大功率串联中频电源晶闸管均流问题的分析

刘书忠，庞河临，毛 海，3，王小伟，3

(1.山西太钢不锈钢股份有限公司 炼钢二厂，山西 太原 030003； 2.西安电炉研究所有限公司，陕西 西安 710061；3.西安慧金科技有限公司，陕西 西安 710061)

感应加热设备主要应用于金属熔炼、透热及表面淬火等方面，感应加热设备的核心部分是中频谐振电源，而在中频谐振电源领域，晶闸管电源以容量大，耐压高、效率高、可控制等优点被广泛应用于中频电源中[1]。在中频炉熔炼方面，熔炼设备功率越大，效率越高，吨钢电耗越低，所以大功率中频熔炼设备在节能方面有较大优势。由于单个晶闸管可通过的电流有限，所以大功率的串联谐振电源都需要多组晶闸管组成逆变单元并联使用，因此研究多组晶闸管并联引起的不均流问题是很有意义的。

晶闸管串联谐振中频电源具有启动可靠性高、功率因数高，电能利用效率高的优点，线圈电流完全流过逆变单元，通过控制逆变单元可完全控制线圈电流，缺点是过大的线圈电流需要多组逆变单元并联分流使用[2]。而多组逆变单元并联使用时，晶闸管因自身特性差异、电流路径等差异，往往会导致各个逆变单元不均流。晶闸管不均流现象严重时，会损坏器件，增加设备故障率，影响工厂生产[3]。

1 基本情况

某项目现场4 500 kW串联谐振中频电源出现多组并联逆变单元不均流的现象，现场电源逆变部分结构布置如图1所示。

电源功率达到满功率4 500 kW输出时，现场通过罗氏线圈对每组逆变单元分别测量各支路电流，测量数据如表1所示。分析数据可得，靠近电容器组的第五组和第六组逆变单元通过的电流是远离电容器组的第一组和第二组逆变单元电流的2倍左右，导致了靠近电容器组的晶闸管过负荷运行，晶闸管多次损坏；同时也导致靠近电容器组的电源柜柜门发热，现场温度超过60 ℃，高出设计标准。

图1 某项目现场4 500 kW串联中频谐振电源逆变部分结构图

表1 4 500 kW中频电源满功率输出时各支路电流值 A

2 大功率串联谐振电源中影响晶闸管均流的因素分析及改善方法

(1)各并联支路阻抗不同，会引起通过各支路的电流不均衡。逆变单元设计时需要保证每个单元的逆变回路结构基本一致，由于安装螺栓松紧等因素会使各路接触电阻有差异，而大截面铜排连接性较好，一般阻抗很小，在每一路逆变单元中串联一个阻抗值较大的器件，可以有效的减小由于各路阻抗不同而导致的并联器件不均流。

(2)并联使用的晶闸管开关不同步也会引起动态电流不均衡。并联器件开通时间不一致不仅会造成开通过程中的动态不均流，而且对并联器件稳定导通后电流分布的均衡也有较大的影响，并联支路存在一定的电感L(线路分布电感和均流电感或动态强迫均流所加的均流电感)，晶闸管导通时其动态电阻Rcm一般很小，并联器件先后导通的电流差衰减速度由支路时间常数L/Rcm决定，当时间常数较大时，会造成并联器件通态时电流不均衡。尤其在电路工作频率较高时，每次导通周期的时间短，有可能到器件导通终止时还没达到稳定分布电流值，引起稳态电流分配的不均衡。

(3)晶闸管的开关时间除了与器件本身的内部参数有关外，还与晶闸管外电路门极驱动信号有很大的关系，采用强触发可以大大降低器件参数的影响，采用同一驱动源的驱动器可以消除由于驱动电路延迟时间不同而产生的影响。

(4)电源结构方面，当并联器件分布在同一平面且工作电流较大时，在不同位置上的器件就会有不同的电流值，主要与引出母线的位置有较大关系。引线电感、互感和电磁场相互作用的结果，会使各支路阻抗不同。半桥串联逆变电路如图2所示。

图2 半桥串联逆变电路

C是直流滤波电容，C1和C2是补偿电容，且满足≪C1=C2≪C，整流输出电压Ud经过C滤波变成更加平稳的直流电压，因此C相当于一个直流电压源。L是感应线圈的电感。由于Ic远大于Id，分析时可以忽略Id。

每个逆变周期开始时，晶闸管T1获得触发信号，晶闸管T1正向导通，晶闸管T2、二极管D1、D2关闭，主回路存在两个回路电流，回路1的路径是C→T1→L→C2→C，回路2的路径是C1→T1→L→C1，两个回路电流都经过T1和L，所以流经T1的电流可以看做两个回路各自流经T1的电流叠加。其中C1和C2代表参数相同的谐振电容器组，流经C1的电流IC1和流经C2的电流IC2大致相等，则IC≈IC1=IT1。

随着系统谐振负载电流IL逐渐减小至零后反向，T1关闭。D1开始续流。负载电流IL也是由两个回路叠加而成，回路1的路径是C→D1→L→C2→C，回路2的路径是C1→D1→L→C1，则IC≈IC1=ID1。

