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幾種感應(yīng)加熱電源產(chǎn)品性能比較分析

時間:2017-01-13 點擊量:577

    感應(yīng)加熱電源廣泛應(yīng)用于金屬熱處理、淬火、退火、透熱、熔煉、焊接、熱套、半導(dǎo)體材料煉制、塑料熱合、烘烤和提純等場合;利用在高頻磁場作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電流引起導(dǎo)體自身發(fā)熱而進行加熱。感應(yīng)加熱與爐式加熱、燃燒加熱或者電熱絲加熱相比,具有顯著節(jié)能、非接觸、速度快、工序簡單、容易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點。    感應(yīng)加熱電源主要由整流單元、逆變單元、諧振輸出單元、和感應(yīng)器四部分組成。其中整流單元將工頻三相交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓;逆變單元電能變換成為幾千至上百千赫茲的高頻電能;諧振輸出單元一端連接逆變器,另一端連接感應(yīng)器,經(jīng)隔離和阻抗匹配,通過諧振的方法在感應(yīng)器中產(chǎn)生強大的高頻電流。加熱時,感應(yīng)器在工件中感生高頻電流,因此導(dǎo)體迅速被加熱。早期的感應(yīng)加熱設(shè)備中,逆變單元所需的高頻逆變器件決定了裝置的形式,它經(jīng)歷了從電子管、晶閘管到目前普遍采用IGBT 的發(fā)展歷程。    在目前主流的 IGBT 式感應(yīng)加熱產(chǎn)品中,仍有較多的電路和結(jié)構(gòu)方式差異。從整流單元看有可控整流方式和不可控整流方式;從逆變單元看有脈寬調(diào)制逆變方式和斬波調(diào)壓逆變方式;從諧振輸出單元看有并聯(lián)諧振方式和串聯(lián)諧振方式。各種電路和結(jié)構(gòu)方式在效率、功率因數(shù)、可靠性等性能上各有差異。
 1 新型數(shù)字式空冷感應(yīng)加熱電源的主要特點
一種新型引進技術(shù)的 感應(yīng)加熱電源主回路如下圖所示,該產(chǎn)品為創(chuàng)新的全空冷結(jié)構(gòu),在中央處理器DSP 的數(shù)字式控制下,功率器件IGBT 始終精確工作在零電流開關(guān)狀態(tài),自動重起動功能保證了設(shè)備連續(xù)運行的可靠性;與非數(shù)字式產(chǎn)品相比,數(shù)字式產(chǎn)品在各方面性能均得以提高。    該產(chǎn)品的整流單元為不可控整流,且直流側(cè)采用 IGBT 斬波調(diào)壓,諧振方式為輸出隔離型次級串聯(lián)諧振。這種電路有效提高了設(shè)備效率和功率因數(shù)、減少輸入諧波、降低IGBT損耗;使得設(shè)備可以采用全空冷結(jié)構(gòu),并消除設(shè)備來自水系統(tǒng)的故障;基于這種結(jié)構(gòu),設(shè)備的工作頻率為1KHz-100KHz。
 1.1 準確可靠的過零軟開關(guān)IGBT 逆變    高頻感應(yīng)加熱電源一般均采用諧振軟開關(guān)控制,可以大為降低IGBT 開關(guān)損耗,且實現(xiàn)自動跟蹤諧振頻率。    有的產(chǎn)品直流側(cè)沒有 IGBT 斬波電路,這是一種軟開通硬關(guān)斷電路,或者是帶緩沖的硬關(guān)斷電路。這種電路的關(guān)斷損耗較大,且容易脫離軟開關(guān)狀態(tài)。采用直流側(cè)IGBT 斬波電路后,可以實現(xiàn)完全的軟開通軟關(guān)斷,并將開通損耗和關(guān)斷損耗均降至最低。    傳統(tǒng)控制電路采用鎖相環(huán)跟蹤系統(tǒng)諧振頻率,但諧振頻率較高時,影響頻率跟蹤的離散參數(shù)比較突出,頻率較高時,鎖相環(huán)精度不夠,容易出現(xiàn)脫離軟開關(guān)的狀態(tài),因此開關(guān)損耗增大,嚴重時導(dǎo)致IGBT 損壞。因此,提高控制的準確度是保證IGBT 安全運行的前提條件。   新型 感應(yīng)加熱電源采用DSP 進行跟蹤控制,憑借DSP 的快速處理能力,可根據(jù)不同工況進行跟蹤補償,使系統(tǒng)準確度大幅度提高,諧振頻率和相位的跟蹤誤差大為降低。此外,系統(tǒng)采用的快速IGBT 驅(qū)動電路也有助于更準確快速的高頻軟開關(guān)電路的實現(xiàn)。
