无芯中频变频感应电炉因能生产顶尖质量铸件，提供柔性铸件生产系统，铸件能耗降至最低限度，设备高度自动化控制，人的影响因素降至最小程度，为工作环境尽可能达到绿色工程条件作贡献，在铸造厂被大规模应用。该炉迅速发展主要体现在：(1)高功率密度(700～1000kW/t)无芯感应熔化炉；(2)低噪音高质量变频无芯感应熔化炉；(3)可靠的固态中频(60～10000Hz)变频电源；(4)按程序操作的恒功率输出控制；(5)可视性熔化操作过程的熔化信息处理，自动冷炉起动，控制炉衬烧结，铁水成分控制及炉料组成；(5)自动诊断故障寻找系统；(6)两台电炉输入功率比例可无级调配的双回路供电电源。其中可靠的固态中频变频电源是该炉应用最主要的部分。显然，对中频变频电源进行分析，可使用户在不同生产条件下，取利去弊地选择适合自己生产条件的电源系统。

1　固态电路中频电源的基本工作原理

　　固态电路中频电源目前已成为应用于无芯感应炉进行熔化、升温与保温的主导电源，其基本原理如图1所示。简单说来，固态电路电源的作用就是把三相交流电转换为需要频率的单相交流电，供给炉子感应线圈。

图1　固态电路电源的基本原理
1.三相交流电输入　2.全波整流　3.滤波器
4.单相直流电　5.逆变器　6.单相交流电　7.感应线圈

　　实现上述转换的方法，一类称并联补偿逆变电源，另一类为串联补偿逆变电源。炉子感应线圈为电感性负载，须用电容器补偿，否则，功率因数太低，效率低，以致不能应用。
　　在有电感和电容元件的电路中，两端电压与其中电流一般不同相，若调电路参数或电压频率使之同相，会发生谐振。谐振分为并联谐振和串联谐振。并联补偿电源属利用并联谐振；串联补偿电源属利用串联谐振。以下分述两种谐振的条件和特征。

2　并联补偿逆变电源的电特性

　　并联补偿逆变器电源如图2所示。把图2中虚线右方部分即谐振部分，可用图3所示的简化电路表示。图3所示是补偿电容器C和感应线圈L并联的电路。当支路上导纳(即阻抗倒数)b_L=b_C时或者式(1)成立时：

　(1)

图2　并联补偿逆变器电源
1.三相交流电　2.输入端　3.整流器　4.单相直流电
5.滤波电抗器　6.逆变器　7.补偿电容器　8.炉子感应线圈

图3　并联电路

式中　f——频率，赫兹
　　　L——电感，亨利
　　　R——电阻，欧姆
　　　C——电容，法拉
则电压与电流相位角差为=arctg〔(b_L-b_C)/g〕=0(g为电导，欧姆^-1)。即电源电压V与电路中电流I同相，理想的完全补偿。这时发生谐振，因在并联电路中，故称并联谐振。式(1)是发生并联谐振条件，并由此得谐振频率为：

　(2)

式中　f——电流频率，赫兹
　　　f₀——谐振频率，赫兹
实际上，L很大，R较小，R＜2πf₀L或R²/L²≤1/LC，于是有近似公式：

　(3)

即当工况变化时，L发生了变化，C不作任何调节，只需通过对f的自动调节，可使式(2)得到满足，这是真正的频率跟踪，达到运行效率最高。
　　并联谐振有下列行征，电路的导纳y为：

　(4)

式中　y——导纳，姆欧
　　　g——电导，姆欧
在谐振时其值最小，即电路阻抗最大，在电源电压V一定情况下，电流I将在谐振时最小，即：

　(5)

式中　I——电流强度，安培
　　　I₀——谐振时电流强度，安培
式中　g=R/〔R²(2πf₀L)²〕，将式(2)代入式(5)有：g=RC/L，于是I=I₀=V/(L/RC)=V/Z₀(设Z₀=L/RC，为谐振时电路阻抗)。阻抗与电流的谐振曲线如图4所示。因电源电压与电路中电流同相(=0)，故谐振电路对电源呈电阻性。谐振时电路阻抗Z₀相当一电阻。即为最高效率状态。

