一种分级变频式多路串联谐振逆变电源制造技术

本实用新型专利技术公开了一种分级变频式多路串联谐振逆变电源，包括整流变压器、三相全桥相控整流器、LC滤波器、H桥逆变器、匹配变压器、负载线圈和n个并联连接的分级变频单元，每个分级变频单元包括电荷泄放器、谐振电容器和切换开关，电荷泄放器与所述谐振电容器并联连接后，一端通过切换开关与所述匹配变压器连接，另一端与负载线圈连接。本实用新型专利技术通过投切不同的分级变频单元和匹配对应的H桥逆变器驱动频率，实现电源的分级变频运行；可在极短时间内泄放谐振电容器中的残存电荷，及时消除切换开关承受的直流偏压，防止切换开关过压烧毁；切换开关采用同步触发策略和同步切换策略控制，控制策略简单，保证电源输出电流频率的无缝切换，电流谐波畸变小。

【技术实现步骤摘要】
一种分级变频式多路串联谐振逆变电源
本技术属于电力电子领域，更具体地，涉及一种分级变频式多路串联谐振逆变电源。
技术介绍
串联谐振逆变电源在感应加热电源、超声波电源、激光器电源和托卡马克电源等各种高频大功率电源设计中被广泛采用。串联谐振逆变电源通常采用AC-DC-AC拓扑，即AC-DC整流和DC-AC逆变。如图1所示，现有技术提供的串联谐振逆变电源主电路拓扑包括整流变压器1、三相全桥相控整流器2、LC滤波器3、H桥逆变器4、匹配变压器5、谐振电容器6、负载线圈7。整流变压器1输入端从10kV电网取电，输出端按相序依次连接三相全桥相控整流器2的三个桥臂输入端；三相全桥相控整流器2由晶闸管TR1、TR2、TR3、TR4、TR5、TR6组成；TR1和TR4、TR3和TR6、TR5和TR2分别组成三个桥臂；三个上管TR1、TR3、TR2共阴极，其输出端接LC滤波器输入正端；三个下管TR4、TR6、TR2共阳极，其输出端接LC滤波器输入负端；LC滤波器3由滤波电感Ld和滤波电容Cd组成；滤波电感Ld一端作为LC滤波器3的输入正端，另一端与滤波电容Cd的正端连接，连接点为LC滤波器3的输出正端；滤波电容Cd的负端同时作为LC滤波器3的输入负端和输出负端；H桥逆变器4由带有反并联二极管的绝缘栅双极型功率管(IGBT)TI1、TI2、TI3和TI4组成；TI1和TI2、TI3和TI4分别组成正桥臂和反桥臂，正桥臂输出端接匹配变压器5输入正端，反桥臂输出端接匹配变压器5输入负端；两个上管TI1和TI3共集电极，与LC滤波器3的输出正端连接；两个下管TI2和TI4共发射极，与LC滤波器的输出负端连接；谐振电容器6和负载线圈7串联成RLC谐振支路，RLC谐振支路自然谐振频率由其谐振电容器6的容值Cr和负载线圈7等效阻抗Lr、Rr共同决定；RLC谐振支路的正端与匹配变压器的输出正端连接，RLC谐振支路的负端与匹配变压器的输出负端连接。为保证电源工作时处于谐振或准谐振状态，H桥逆变器4的驱动频率通常等于或略高于RLC谐振支路的自然谐振频率，此时电源输出电流的频率会稳定在RLC谐振支路的自然谐振频率点附近，无法在电源运行过程中改变。在实际应用中，某些场合(如托卡马克物理实验)要求串联谐振逆变电源输出电流的频率在电源运行过程中能够在多个频率点间自由平滑切换，即分级变频运行，现有技术无法满足相关应用的要求。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本技术的目的在于提供一种分级变频式多路串联谐振逆变电源，旨在解决现有串联谐振逆变电源无法分级变频运行的问题，以满足相关应用(如托卡马克物理实验)的要求。本技术提供了一种分级变频式多路串联谐振逆变电源，包括整流变压器、三相全桥相控整流器、LC滤波器、H桥逆变器、匹配变压器和负载线圈：还包括：n个并联连接的分级变频单元，每个分级变频单元包括电荷泄放器、谐振电容器和切换开关，所述电荷泄放器与所述谐振电容器并联连接后，一端通过所述切换开关与所述匹配变压器连接，另一端与所述负载线圈连接；n为大于等于2的整数。更进一步地，电荷泄放器包括：依次串联连接的石墨泄放电阻Rck和快速晶闸管泄放开关Tck；其中k＝1，2，……n。更进一步地，n个分级变频单元中谐振电容器Crk的容值不同。更进一步地，切换开关与所述谐振电容器串联，且所述切换开关的负端与谐振电容器Crx的正端连接。更进一步地，切换开关包括：反并联连接的正向晶闸管Tsk+和负向晶闸管Tsk-。更进一步地，当电源在fk频率运行时采用同步触发策略控制切换开关：切换开关正向晶闸管Tsk+的触发信号与H桥逆变器TI1、TI4的触发信号保持一致；切换开关负向晶闸管Tsk-的触发信号与H桥逆变器TI2、TI3的触发信号一致。为保证谐振支路电流连续、谐波畸变小，要求晶闸管触发信号适当超前于谐振支路电流信号，即正(负)向晶闸管导通时，适当提前触发负(正)向晶闸管，使得正(负)向晶闸管电流过零自动关断时，负(正)向晶闸管同时开通。由于谐振支路一般工作在准谐振状态，故输出电流相位会滞后于H桥逆变器输出电压相位，在谐振支路处于准谐振状态时采用所述同步触发策略，可使得晶闸管触发信号适当超前于谐振支路电流信号，满足上述要求，保证了谐振支路电流连续、谐波畸变小。更进一步地，当电源运行频率在t0时刻由fa变频至fb时采用同步切换策略控制切换开关：在t0时刻前，H桥逆变器驱动频率为fa，采用同步触发策略控制fa频率对应的切换开关Tsa(Tsa+和Tsa-)；t0时刻时，H桥逆变器驱动频率由fa变频至fb，采用同步触发策略控制fb频率对应的切换开关Tsb(Tsb+和Tsb-)，同时撤去切换开关Tsa的触发控制信号，使之停止工作；其中，a＝1,2，...，n；b＝1,2，...，n；a≠b。若H桥逆变器驱动频率的切换时间点早于或晚于投切对应频率的分级变频单元的时间点，则电源处于不谐振状态，电流波形会紊乱，频率切换过程时间会变长。通过本技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本技术的增益效果是：在现有技术提供的电路拓扑的基础上，设计了n个分级变频单元，电源运行过程中，通过投切不同的分级变频单元和匹配对应的H桥逆变器驱动频率，实现电源的分级变频运行；电荷泄放器采用性能优良的石墨泄放电阻和快速晶闸管泄放开关，可在极短时间内(数十微秒)泄放谐振电容器中的残存电荷，及时消除切换开关承受的直流偏压，防止切换开关过压烧毁；切换开关采用反并联快速晶闸管组，工作频率高达数千赫兹，平均通态电流可达数千安培，开通速度可低至数微秒，保证了电源工作频率高、输出功率大；切换开关采用同步触发策略和同步切换策略控制，控制策略简单，保证电源输出电流频率的无缝切换，电流谐波畸变小。附图说明图1是现有技术提供的串联谐振逆变电源主电路拓扑图；图2是本技术提供的分级变频式多路串联谐振逆变电源主电路拓扑图；图3是本技术提供的分级变频式多路串联谐振逆变电源开关策略示意图；图4是本技术提供的分级变频式多路串联谐振逆变电源放电测试结果示意图；在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为整流变压器、2为三相全桥相控整流器、3为LC滤波器、4为H桥逆变器、5为匹配变压器、6为谐振电容器、7为负载线圈、8为电荷泄放器、9为谐振电容器、10为切换开关、11为分级变频单元。具体实施方式为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。本技术包括：整流变压器，将10kV三相交流电转换成低压三相交流电；三相全桥相控整流器，将低压三相交流电整流成直流电，通过控制移相角来控制直流电大小，调节电源功率；LC滤波器，滤除直流电中高次谐波，保证H桥逆变器输入电压的平整度；H桥逆变器，将直流电变换成交流电，H桥逆变器驱动频率决定电源输出电流频率，为保证电源运行时处于谐振或准谐振状态，H桥逆变器驱动频率需等于或略高于谐振支路的谐振频率；匹配变压器，实现谐振支路阻抗的等效变换，提高电源的输出效率；n个分级变频单元，电源运行时通过投切不同的分级变频单元实现谐振支路自然谐振频率的改变，同本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分级变频式多路串联谐振逆变电源，包括整流变压器(1)、三相全桥相控整流器(2)、LC滤波器(3)、H桥逆变器(4)、匹配变压器(5)和负载线圈(7)：其特征在于，还包括：n个并联连接的分级变频单元(11)，每个分级变频单元包括电荷泄放器(8)、谐振电容器(9)和切换开关(10)，所述电荷泄放器(8)与所述谐振电容器(9)并联连接后，一端通过所述切换开关(10)与所述匹配变压器(5)连接，另一端与所述负载线圈(7)连接；n为大于等于2的整数。

