中频电源的仿真与分析-电力电子网

摘要：简述了中频电源的工作原理，得出了12脉动整流器的特征谐波含有率与触发角和换相重叠角的关系曲线。适当增大整流变压器的漏电抗可以降低网侧电流的谐波含量，减小整流电路触发角也能够降低网侧电流的总谐波畸变率。最后利用MATLAB仿真软件构造了中频电源模型，仿真结果和实测数据基本吻合。

关键词：中频电源；谐波分析；触发角；换相重叠角

0.引言

近年来，我国有许多炼钢企业陆续开始采用中频炉炼钢，随着中频炉数量和容量的不断增加，中频炉的谐波问题应该受到有关部门的关注。本文利用MATLAB构造了中频电源的仿真模型，研究了其整流变压器漏电抗对晶闸管整流器换相的影响，并在此基础上进一步分析了不同触发角和换相重叠角对整流器网侧电流谐波含有率的影响，最后通过实测数据验证了仿真分析的正确性。

1.中频电源的工作原理

中频炉的电源通常由整流变压器、可控整流器、平波电抗器、滤波电容、逆变器等组成。其简化的电源主电路如图1所示。

图1 中频电源工作原理图

该系统是一个典型的整流逆变（即AC-DC-AC）电能变换装置。电网提供的50Hz工频电能经过整流变的降压后，通过三相桥式整流变为脉动直流。为了减小谐波危害，整流装置通常采用12脉动整流电路。

在直流输出部分，为了得到平滑的直流波形，设置了直流滤波电路，由平波电抗和大容量电解电容构成L型滤波电路，具有减小电流畸变和提高功率因数的作用^[1]。hsR` y--http://www.cn-pe.cnq=r.bG

逆变电路采用单相半桥逆变方式，换流器件为大功率的GTO。这种电路结构简单，所用器件较少，可靠性较高。通过单相半桥逆变电路为负载提供中频电流（500～10000Hz），该电流在熔炉的感应线圈中产生中频交变磁场，使熔炉中的炉料产生感应电动势，从而在炉料中产生涡流，致使炉料被加热升温，直至熔化。

2.中频电源的谐波电流

中频电源注入电网的谐波主要是由整流电路产生的，如果不考虑整流变压器漏电抗的影响，可认为整流阀的换相是在瞬间完成的，整流器网侧电流的波形可以用方波来描述。事实上，整流变压器绕组总有漏电感，由于电感对电流变化的阻碍作用，整流阀的换相就需要一段时间，这段时间以角度来表示称为换相重叠角γ。如果计及换相重叠角，在计算整流器网侧电流时必须对整流阀的换相过程和导通过程分别计算。

对于6脉动整流器，其网侧Ａ相正半周的电流可以采用分段函数来表示^[2]：

(1)

式中α是整流阀的触发角。由于网侧电流波形相对于横轴满足奇对称条件，所以在负半周的表达式为：

(2)

将此展开成傅立叶级数，可得基波电流的有效值和特征谐波电流的有效值分别为：

(3)

(4)

式中n=6k±1(k=1,2,……)，对应的称为6脉动整流电路的特征谐波。由(3)和(4)可得其特征谐波电流的含有率为：

(5)

12脉动整流器是由两组6脉动的三相桥并联组成，因此，在计算其特征谐波电流含有率时公式（5）同样适用，需要注意的是12脉动整流器的特征谐波是12k±1次(k=1,2,……)。图2给出了12脉动整流电路的11次、13次、23次及25次谐波电流含有率与触发角α、换相重叠角γ之间的关系曲线。

(a) (b)

图2 12脉动整流器的特征谐波电流含有率

从图中的曲线可以看出，当触发延迟角α一定时，随着换相重叠角的增大，各次谐波电流含有率迅速减小，这是因为换相过程的出现使电流波形更接近于正弦波的缘故^[3]。在相同的换向角γ下，随着触发角α的增大，各次谐波电流含有率有所减小，这是因为此种情况下变压器较大的漏电抗使网侧电流波形变化缓慢的缘故。图3给出了换相重叠角与变压器漏电抗的变化关系。