图4　Z和I的谐振曲线 　　谐振时各并联支路电流为：IL=V=V/(2πf0L),Ic=VC2πf0C)，而I=I0=V.g，当R＜2πf0L时，由式(1)和式(5)可知1/(2πf0L)≈2πf0C≥g。于是有IL≈IC≥I0(图5)，即在谐振时，并联支路的电流近于相等，可能比总电流大许多倍，故并联谐振亦称电流谐振。IL或IC与总电流I0之比为： 　　IL/I0≈IC/I0=〔V(2πf0C)〕/〔V/(L/RC)〕=(2πf0L)/R=W0L/R=1(W0CR)(W0=2πf0)

图5　并联谐振时的相量图 　　IL/I0或IC/I0即谐振电路的品质因素Q，并联谐振时，支路电流IC或IL是总电流的Q倍，电路的阻抗为支路阻抗的Q倍。这种现象在直流电路是不能理解的(直流电路中，电路等效电阻一定小于任何一支路电阻，总电流一定大于支路电流)。 3　串联补偿逆变电源的电特性 　　串联补偿逆变电源如图6所示。把图6虚线的右侧部分，用一简化电路图表示，即图7。 图6　串联补偿逆变电源 1.三相交流电　2.输入端　3.整流器　4.限流电抗器　5.滤波电容器 6.逆变器(半桥)　7.补偿电容器　8.炉子感应线圈 图7　串联电路 　　当XL=XC(电抗相等)，或者： 　(6) 则有　=arctg〔XL-XC)/R〕=0 即电源电压V与电源中电流I同相。这时电路中发生谐振。因发生在串联电路中，故称串联谐振。式(6)是发生串联谐振的条件，由此得到谐振频率： 　(7) 当电源频率f与电路参数(L、C)满足式(7)关系，则发生谐振。显见，只要调节L、C或f，就能使电路发生谐振。 　　当工况变化时，L发生变化，C同样不作任何调节。若电源频率f可真正跟踪运行工况而自动调节，使式(7)得到满足，即为完全补偿，便达到效率最高。但在实际中，f并不跟踪工况变化，而是跟踪所设定的功率。故在工况变化或功率变化时，偏离电源内置的设定值时，式(7)不能得到满足，运行效率降低。这种电源，亦是频率跟踪，但不是真正要求的频率跟踪，被称为假性频率跟踪。 　　串联谐振特征为：电路阻抗Z=,其值最小。故在电源电压V不变情况下，电路中电流将在谐振时达最大值，即I=I0=V/R。图8所示为阻抗和电流等随频率变化的曲线。 (a)阻抗等　　　　　(b)电流 图8　阻抗与电流等随频率变化曲线 　　由于电源电压与电路中电流同相(=0)，故电路对电源呈电阻性，电源供给电路的能量全被电阻所消耗，电源与电路间不发生能量互换。能量互换只发生在炉子感应线圈和补偿电容器之间。由于XL=X(X—电源电抗)，于是VL=VC。而VL与VC在相位相反，互相抵消，对整个电路不起作用，因此，电源电压V=VR(图9)。但是，VL、VC的单独作用不容忽视。因为VL=I.XL=(V/R)XL，VC=I.XC=(V/R)XC。当VL=VC＞VR时，VL和VC都高于电源电压V。若电压过高，将击穿电容器绝缘，甚至线圈绝缘。故在电气工程上一般避免发生串联谐振；而在无线电工程上则利用串联谐振获得高电压。通常，电容器或线圈上的谐振电压常高于电源电压几十倍。