【技术特征摘要】
1.一种分级变频式多路串联谐振逆变电源，包括整流变压器(1)、三相全桥相控整流器(2)、LC滤波器(3)、H桥逆变器(4)、匹配变压器(5)和负载线圈(7)：其特征在于，还包括：n个并联连接的分级变频单元(11)，每个分级变频单元包括电荷泄放器(8)、谐振电容器(9)和切换开关(10)，所述电荷泄放器(8)与所述谐振电容器(9)并联连接后，一端通过所述切换开关(10)与所述匹配变压器(5)连接，另一端与所述负载线圈(7)连接；n为大于等于2的整数。2.如权利要求1所述的分级变频式多路串联谐振逆变电源，其特征在于，所述电荷泄放器(8)包括：依次串联连接的石墨泄放电阻Rck和快速晶闸管泄放开关Tck；其中k＝1，2，……n。3.如权利要求1所述的分级变频式多路串联谐振逆变电源，其特征在于，n个分级变频单元中谐振电容器Crk的容值不同。4.如权利要求1所述的分级变频式多路串联谐振逆变电源，其特征在于，所述切换开关(10)与所述谐振电容器(9)串联，且所述切换开关(10)的负端与谐振电容器Crx的...

【专利技术属性】
技术研发人员：饶波，徐国，丁永华，李茂，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：新型
国别省市：湖北,42