大功率串聯中頻電源晶閘管均流問題的分析

劉書忠，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)

感應加熱設備主要應用于金屬熔煉、透熱及表面淬火等方面，感應加熱設備的核心部分是中頻諧振電源，而在中頻諧振電源領域，晶閘管電源以容量大，耐壓高、效率高、可控制等優點被廣泛應用于中頻電源中[1]。在中頻爐熔煉方面，熔煉設備功率越大，效率越高，噸鋼電耗越低，所以大功率中頻熔煉設備在節能方面有較大優勢。由于單個晶閘管可通過的電流有限，所以大功率的串聯諧振電源都需要多組晶閘管組成逆變單元并聯使用，因此研究多組晶閘管并聯引起的不均流問題是很有意義的。

晶閘管串聯諧振中頻電源具有啟動可靠性高、功率因數高，電能利用效率高的優點，線圈電流完全流過逆變單元，通過控制逆變單元可完全控制線圈電流，缺點是過大的線圈電流需要多組逆變單元并聯分流使用[2]。而多組逆變單元并聯使用時，晶閘管因自身特性差異、電流路徑等差異，往往會導致各個逆變單元不均流。晶閘管不均流現象嚴重時，會損壞器件，增加設備故障率，影響工廠生產[3]。

1 基本情況

某項目現場4 500 kW串聯諧振中頻電源出現多組并聯逆變單元不均流的現象，現場電源逆變部分結構布置如圖1所示。

電源功率達到滿功率4 500 kW輸出時，現場通過羅氏線圈對每組逆變單元分別測量各支路電流，測量數據如表1所示。分析數據可得，靠近電容器組的第五組和第六組逆變單元通過的電流是遠離電容器組的第一組和第二組逆變單元電流的2倍左右，導致了靠近電容器組的晶閘管過負荷運行，晶閘管多次損壞；同時也導致靠近電容器組的電源柜柜門發熱，現場溫度超過60 ℃，高出設計標準。

圖1 某項目現場4 500 kW串聯中頻諧振電源逆變部分結構圖

表1 4 500 kW中頻電源滿功率輸出時各支路電流值 A

2 大功率串聯諧振電源中影響晶閘管均流的因素分析及改善方法

(1)各并聯支路阻抗不同，會引起通過各支路的電流不均衡。逆變單元設計時需要保證每個單元的逆變回路結構基本一致，由于安裝螺栓松緊等因素會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一個阻抗值較大的器件，可以有效的減小由于各路阻抗不同而導致的并聯器件不均流。

(2)并聯使用的晶閘管開關不同步也會引起動態電流不均衡。并聯器件開通時間不一致不僅會造成開通過程中的動態不均流，而且對并聯器件穩定導通后電流分布的均衡也有較大的影響，并聯支路存在一定的電感L(線路分布電感和均流電感或動態強迫均流所加的均流電感)，晶閘管導通時其動態電阻Rcm一般很小，并聯器件先后導通的電流差衰減速度由支路時間常數L/Rcm決定，當時間常數較大時，會造成并聯器件通態時電流不均衡。尤其在電路工作頻率較高時，每次導通周期的時間短，有可能到器件導通終止時還沒達到穩定分布電流值，引起穩態電流分配的不均衡。

(3)晶閘管的開關時間除了與器件本身的內部參數有關外，還與晶閘管外電路門極驅動信號有很大的關系，采用強觸發可以大大降低器件參數的影響，采用同一驅動源的驅動器可以消除由于驅動電路延遲時間不同而產生的影響。

(4)電源結構方面，當并聯器件分布在同一平面且工作電流較大時，在不同位置上的器件就會有不同的電流值，主要與引出母線的位置有較大關系。引線電感、互感和電磁場相互作用的結果，會使各支路阻抗不同。半橋串聯逆變電路如圖2所示。

圖2 半橋串聯逆變電路

C是直流濾波電容，C1和C2是補償電容，且滿足?C1=C2?C，整流輸出電壓Ud經過C濾波變成更加平穩的直流電壓，因此C相當于一個直流電壓源。L是感應線圈的電感。由于Ic遠大于Id，分析時可以忽略Id。

