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感应加热电源的发展动态及选用  2007/4/16 
 
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赵前哲,志大器,周伟松,周景春

   

   

   

    一、 引言

   

   

   

    尽管有不同的称谓,如转换器,变频器或振荡器,实际上感应加热电源都是频率转换器,它们能有效地把工频电源转变成感应澳门壹号网址工艺所需频率的单相电源。电源的整流部分将工频输入的交流转换成直流,变频器或振荡器部分则将直流转换成所需加热频率的单相交流。本文着重从半导体开关器件以及电路拓扑技术方面讨论不同类型电源的特性,从而可以根据不同应用选择最佳方案。

   

   

   

    二、 感应加热电源的发展动态

   

   

   

    随着现代半导体集成技术与功率半导体技术的发展,引起了感应加热电源技术以致整个电力电子学领域的一场革命,同时感应加热电源及应用得到了飞速发展。

   

   

   

    2.1半导体开关器件

   

   

   

    20世纪50年代末,半导体硅晶闸管的出现标志着以固态半导体器件为核心的现代电力电子学的开始,在中频(1~8kHz)范围内,晶闸管感应加热装置逐步取代了传统的中频发电机组。然而,由于晶闸管本身开关特性等参数的限制,仍然存在着关断不可控、工作频率范围窄等缺点,难以满足不同负载的要求,尤其是在高频(10kHz以上)范围内,这些局限性给电源的研制带来了很大的技术难度。

   

   

   

    70年代末80年代初,随着一大批新型的电力电子半导体器件的研制开发成功,为更高频率和更大功率感应加热电源的研制提供了坚实的基础。其中MOSFET为单极性多子器件,不存在存储时间,具有开关速度快、驱动功率小、无二次击穿现象、易并联等优点,成为高频大功率感应加热电源装置的主要开关器件。早在80年代中期,西欧国家就研制出了用功率场效应管(MOSFET)作开关器件的高频电源,其频率为200kHz左右,功率可达数十千瓦。目前,国外已有600kW/400kHz的MOSFET电源应用于管道焊接[2],而在国内相关高频电源的研究尚处在起步阶段,与国外水平相差很大。

   

   

   

    大约在80年代末,一种综合了场效应管与双极晶体管优点的全控开关器件―绝缘栅极双极晶体管(IGBT)的出现,由于其具有开关速度高、容量大、通态压降低等特点,高压大电流的高速IGBT成为目前国际上众多加热电源的首选器件。现在国内各电源生产厂家也已推出了自主开发的技术成熟的IGBT电源,如清华大学电力电子厂生产的300kW/50kHz电流型感应加热电源已经在科研和生产实践中获得广泛应用,100kW/100kHz电源也已成功研制。这些产品已经在一定程度上填补了国内相关电源研制和开发的空白。

   

   

   

    2.2电路拓扑结构

   

   

   

    近年来感应加热电源拓扑结构经过不断的完善,已形成了一种固定的AC/DC/AC变换形式,其中电流型和电压型两种逆变电路已经成为大功率感应加热电源的基本拓扑结构。

   

   

   

    两种电路所采用的负载谐振回路不同,前者采用了LC并联谐振,而后者采用的是LC串联谐振,所以二者在控制原理、器件选择、保护方式等多方面存在很多差别,表1对其进行了总结和归纳。总而言之,由于并联谐振总是工作在谐振频率,负载频率和阻抗匹配方便,因此适合于淬火、焊接等负载内部阻抗低的应用场合。而在锻造、熔炼等应用中,由于负载内部阻抗高,串联谐振电源更为适用。

   

   

   

    表1 电流型和电压型逆变电路的区别

   

   

   

   

   

   

    电流型逆变电路,并联谐振,如图3.a

   

   

    电压型逆变电路,串联谐振,如图3.b

   

   

   

    输入端为电流源(大的滤波电抗器)

   

   

    输入端电压源(大的滤波电容器)

   

   

   

    输出电流波形为方波,电压波形为正弦波

   

   

    输出电压波形为方波,电流波形为正弦波

   

