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感應加熱電源的發展動態及選用  2007/4/16 
 
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趙前哲,誌大器,周偉鬆,周景春

   

   

   

    一、 引言

   

   

   

    盡管有不同的稱謂,如轉換器,變頻器或振蕩器,實際上感應加熱電源都是頻率轉換器,它們能有效地把工頻電源轉變成感應熱處理工藝所需頻率的單相電源。電源的整流部分將工頻輸入的交流轉換成直流,變頻器或振蕩器部分則將直流轉換成所需加熱頻率的單相交流。本文著重從半導體開關器件以及電路拓撲技術方麵討論不同類型電源的特性,從而可以根據不同應用選擇最佳方案。

   

   

   

    二、 感應加熱電源的發展動態

   

   

   

    隨著現代半導體集成技術與功率半導體技術的發展,引起了感應加熱電源技術以致整個電力電子學領域的一場革命,同時感應加熱電源及應用得到了飛速發展。

   

   

   

    2.1半導體開關器件

   

   

   

    20世紀50年代末,半導體矽晶閘管的出現標誌著以固態半導體器件為核心的現代電力電子學的開始,在中頻(1~8kHz)範圍內,晶閘管感應加熱裝置逐步取代了傳統的中頻發電機組。然而,由於晶閘管本身開關特性等參數的限製,仍然存在著關斷不可控、工作頻率範圍窄等缺點,難以滿足不同負載的要求,尤其是在高頻(10kHz以上)範圍內,這些局限性給電源的研製帶來了很大的技術難度。

   

   

   

    70年代末80年代初,隨著一大批新型的電力電子半導體器件的研製開發成功,為更高頻率和更大功率感應加熱電源的研製提供了堅實的基礎。其中MOSFET為單極性多子器件,不存在存儲時間,具有開關速度快、驅動功率小、無二次擊穿現象、易並聯等優點,成為高頻大功率感應加熱電源裝置的主要開關器件。早在80年代中期,西歐國家就研製出了用功率場效應管(MOSFET)作開關器件的高頻電源,其頻率為200kHz左右,功率可達數十千瓦。目前,國外已有600kW/400kHz的MOSFET電源應用於管道焊接[2],而在國內相關高頻電源的研究尚處在起步階段,與國外水平相差很大。

   

   

   

    大約在80年代末,一種綜合了場效應管與雙極晶體管優點的全控開關器件―絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)的出現,由於其具有開關速度高、容量大、通態壓降低等特點,高壓大電流的高速IGBT成為目前國際上眾多加熱電源的首選器件。現在國內各電源生產廠家也已推出了自主開發的技術成熟的IGBT電源,如清華大學電力電子廠生產的300kW/50kHz電流型感應加熱電源已經在科研和生產實踐中獲得廣泛應用,100kW/100kHz電源也已成功研製。這些產品已經在一定程度上填補了國內相關電源研製和開發的空白。

   

   

   

    2.2電路拓撲結構

   

   

   

    近年來感應加熱電源拓撲結構經過不斷的完善,已形成了一種固定的AC/DC/AC變換形式,其中電流型和電壓型兩種逆變電路已經成為大功率感應加熱電源的基本拓撲結構。

   

   

   

    兩種電路所采用的負載諧振回路不同,前者采用了LC並聯諧振,而後者采用的是LC串聯諧振,所以二者在控製原理、器件選擇、保護方式等多方麵存在很多差別,表1對其進行了總結和歸納。總而言之,由於並聯諧振總是工作在諧振頻率,負載頻率和阻抗匹配方便,因此適合於淬火、焊接等負載內部阻抗低的應用場合。而在鍛造、熔煉等應用中,由於負載內部阻抗高,串聯諧振電源更為適用。

   

   

   

    表1 電流型和電壓型逆變電路的區別

   

   

   

   

   

   

    電流型逆變電路,並聯諧振,如圖3.a

   

   

    電壓型逆變電路,串聯諧振,如圖3.b

   

   

   

    輸入端為電流源(大的濾波電抗器)

   

   

    輸入端電壓源(大的濾波電容器)

   

   

   

    輸出電流波形為方波,電壓波形為正弦波

   

   

    輸出電壓波形為方波,電流波形為正弦波

   