每個逆變周期開始時，晶閘管T1獲得觸發信號，晶閘管T1正向導通，晶閘管T2、二極管D1、D2關閉，主回路存在兩個回路電流，回路1的路徑是C→T1→L→C2→C，回路2的路徑是C1→T1→L→C1，兩個回路電流都經過T1和L，所以流經T1的電流可以看做兩個回路各自流經T1的電流疊加。其中C1和C2代表參數相同的諧振電容器組，流經C1的電流IC1和流經C2的電流IC2大致相等，則IC≈IC1=IT1。

隨著系統諧振負載電流IL逐漸減小至零后反向，T1關閉。D1開始續流。負載電流IL也是由兩個回路疊加而成，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。

當晶閘管T2獲得觸發信號導通時，晶閘管T1、二極管D1、D2關閉，負載電流IL也是由兩個回路疊加而成，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。

隨著系統諧振負載電流IL反向后，T1關閉。D2開始續流。負載電流IL也是由兩個回路疊加而成，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。

某項目現場的4 500 kW串聯諧振電源是6組逆變單元并聯使用，如圖1所示，由于第一組和第二組結構上對稱、第三組和第四組結構上對稱、第五組和第六組結構上對稱，分析可簡化至只分析一、三、五組逆變單元，把晶閘管與其配套的續流二極管簡化為一個模快，則結構圖如圖3所示：

圖3 現場原設計主回路布局示意圖

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。當所有逆變單元的上橋臂導通時，下橋臂關斷，負載電流IL由以下兩個回路疊加而成：回路1中電流路徑為C→(TD11+TD31+TD51)→L→C2→C。從圖3所示結構中可明顯看出，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，則流經第一組、第三組、第五組逆變單元的電流ITD11

當所有逆變單元的下橋臂導通時，通過并聯使用的晶閘管的電流與上橋臂導通時一樣，越靠近電容器組的逆變單元，通過的電流越大，不均流的現象越嚴重。

整改后的電源結構如圖4所示：

圖4 現場整改后主回路布局示意圖

當所有逆變單元的上橋臂導通時，負載電流IL由以下兩個回路疊加而成：回路1中電流路徑為C→(TD11+TD31+TD51)→L→C2→C，從圖4所示結構中可看出，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，則流經第一組、第三組、第五組逆變單元的電流ITD11

當所有逆變單元的下橋臂導通時，通過并聯使用的晶閘管的電流與上橋臂導通時一樣，靠近逆變晶閘管的電流稍大于通過另一側晶閘管的電流。

3 現場采取的改進措施

(1)緊固所有的連接銅排上的安裝螺栓，連接接觸面涂導電膏，減小因接觸電阻引起的并聯單元阻抗不同。

(2)現場再次檢查晶閘管標牌上的參數，確保電源柜中所有的晶閘管門檻電壓VTO、通態斜率電阻Rt等參數差異很小。在電源裝配應盡量采用同廠家、同型號、同批次生產的器件進行并聯。如果有晶閘管損壞時，應盡量采用與并聯晶閘管參數較為相近的器件更換。

(3)檢查諧振電源的控制系統及驅動信號同步性。更換了具有強觸信號的光纖觸發板，新更換的觸發板采用獨特的模塊化設計，觸發信號采用光纖傳輸，信號一致性好，增加了抗干擾性，降低了故障率。

(4)分析主回路電流路徑，確實存在主回路路徑不合理的問題，現場整改電源，調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的電流2 720 A左右，第三組和第四組逆變單元通過的電流3 000 A左右，第五組和第六組逆變單元通過的電流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使用晶閘管均流的系數。

根據并聯器件均流系數公式(1)可得：

(1)

式中：n為并聯器件數。

整改前6組逆變單元并聯使用的均流系數為0.732，整改后6組逆變單元并聯使用的均流系數為0.914，均流系數有較大幅度提高，明顯改善了并聯逆變單元不均流的問題。

4 結 論

本文主要以某項目現場4 500 kW串聯諧振電源出現的各組逆變晶閘管不均流現象為研究對象，分析影響逆變晶閘管均流的各個因素，結合現場實際情況，整理出串聯諧振電源中多組逆變單元并聯使用時，影響晶閘管均流的因素及對應的解決方案如下：

(1)并聯支路阻抗不同會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題。

(2)并聯使用的晶閘管參數一致性不好會影響均流效果，采用強觸發信號的驅動板，可有效解決因晶閘管開通不一致引起的晶閘管不均流問題。

(3)諧振電源逆變單元不同的進出線方式會響晶并聯閘管電流分配，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題。