当晶闸管T2获得触发信号导通时，晶闸管T1、二极管D1、D2关闭，负载电流IL也是由两个回路叠加而成，回路1的路径是C→C1→L→T2→C，回路2的路径是C2→T2→L→C2，则IC≈IC2=IT2。

随着系统谐振负载电流IL反向后，T1关闭。D2开始续流。负载电流IL也是由两个回路叠加而成，回路1的路径是C→C1→L→D2→C，回路2的路径是C2→L→D2→C2，则IC≈IC2=ID2。

某项目现场的4 500 kW串联谐振电源是6组逆变单元并联使用，如图1所示，由于第一组和第二组结构上对称、第三组和第四组结构上对称、第五组和第六组结构上对称，分析可简化至只分析一、三、五组逆变单元，把晶闸管与其配套的续流二极管简化为一个模快，则结构图如图3所示：

图3 现场原设计主回路布局示意图

其中TD11代表第一组逆变单元的上桥臂，TD12代表第一组逆变单元的下桥臂，TD31代表第三组逆变单元的上桥臂，TD32代表第三组逆变单元的下桥臂，TD51代表第五组逆变单元的上桥臂，TD52代表第五组逆变单元的下桥臂。当所有逆变单元的上桥臂导通时，下桥臂关断，负载电流IL由以下两个回路叠加而成：回路1中电流路径为C→(TD11+TD31+TD51)→L→C2→C。从图3所示结构中可明显看出，越靠近逆变电容器组的逆变单元支路路径越短，支路阻抗越小，则流经第一组、第三组、第五组逆变单元的电流ITD11

当所有逆变单元的下桥臂导通时，通过并联使用的晶闸管的电流与上桥臂导通时一样，越靠近电容器组的逆变单元，通过的电流越大，不均流的现象越严重。

整改后的电源结构如图4所示：

图4 现场整改后主回路布局示意图

当所有逆变单元的上桥臂导通时，负载电流IL由以下两个回路叠加而成：回路1中电流路径为C→(TD11+TD31+TD51)→L→C2→C，从图4所示结构中可看出，三组逆变单元支路路径基本相等，支路阻抗也基本相等，则流经第一组、第三组、第五组逆变单元的电流近似ITD11=ITD31=ITD51；回路2中电流路径为C1→(TD11+TD31+TD51)→L→C1，也可从图4中看出越靠右(靠近谐振电容器组)的逆变单元支路路径越短，支路阻抗越小，则流经第一组、第三组、第五组逆变单元的电流ITD11

当所有逆变单元的下桥臂导通时，通过并联使用的晶闸管的电流与上桥臂导通时一样，靠近逆变晶闸管的电流稍大于通过另一侧晶闸管的电流。

3 现场采取的改进措施

(1)紧固所有的连接铜排上的安装螺栓，连接接触面涂导电膏，减小因接触电阻引起的并联单元阻抗不同。

(2)现场再次检查晶闸管标牌上的参数，确保电源柜中所有的晶闸管门槛电压VTO、通态斜率电阻Rt等参数差异很小。在电源装配应尽量采用同厂家、同型号、同批次生产的器件进行并联。如果有晶闸管损坏时，应尽量采用与并联晶闸管参数较为相近的器件更换。

(3)检查谐振电源的控制系统及驱动信号同步性。更换了具有强触信号的光纤触发板，新更换的触发板采用独特的模块化设计，触发信号采用光纤传输，信号一致性好，增加了抗干扰性，降低了故障率。

(4)分析主回路电流路径，确实存在主回路路径不合理的问题，现场整改电源，调整直流滤波电容的位置，整改后靠近电容器组的第五组和第六组逆变单元通过的电流2 720 A左右，第三组和第四组逆变单元通过的电流3 000 A左右，第五组和第六组逆变单元通过的电流3 280 A左右。合理的主路电流的路径，最终大幅度提高了并联使用晶闸管均流的系数。

根据并联器件均流系数公式(1)可得：

(1)

式中：n为并联器件数。

整改前6组逆变单元并联使用的均流系数为0.732，整改后6组逆变单元并联使用的均流系数为0.914，均流系数有较大幅度提高，明显改善了并联逆变单元不均流的问题。

4 结 论

本文主要以某项目现场4 500 kW串联谐振电源出现的各组逆变晶闸管不均流现象为研究对象，分析影响逆变晶闸管均流的各个因素，结合现场实际情况，整理出串联谐振电源中多组逆变单元并联使用时，影响晶闸管均流的因素及对应的解决方案如下：

(1)并联支路阻抗不同会影响晶闸管均流效果，在保证电源回路各部分连接可靠的情况下，串入一个阻抗较大的器件，可以有效改善因支路阻抗不同引起的晶闸管不均流问题。

(2)并联使用的晶闸管参数一致性不好会影响均流效果，采用强触发信号的驱动板，可有效解决因晶闸管开通不一致引起的晶闸管不均流问题。

(3)谐振电源逆变单元不同的进出线方式会响晶并联闸管电流分配，各组逆变单元主回路路径基本一致，能有效改善因主回路不合理引起的晶闸管不均流问题。