩線圈，C為振蕩電容器，D1～D8為整流二極管，Cd1、Cd2為濾波電容器，Cn1、Cn2為諧振電容器。

圖1　三相全控整流器并聯諧振式主電路

圖2　三相不可控整流器串聯諧振式主電路

圖3　三相半控整流器串聯諧振式主電路

串聯諧振逆變器雖然采用三相半控整流器提供直流電源，但不用來調壓，只用來在軟啟動和出現故障時作為電子開關，快速切斷電源。正常工作時，可控硅總是處于全導通狀態，其工作特性與圖2所示的三相不可控整流器串聯諧振電路完全相同。一般100 kW以上的中頻電源多采用此種整流方式。

3　串聯諧振與并聯諧振比較

3.1功率因數及無功損耗

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。

根據式（1）和式（6）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）。

3.2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。

3.3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。

3.4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。

4　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。

5　結　語

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。

［1］俞勇祥，陳輝明.感應加熱電源的發展［M］.金屬熱處理，2000（8）：28-29.

［2］范學磊.串聯諧振感應加熱電源研究［D］.鄭州：鄭州大學，2010.

［3］常炳國，王華民.提高感應加熱電源效率的一種方法［J］.工業加熱，1998（6）：4-7.

［4］張志遠，陳輝明.感應加熱電源的最新發展［J］.機械工人：熱加工，1999（3）：6-7.

［5］李艷芳.智能型感應逆變控制器的設計［D］.西安：西安工業大學，2013.

［6］馬騰躍.基于SG3525脈寬調制器的中頻感應加熱電源設計［D］.保定：河北大學，2013.

［7］王兆安.電力電子變流技術［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［8］William Sheperd，Li Zhang.電力變流器電路［M］.沈經，張正南，譯.北京：機械工業出版社，2008.

［9］任國海.電力電子技術［M］.杭州：浙江工業大學出版社，2009.

［10］張居勤.感應加熱技術在鋼管熱處理工藝中的應用［J］.鋼管，2010，39（2）：52-56.

［11］劉鳳君.現代逆變技術及應用［M］.北京：電子工業出版社，2006.

［12］陳道煉.DC-AC逆變技術及其應用［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［13］樓永仁.可控硅中頻技術及其應用［M］.北京：電力工業出版社，1981.

［14］邵宗岐.中頻電爐特征諧波電流的計算［J］.電力電容器與無功補償，2010，31（5）：37-42.

［15］莫正康.半導體變流技術［M］.北京：機械工業出版社，2011.

Analysis on Energy-saving Effectiveness of Application of Series Resonance Medium Frequency Power Supply to Pipe Induction Heating

WANG Yong1，2，YUAN Qingying1，2，WANG Yicen1，2，CHANG Yongle2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods，Baoji 721008，China；2.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.，Ltd.，Baoji 721008，China）

Series resonance is one of the resonance types of medium-frequency power supply.Here in the article the basic principle of the medium frequency power supply circuit is described，and the working characteristics of series resonance and those of parallel resonance are comparatively analyzed.The obvious energy-saving effectiveness of series resonance method is proved with actual application examples thereof in steel pipe heating process.It is concluded that using series resonance medium frequency power supply for steel pipe heating can bring about significant energy-saving effectiveness.

steel pipe heating；medium frequency power supply；series resonance；parallel resonance；energysaving effectiveness；comparative analysis

TG335.75；TM924.5

B

1001-2311（2015）02-0079-04

2014-01-04；修定日期：2015-03-16）

王勇（1958-），男，工程師，主要從事石油天然氣管材制造工藝與裝備研究工作。