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各種感應(yīng)加熱電源性能對(duì)比

時(shí)間:2015-07-16 點(diǎn)擊量:489

引言

  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(chǎng)合;利用在高頻磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電流引起導(dǎo)體自身發(fā)熱而進(jìn)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(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。

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(qiáng)大的高頻電流。加熱時(shí),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 目前產(chǎn)品普遍存在的問題及原因

  雖然采用 IGBT 取代晶閘管和電子管已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步,但目前大多數(shù)生產(chǎn)廠商研制生產(chǎn)的感應(yīng)加熱電源設(shè)備仍然存在一些普遍問題,這些問題主要表現(xiàn)為:

  a 效率較低、電能和冷卻水消耗大b 功率元件 IGBT 容易損壞c 電抗器或輸出變壓器容易損壞d 冷卻水回路故障較多e 功率因數(shù)較低、諧波污染大f 設(shè)備可靠連續(xù)運(yùn)行性能欠佳這些問題主要是因?yàn)樵O(shè)計(jì)上的缺陷所致,現(xiàn)針對(duì)這些問題探討其原因:

  a 由于 IGBT、電抗器、輸出變壓器、諧振電容器均采取水冷結(jié)構(gòu),不僅損耗較大、效率較低,冷卻水消耗大,而且容易發(fā)生因?yàn)殂~管結(jié)垢堵塞導(dǎo)致器件燒毀,也容易發(fā)生漏水導(dǎo)致故障范圍擴(kuò)大等問題;且由于水路并聯(lián)支路很多,系統(tǒng)無法保證每一支路均具有斷水保護(hù)功能。

  b 由于模擬式控制電路不能適應(yīng)各種變化工況,使得功率元件IGBT 脫離過零軟開關(guān)狀態(tài),因此開關(guān)損耗增加、并經(jīng)常導(dǎo)致IGBT 過熱損壞。

  c 脈寬調(diào)制型(無斬波調(diào)壓)產(chǎn)品采用軟開通、硬關(guān)斷(或帶緩沖的硬關(guān)斷)電路,因此IGBT 損耗大,且這種方式容易脫離軟開關(guān)狀態(tài)導(dǎo)致IGBT 損壞。

  d 設(shè)備在過壓、過載、感應(yīng)圈短路或部分短路、功率元件過熱等情況下控制電路不能起到有效限制和保護(hù)作用,導(dǎo)致設(shè)備損壞。

  e 并聯(lián)諧振方式的設(shè)備容易發(fā)生逆變單元過壓而損壞器件。

  f 控制電路抗干擾能力差,系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定或保護(hù)限制功能容易誤動(dòng)作,設(shè)備可靠性差;或設(shè)備設(shè)備由于外界因素或偶然因素保護(hù)停機(jī)后不能自動(dòng)重起動(dòng)。

  g 整流后直接采用大容量電力電容濾波,無濾波電感或直流側(cè)IGBT 斬波電路,因此功率因數(shù)低,輸入電流諧波大;如采用電力電解電容,還有發(fā)熱、串聯(lián)均壓?jiǎn)栴}、壽命較短等缺陷。

  2 新型數(shù)字式空冷感應(yīng)加熱電源的主要特點(diǎn)

  一種新型引進(jìn)技術(shù)的 Atec 系列感應(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(dòng)重起動(dòng)功能保證了設(shè)備連續(xù)運(yùn)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(jí)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。


2.1 準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)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(shí),影響頻率跟蹤的離散參數(shù)比較突出,頻率較高時(shí),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(yán)重時(shí)導(dǎo)致IGBT 損壞。因此,提高控制的準(zhǔn)確度是保證IGBT 安全運(yùn)行的前提條件。

  新型 Atec 系列感應(yīng)加熱電源采用DSP 進(jìn)行跟蹤控制,憑借DSP 的快速處理能力,可根據(jù)不同工況進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償,使系統(tǒng)準(zhǔn)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(dòng)電路也有助于更準(zhǔn)確快速的高頻軟開關(guān)電路的實(shí)現(xiàn)。

  2.2 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(yùn)行時(shí),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(zhǔn)確可靠的數(shù)字式 IGBT 軟開關(guān)技術(shù),Atec 系列感應(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(jí)串聯(lián)諧振。輸出隔離有利于安全運(yùn)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(jí)串聯(lián)諧振方式成為可能;次級(jí)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(gè)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(jí)諧振帶隔離變壓器,則因?yàn)樽儔浩鞒休d5-10 倍的無功功率,整個(gè)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(zhǎng)。

  2.3 不間斷運(yùn)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(jī);最為有效的是自動(dòng)重起動(dòng)功能,在外界因素或偶然因素保護(hù)停機(jī)后,處理器經(jīng)分析后立即自動(dòng)重起動(dòng),這樣對(duì)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(dòng)導(dǎo)致設(shè)備停機(jī),模擬式設(shè)備只能等待人工恢復(fù)和再次起動(dòng),Atec 系列數(shù)字式感應(yīng)加熱電源可以在水壓恢復(fù)正常時(shí)立即重起動(dòng),并回到原來的運(yùn)行狀態(tài)。

  2.4 完善的限制保護(hù)措施

  在感應(yīng)加熱設(shè)備中,由于負(fù)載工況比較復(fù)雜,完善的限制保護(hù)措施必不可少,但限制保護(hù)措施絕不能降低設(shè)備運(yùn)行可靠性。

  完善的限制保護(hù)措施應(yīng)該是在有相當(dāng)大的抗擾動(dòng)前提下,當(dāng)較大擾動(dòng)發(fā)生時(shí),設(shè)備起動(dòng)限制程序,但繼續(xù)保持安全運(yùn)行,擾動(dòng)消除后,設(shè)備即恢復(fù)正常運(yùn)行,如此設(shè)備得以不間斷連續(xù)運(yùn)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(qiáng)制保護(hù)退出運(yùn)行。

  數(shù)字式產(chǎn)品容易實(shí)現(xiàn)上述功能,而模擬式產(chǎn)品由于無法進(jìn)行計(jì)算和判斷,無法做到完善的限制保護(hù)。