   

   

    橋臂串聯快恢複二極管,以承受反壓

   

   

    橋臂二極管與開關管並聯,起續流作用

   

   

   

    逆變器及負載開路保護困難

   

   

    短路及直通保護困難

   

   

   

    負載阻抗頻率特性為並聯諧振特性,通過調節三相全控整流橋的直流輸出電壓,從而控製電源輸出功率

   

   

    負載阻抗頻率特性為串聯諧振特性,通過調節頻率或采用PWM方式調節直流輸出電壓,從而控製電源輸出功率

   

   

   

   

   

    2.3感應加熱電源發展趨勢

   

   

   

    隨著新工藝、新技術的出現,使得感應加熱電源的發展呈現出以下幾方麵的特點:

   

   

   

    1、多類型、多規格、係列化,能滿足不同應用場合的需要。早期的晶閘管和晶體管由於受到容量與頻率互相製約的影響,不能達到同時獲得大功率高頻率的效果。隨著新型器件的發展,如MOSFET、IGBT等,將來的感應加熱電源必將朝著容量高、頻率範圍寬的方向發展,在這方麵仍有許多應用基礎技術需要進一步探討。

   

   

   

    2、效率高、損耗小,高效節能低汙染的“綠色”電源產品將是21世紀的主流產品。隨著功率器件的發展,新型功率器件的通態電阻很小,通態壓降小,驅動電路的不斷完善和優化,以及PWM高頻調製技術、軟開關技術等的應用,使得整個裝置的損耗明顯降低。

   

   

   

    3、智能化、可靠性高,節約了設備維護成本,保障了感應加熱生產線的順利運行。一方麵功率半導體本身集成了包括過電壓、欠電壓、過電流、過熱等檢測與保護功能,提高了可靠性。另一方麵感應加熱電源正向著自動化控製方向發展,具有診斷與保護功能、良好的人機界麵以及計算機智能接口的全數字化感應加熱電源正成為下一代電源的發展目標。

   

   

   

    三、 感應加熱電源選擇的基本原則

   

   

   

    對於感應熱處理應用來說,已生產的許多類型電源能夠很好地滿足各種感應加熱應用的要求。但對特定的熱處理應該有特定的頻率、功率和其他感應器參數,有一個最優的電源配置來滿足該應用的要求,以獲得預期的加熱效果。

   

   

   

    1.頻率是感應熱處理中極其重要的參數,因為它是電流滲入深度的主要控製參數,由此控製了最終加熱的深度和形狀。因此,功率電路元件的選擇,必須使之在此頻率工作時,有足夠的餘地以保持高可靠性,在8kHz以下的頻率範圍,選用晶閘管就足以滿足應用需求.

   

   

   

    2.對於一個給定的應用實例,其所需功率取決於需要加熱金屬的體積、加熱速率以及加熱過程的效率。例如,對於功率小到1~2幹瓦的小麵積淺層加熱,以及大到幾個兆瓦的能夠加熱到居裏點溫度之上的寬幅快速移動的鋼板加熱,都可根據經驗或實際應用情況選擇電源額定功率。此外,為保證設備能夠長期地可靠運行,電源的實際使用功率應為額定功率的80~90%。

   

   

   

    3.經濟性是每一種電源適用性所必須需考慮的問題,包括最初的成本、操作成本、總的效率、靈活性、冷卻水以及電源對主電網質量的影響等因素。電流型逆變電路在50kHz以下高功率時的每千瓦成本較低,而且電流型逆變電路負載頻率和阻抗匹配靈活方便,適用於多品種場合使用。

   

   

   

    4.可靠性、維修性也是電源選擇的重要因素。可靠性主要是由功率元件設計裕度和控製電路設計功能的完備性決定的,在沒有對電源進行詳細分析之前是很難去評估它的可靠性。因此,在沒有此分析之前,設備可靠性最好的指南是製造商信譽的評價,以及其生產感應加熱電源的年數和目前在使用的設備數量。

   

   

   

    綜上所述,對感應加熱電源的要求,主要是對工作頻率和額定功率的考慮,此外還應考慮經濟性、可靠性、使用調整方便、可適用於長短期工作製、啟動成功率等因素。

 
 
      
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