图9　串联谐振时的相量图 　　因串联谐振时VL、VC会超过电源电压许多倍，故串联谐振亦称电压谐振。通常，令Q=VC/V=VC/V=1/(W0CR)=(W0L)/R，Q称为电路品质因素。 4　并联和串联补偿逆变回路中谐振电流特点 4.1　谐振电流流动分析 　　在图2所示的并联补偿逆变器回路中，谐振电流I在如图10所示的补偿电容器和炉子线圈之间流动，并不流经可控硅逆变器。 图10　谐振电流在并联补偿逆变器回路中流动 1.可控硅逆变器　2.补偿电容器　3.炉子线圈 　　在图6串联补偿逆变器回路中，谐振电流I如图11所示流动。谐振电流不仅流过补偿电容、线圈，而且完全流过可控硅逆变器，使可控硅长期在大电流下运行，寿命降低。可控硅电阻比线圈电阻、电容器电阻都大许多，大电流流过时，不仅补偿电容、线圈上有功率消耗，而且在可控硅上有额外功率损耗，使回路总的功率损耗增加，即降低了效率。而在图10中，谐振电流在电阻较小的线圈和补偿电容上流过，与串联补偿回路比，功率损耗小，效率较高。 图11　谐振电流在串联补偿逆电器回路中流动 4.2　不同谐振电流对元件寿命的影响 　　如上分析，在并联补偿逆变器回路中，补偿电容器上电压系电源电压，谐振大电流反在补偿电容和线圈间流动，可控硅逆变器上流过的电流是正常工作负载电流。而在串联补偿逆变器回路中，在补偿电容器上的谐振电压是电源电压的Q倍(甚至几十倍0，使电容器处于高压运行状态，缩短了电容器寿命；在可控硅逆变器上流过100%的线圈电流，可控硅长期在大电流下运行，缩短了可控硅寿命。 4.3　谐振电流对系统能耗的影响 　　在串联补偿回路中，补偿电容器上电压的限制，输入的三相交流线电压最大为575伏特，经全波整流，直流电压约为816伏。若是一个2500kW电源，为说明简单，忽略电源内部损耗，这样，在三相交流电输入端，线电流为： 而直流回路的电流为： I直=2500 000/816=3064(安) 　　在并联补偿回路中，补偿电容器上电压并未受到谐振影响成倍增加、三相交流电输入线电压为1250伏，全波整流后约为1775伏。同样以一个2500kW电源为例，其三相交流电输入端线电流为： 直流回路的电流为 I直=2500 000/1775=1408(安) 　　在三相交流输入电缆上，并联补偿回路所流过的电流仅为串联补偿时的46%，同样，在直流回路中，并联补偿回路的直流电仅为串联补偿时的46%。电路上的损耗与电流平方成正比，(即I2R总)。这样，在相同功率条件下，串联补偿回路比并联补偿回路功率损耗大，效率低。另外，并联补偿回路中两个大的带铁芯的电抗器线圈较粗，对交流电形成大阻抗，平滑波形。而对直流电，则电阻很小。串联补偿回路中，用大的滤波电容，对交流电形成小阻抗回路，平滑波形。另设一不带铁芯限流电抗器，以缓冲突然变化的故障电流，所用线圈导线较细，电阻相对比并联补偿回路中两个大滤波电抗器电阻还大，加上本身流过的电流也大，故使功率损耗增大。 4.4　真正的变频中频电源 　　使用固态电路逆变器电源为的是，通过频率调整，使并联补偿回路和串联补偿回路，在正常运行的各种情况下，不调节补偿电容器的数量，使电容容抗正好与线圈感抗抵消，即通过调整f，使公式f=1/得到满足。若容抗与感抗不能抵消，则必定会使逆变回路的功率因数降低，增加了回路中电流和电压，没有真正达到补偿电容的补偿作用。 　　熔炼中，整个过程炉子电感值一直在不断变化，这是一个变量；第二个变量是功率。在目前使用的固态电路逆变器电源中，并联补偿逆变器电源，在运行工况变化时：(1)当炉子线圈电感发生变化时，由信号反馈回路监测到后，由控制回路自动调整逆变器输出频率f，使公式(2)得到满足，达到完全补偿。(2)当功率发生变化时，由控制回路自动调整整流器可控硅的导通角，改变输出的直流电压平均值，使输出功率按要求作出调整。串联补偿逆变器电源在运行状况变化时：(1)当炉子线圈电感变化时，放弃跟踪，以简化控制，结果公式(7)不能得到满足，运行效率受到影响。