图3 换相角与漏抗的关系

从图3中可以看出，当触发延迟角α一定时，换相重叠角γ随着变压器漏电抗L_c的增大而增大。这是因为L_c越大，电抗的储能越大，则相应的换相时间延长，即γ增大。当变压器漏电抗L_c一定时，换相重叠角γ随着触发角α的增大而减小。这是因为α越大，换相时的电压差愈大，电抗释放磁能加快，故换相时间短。

3.基于MATLAB的中频电源仿真

根据前面介绍的工作原理，针对河南某钢厂的中频炉，在MATLAB/SIMULINK环境下建立了中频电源的仿真模型^[4]，如图4所示。

图4 中频电源的仿真模型

该中频炉的功率为8000KW，输出频率为2000Hz，电路主回路中的 L_d1=L_d2=0.08mH，C=0.06F，C₁=C₂=5160μF，R=0.003Ω，L=300 mH。将整流变压器的漏电抗从0.1开始逐步递增到0.3，得出不同触发角和漏电抗作用下的网侧电流总谐波畸变率（THD_i）的仿真结果如表1所示。

表1 整流器网侧电流总谐波畸变率(THD_i，%)

L_c(pu)	0.1	0.15	0.2	0.25	0.3
α=0°	6.53	4.97	3.77	3.01	2.57
α=5°	6.93	5.22	4.09	3.43	3.25
α=10°	8.16	6.39	4.87	4.67	4.51
α=15°	9.30	7.36	6.58	6.35	6.18

从表1可以看出：①当触发角一定时，中频电源网侧电流总谐波畸变率随变压器漏电抗的增大而显著减小，但是在触发角较大的情况下，电流总谐波畸变率减小的趋势变缓；②当变压器漏电抗一定时，网侧电流总谐波畸变率随触发角的增大而升高。

为了掌握中频炉注入电网的谐波水平和对电能质量的影响程度，对该钢厂的中频炉电源进行了谐波测试。表2列出了部分谐波电流的实测数据，其整流变压器漏电抗的标幺值L_c=0.12。

表2 中频电源谐波电流实测数据(单位：A)

序号	I₁[SJ"[M\|=--http://www.cn-pe.cn(!q-F9	I₁₁	I₁₃	I₂₃	THD_i
1	144.2	5.74	3.75	1.10	5.78%
2	135.1	6.40	4.42	1.32	6.53%
3	130.9	7.07	3.31	1.10	6.82%
4	122.9	6.40	3.75*IJdVE--http://www.cn-pe.cndGVP&3W&?	1.32	7.21%
5	112.4	6.18	3.97	0.89	7.39%

从表2中可以看出，随着电流的不断减小（对应的触发角在不断增大），其网侧电流总谐波畸变率也随之增大，这一特点与仿真结果也是一致的。

4.结论

本文作者创新点：通过对中频电源的仿真和分析，得出了12脉动整流器的特征谐波含有率与触发角和换相重叠角的关系曲线，减小整流电路的触发角和增大整流变压器的漏电抗都能够降低网侧电流的总谐波畸变率。这些结论将有益于改进整流电路的谐波特性，减少其对电能质量的影响。

参考文献：

[1] 刘凤君.逆变器用整流电源[M] .北京：机械工业出版社，2004.

[2] 吴竞昌，孙树勤，宋文南，等.电力系统谐波[M] .北京：水利电力出版社，1988.

[3] 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M] .北京：机械工业出版社，2004.

[4] 刘晓兰，孔金生，陈铁军，等.基于MATLAB的“电力电子技术”软件实验系统[J] .微计算机信息，2006，9-2：300-302.

[5] 苏玉刚，陈渝光.电力电子技术[M] .重庆：重庆大学出版社，2003.

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