 1.2 全空冷結(jié)構(gòu)    傳統(tǒng)水冷設(shè)備存在兩大缺陷:一是損耗大、二是容易損壞。由于水冷線圈由銅管繞制,在高頻運行時,其渦流損耗非常大,損耗的能量均由水帶走,這使得系統(tǒng)效率降低。此外,水冷管路容易發(fā)生水管結(jié)垢堵塞燒毀器件的現(xiàn)象。   基于準確可靠的數(shù)字式 IGBT 軟開關(guān)技術(shù), 感應(yīng)加熱電源采用了全空冷結(jié)構(gòu),這樣不但提高了效率,而且徹底消除設(shè)備來自水系統(tǒng)的故障。    該產(chǎn)品為輸出隔離型次級串聯(lián)諧振。輸出隔離有利于安全運行;由于采用數(shù)字式控制,可以做到極低的逆變直流分量,因而采取次級串聯(lián)諧振方式成為可能;次級串聯(lián)諧振的隔離變壓器只承載有功功率,而且也采用空冷結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)從整流單元輸入到諧振輸出單元的效率高于95%。如果是初級諧振帶隔離變壓器,則因為變壓器承載5-10 倍的無功功率,整個系統(tǒng)的效率低于90%。    空冷設(shè)備的壽命比水冷設(shè)備更長。
 1.3 不間斷運行    數(shù)字式產(chǎn)品可以采取很多措施提高產(chǎn)品可靠性,減少停機;最為有效的是自動重起動功能,在外界因素或偶然因素保護停機后,處理器經(jīng)分析后立即自動重起動,這樣對工件的加熱幾乎沒有影響,因此設(shè)備可靠性大為提高。    例如,如感應(yīng)器冷卻水壓發(fā)生波動導(dǎo)致設(shè)備停機,模擬式設(shè)備只能等待人工恢復(fù)和再次起動,數(shù)字式感應(yīng)加熱電源可以在水壓恢復(fù)正常時立即重起動,并回到原來的運行狀態(tài)。  
 1.4 完善的限制保護措施    在感應(yīng)加熱設(shè)備中,由于負載工況比較復(fù)雜,完善的限制保護措施必不可少,但限制保護措施絕不能降低設(shè)備運行可靠性。    完善的限制保護措施應(yīng)該是在有相當大的抗擾動前提下,當較大擾動發(fā)生時,設(shè)備起動限制程序,但繼續(xù)保持安全運行,擾動消除后,設(shè)備即恢復(fù)正常運行,如此設(shè)備得以不間斷連續(xù)運行,可靠性大為提高;只有在超出設(shè)備承受能力的情況下,設(shè)備才強制保護退出運行。   數(shù)字式產(chǎn)品容易實現(xiàn)上述功能,而模擬式產(chǎn)品由于無法進行計算和判斷,無法做到完善的限制保護。   
1.5 增強功能    由于采用了數(shù)字式, 感應(yīng)加熱電源可以實現(xiàn)很多增強功能,例如:   a 多種運行方式,內(nèi)置 PID,無需其它設(shè)備即可實現(xiàn)恒溫度控制   b 多種控制方式,容易實現(xiàn)遠方控制及自動化控制   c 工藝曲線編程功能和自動運行   d 頻率自動跟蹤
 2. 各種類型感應(yīng)加熱電源產(chǎn)品性能比較      目前,感應(yīng)加熱電源主要存在電子管式、晶閘管式、MOSFET 式、IGBT 式;而IGBT式又有如下幾種主流產(chǎn)品:    a 可控調(diào)壓 IGBT 并聯(lián)諧振式(變壓器隔離型或非隔離型);   b 不可控調(diào)壓 IGBT 并聯(lián)諧振式(變壓器隔離型或非隔離型);   c 脈寬調(diào)制 IGBT 串聯(lián)諧振式(變壓器隔離型);   d 斬波調(diào)壓 IGBT 串聯(lián)諧振式(變壓器隔離型);    在此僅對各種 IGBT 式設(shè)備與新型數(shù)字式空冷設(shè)備進行比較。