工况值与电源内部设定的最佳工况偏差越远，效率越低；设置的功率与满功率相差越远，效率也越低。故不适宜于用作保温。(2)当功率发生变化时，由控制回路调整逆变器的输出功率，使输出功率按要求作出调整。 　　串联补偿逆变器电源只需一个控制点，即对逆变器的控制，故不是一个严格意义上的频率跟踪电源，使式(7)得到满足，使系统运行处于最佳状态的电源，其频率只与设定的功率大小有关。并联补偿逆变器电源需二个控制点，控制逆变器的输出功率，以使式(2)得到满足，控制整流回路的导通角，以使输出的功率与设定的功率大小一致。故这才是严格意义上的频率跟踪电源。 5　故障电流对系统的影响 　　并联补偿和串联补偿逆变器电源都设有电气回路监控系统(图12)。在并联补偿逆变器电源中，当线圈有严重匝间短路时，并联补偿回路中，监控系统探测到有异常电流，立即控制截止整流回路；而补偿电容则继续将电容器内储存的电量以较大的故障电流形式向炉子线圈释放(见图12)，而此时，因整流器回路已截止，因此，可控硅逆变器上则基本上没电流。 图12　电气回路监控系统(并联补偿回路) 1.整流器　2.逆变器　3.故障电流 　　如图13所示，在串联补偿回路中，监控系统探测到有异常电流时，立即控制截止整流回路，而补偿电容器则继续将电容器内储存的电量，以较大的故障电流形式，向炉子线圈和可控硅逆变器释放。而该故障电流并不因整流器截止而终止，只有当电容内储存电量全放完才终止。此过程常常是烧坏逆变可控硅的原因。若逆变可控硅被不恰当过早截止，则因补偿电容器两端电压不能突变，电容器两端的高压电将全部加到逆变可控硅上，以致可控硅不可避免地被击穿。 图13　回路监控系统(串联补偿回路) 1.整流器　2.逆变器　3.故障电流 6　功率因数 　　串联补偿电源，虽在逆变器后面，在很多不同运行状况下，功率因数较低，功率损耗大。但是，在单相直流回路上，只反映了所需的功率大，能耗大，却反映不出功率因数的好坏。由于在整流回路中不作任何截波控制，故在三相交流电输入端反映的所需功率较大，而功率因数都是一个常数。 　　并联补偿电源，在逆变器后面，无论工况怎么变，其频率始终是跟踪的，以使式(2)满足。因此，系统的效率始终处于最高点，是一常数，即不随工况变化而变。但在功率下调到相当幅度时，通过整流回路可控硅的截波降低直流电压，以降低功率，这将反映到三相交流电输入端，其效率仍不变。但功率因数，在该功率以下时，会有所下降。 7　固态电路中频电源的谐波分量 　　对谐波分量，这两种逆变器电源所产生的谐波分量最大值一样。谐波分量主要由整流器在整流过程中产生。两种电源在满功率运行时，整流可控硅处于三相依次全导通状态。因此，所产生的各次谐波分量的最大值是一样的。 　　如图2所示，当并联补偿逆变器电源合闸、接通三相交流电输入端，此时，因逆变回路还未导通，故先经过启动回路使部分电器回路开始工作。然后，合上逆变器触发回路，整个系统就开始工作了。如图7所示，在串联补偿逆变器电源合闸、接通三相交流电时，虽逆变器还未投入使用，但滤波电容已开始被充电，一旦合上逆变器触发回路，整个系统就开始工作了。故串联补偿逆变器电源不需启动回路，且该电源启动成功率比并联补偿逆变器电源高。经多年努力和改进，目前并联补偿逆变器电源启动成功率已接近串联补偿逆变器电源。再者，启动一次约0.05s，若起动不成功，可再次启动。 8　结论 　　(1)串联补偿逆变器电源只是一种简单的频率可变的变频电源，而并联补偿逆变器电源是一种比较完善的、频率跟踪运行工况的变频电源。因串联补偿逆变器电源结构简单、成本低、起动性能好，故被广泛用于感应热处理方面，特别是在频率很高时，但其设备运行可靠性差、效率低，不适于用在熔炼和升温、保温系统，特别是在功率与500kW及以上时，更不合适。 　　(2)并联补偿逆变器电源结构严密、控制全面、运行可靠性高，运行效率也高，故被广泛应用于感应熔炼、升温和保温系统，特别是与无芯感应炉配合使用。