基于多电平变换技术的高频感应加热电源的研究

论文摘要

感应加热电源在冶金、金属热处理等行业中有着广泛的应用,对国民经济发展有很大的推动作用,随着电力电子技术的不断发展,目前对感应加热电源的研究,尤其对高频电源的研究日益受到重视。为发展高频感应加热电源技术,同时促进多电平逆变器在高频领域的应用,文中对基于多电平变换技术的高频感应加热电源进行了研究。分析了感应加热电源应用中,两模块级联的多电平逆变器在传统触发方式下的工作过程,得出了以下的结论：在导通时间短的逆变模块中,存在二极管反向恢复电流的不良影响；逆变器的输出电压存在电位不对称现象,增加了逆变器输出电压谐波调节工作的复杂度。提出了感应加热电源级联型多电平逆变器新型的工作方式。通过对功率开关器件触发信号的设置研究,解决了多电平逆变器输出电压波形的调整问题；通过分析负载电流换向点与触发信号死区的关系,研究了负载电压的二次换向问题,给出了避免负载电压在死区工作期发生二次换向的工作条件；详细分析了多电平逆变器在新型工作方式下的工作过程。设计了一套无源无损吸收电路,抑制多电平逆变器工作过程中二极管的反向恢复电流,改善功率器件的开关条件。详细分析了无源无损吸收电路的工作过程,并给出了吸收电路的参数设计方法。为发展级联型多电平逆变器在单相高频大功率系统中的应用,对多电平逆变器在高频运用中的谐波控制问题进行了研究。采用阶梯波PWM法消除低次谐波时,通过求解功率器件开关角方程组,给出了级联模块电源电压比值不同时开关角的选择范围及输出电压基波幅值的调节范围,并依据输出电压谐波畸变率与基波幅值的关系,得出了级联模块电源电压比值的选择原则。提出了一种基于波形合成消除多电平逆变器输出电压特定谐波的方法。当级联模块数增加或待消除谐波次数增加时,避免了采用阶梯波PWM法中对高次多变量方程组的求解,利用此方法可通过简单的三角公式递推计算获得实现多个特定谐波消除的开关角。详细论述了该方法的基本原理和数学递推过程。提出了高频感应加热电源级联型多电平逆变器输出电压的谐波控制方法。通过对感应加热电源输出功率特性的分析,为提高逆变电源容量的利用率,应尽可能提高感应加热电源逆变器输出电压中的基波含量,减小输出电压的谐波畸变率。利用多电平逆变器谐波控制方法及感应加热电源多电平逆变器输出电压的特点,对两模块级联多电平逆变器输出电压的特定谐波消除方法进行了数学推导,给出了功率器件开关角的取值建议。通过仿真与实验研究,验证了文中的理论分析结果及设计方法的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 感应加热技术概述
• 1.1.1 感应加热的基本原理及用途
• 1.1.2 感应加热电源的基本拓扑和负载等效电路
• 1.1.3 感应加热技术的发展现状和发展趋势
• 1.2 多电平技术概述
• 1.2.1 多电平功率变换器的基本原理及用途
• 1.2.2 多电平功率变换器的拓扑结构
• 1.2.3 多电平功率变换器的控制策略
• 1.3 课题的选题意义及研究内容
• 1.3.1 选题意义
• 1.3.2 本文主要研究内容
• 1.4 本章小结
• 第2章 高频感应加热电源级联型多电平逆变器的工作方式
• 2.1 电压型感应加热电源逆变器的工作特点
• 2.2 高频感应加热电源级联型多电平逆变器的工作方式分析
• 2.2.1 工作状态分析
• 2.2.2 逆变器输出电压波形分析
• 2.3 高频感应加热电源级联型多电平逆变器的改进工作方式
• 2.3.1 逆变器输出电压的波形调整
• 2.3.2 二次换向问题
• 2.4 本章小结
• 第3章 带吸收电路的级联型多电平逆变器
• 3.1 软开关技术
• 3.2 无源无损吸收电路结构
• 3.3 吸收电路工作过程分析
• 3.4 吸收电路的参数设计
• 3.4.1 主工作电感的参数设计
• 3.4.2 辅助工作电感的参数设计
• 3.5 仿真结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 级联型多电平逆变器的控制策略
• 4.1 基于阶梯波PWM法的级联型多电平逆变器控制策略
• 4.1.1 模块单元直流电压相同
• 4.1.2 模块单元直流电压不同
• 4.2 基于波形合成法的级联型多电平逆变器控制策略
• 4.3 两种控制策略的比较
• 4.4 本章小结
• 第5章 感应加热电源级联型多电平逆变器的谐波控制
• 5.1 感应加热电源逆变器输出功率特点分析
• 5.1.1 非正弦周期量的平均功率分析
• 5.1.2 感应加热电源逆变器输出功率特点分析
• 5.2 感应加热电源多电平逆变器的谐波控制
• 5.3 本章小结
• 第6章 系统组成与实验结果
• 6.1 直流侧整流电路
• 6.2 逆变电路的控制
• 6.2.1 频率跟踪
• 6.2.2 触发信号的产生
• 6.3 保护电路
• 6.3.1 过流保护
• 6.3.2 过压保护
• 6.4 驱动电路
• 6.5 实验结果
• 6.5.1 逆变电源容量利用率分析
• 6.5.2 输出电压谐波实验结果
• 6.5.3 功率器件电压应力分析
• 6.5.4 逆变器功率输出实验结果
• 6.5.5 功率器件开关过程实验结果
• 6.6 本章小结
• 第7章 全文总结及工作展望
• 7.1 总结
• 7.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 在校学习期间发表的论文