   

   

    桥臂串联快恢复二极管,以承受反压

   

   

    桥臂二极管与开关管并联,起续流作用

   

   

   

    逆变器及负载开路保护困难

   

   

    短路及直通保护困难

   

   

   

    负载阻抗频率特性为并联谐振特性,通过调节三相全控整流桥的直流输出电压,从而控制电源输出功率

   

   

    负载阻抗频率特性为串联谐振特性,通过调节频率或采用PWM方式调节直流输出电压,从而控制电源输出功率

   

   

   

   

   

    2.3感应加热电源发展趋势

   

   

   

    随着新工艺、新技术的出现,使得感应加热电源的发展呈现出以下几方面的特点:

   

   

   

    1、多类型、多规格、系列化,能满足不同应用场合的需要。早期的晶闸管和晶体管由于受到容量与频率互相制约的影响,不能达到同时获得大功率高频率的效果。随着新型器件的发展,如MOSFET、IGBT等,将来的感应加热电源必将朝着容量高、频率范围宽的方向发展,在这方面仍有许多应用基础技术需要进一步探讨。

   

   

   

    2、效率高、损耗小,高效节能低污染的“绿色”电源产品将是21世纪的主流产品。随着功率器件的发展,新型功率器件的通态电阻很小,通态压降小,驱动电路的不断完善和优化,以及PWM高频调制技术、软开关技术等的应用,使得整个装置的损耗明显降低。

   

   

   

    3、智能化、可靠性高,节约了设备维护成本,保障了感应加热生产线的顺利运行。一方面功率半导体本身集成了包括过电压、欠电压、过电流、过热等检测与保护功能,提高了可靠性。另一方面感应加热电源正向着自动化控制方向发展,具有诊断与保护功能、良好的人机界面以及计算机智能接口的全数字化感应加热电源正成为下一代电源的发展目标。

   

   

   

    三、 感应加热电源选择的基本原则

   

   

   

    对于感应澳门壹号网址应用来说,已生产的许多类型电源能够很好地满足各种感应加热应用的要求。但对特定的澳门壹号网址应该有特定的频率、功率和其他感应器参数,有一个最优的电源配置来满足该应用的要求,以获得预期的加热效果。

   

   

   

    1.频率是感应澳门壹号网址中极其重要的参数,因为它是电流渗入深度的主要控制参数,由此控制了最终加热的深度和形状。因此,功率电路元件的选择,必须使之在此频率工作时,有足够的余地以保持高可靠性,在8kHz以下的频率范围,选用晶闸管就足以满足应用需求.

   

   

   

    2.对于一个给定的应用实例,其所需功率取决于需要加热金属的体积、加热速率以及加热过程的效率。例如,对于功率小到1~2干瓦的小面积浅层加热,以及大到几个兆瓦的能够加热到居里点温度之上的宽幅快速移动的钢板加热,都可根据经验或实际应用情况选择电源额定功率。此外,为保证设备能够长期地可靠运行,电源的实际使用功率应为额定功率的80~90%。

   

   

   

    3.经济性是每一种电源适用性所必须需考虑的问题,包括最初的成本、操作成本、总的效率、灵活性、冷却水以及电源对主电网质量的影响等因素。电流型逆变电路在50kHz以下高功率时的每千瓦成本较低,而且电流型逆变电路负载频率和阻抗匹配灵活方便,适用于多品种场合使用。

   

   

   

    4.可靠性、维修性也是电源选择的重要因素。可靠性主要是由功率元件设计裕度和控制电路设计功能的完备性决定的,在没有对电源进行详细分析之前是很难去评估它的可靠性。因此,在没有此分析之前,设备可靠性最好的指南是制造商信誉的评价,以及其生产感应加热电源的年数和目前在使用的设备数量。

   

   

   

    综上所述,对感应加热电源的要求,主要是对工作频率和额定功率的考虑,此外还应考虑经济性、可靠性、使用调整方便、可适用于长短期工作制、启动成功率等因素。

 
 
      
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