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感應(yīng)加熱電源及技術(shù) |
在電源方面晶閘管中頻取代機式發(fā)電機。20世紀90年代初,國內(nèi)晶閘管電源廠曾如雨后春筍,遍地開花,經(jīng)過優(yōu)越劣汰的競爭,現(xiàn)在生產(chǎn)廠已趨向穩(wěn)定。目前晶閘管電源又在向IGBT晶體管電源發(fā)展,而電子管高頻則將發(fā)展為MOSFET晶體管電源,手提晶體管超音頻、高頻電源市場競爭十分激烈,其未來也將是誰的質(zhì)量高、技術(shù)水平高,誰就能站穩(wěn)腳跟。
國產(chǎn)中頻電源目前都采用并聯(lián)諧振型逆變器結(jié)構(gòu)。因此,在研究和開發(fā)更大容量的并聯(lián)逆變中頻電源的同時,研制結(jié)構(gòu)簡單、易于頻繁起動的串聯(lián)逆變中頻電源是國內(nèi)中頻感應(yīng)加熱裝置領(lǐng)域有待解決的題目,尤其是在熔煉、鑄造應(yīng)用中,串聯(lián)逆變電源易實現(xiàn)全工況下恒功率輸出(有利于降低電能噸耗)及一機多負載功率分配控制,更值得推廣應(yīng)用。
在超音頻(10~100kHz)范圍內(nèi),由于晶閘管本身開關(guān)特性等參數(shù)的限制,給研制該頻段的電源帶來了很大的技術(shù)難度。固然在80年代浙江大學(xué)采用晶閘管倍頻電路研制了50kW/50kHz超音頻電源,采用時間分割電路研制了30kHz的晶閘管超音頻電源,但由于倍頻電路的雙諧振回路耦合使負載呈非線性,時變加熱負載參數(shù)與諧振回路參數(shù)匹配調(diào)試相當(dāng)復(fù)雜,而時間分割電路控制和主回路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,逆變管利用率低,因此沒有得到很好的推廣應(yīng)用。
70至80年代初,人們將現(xiàn)代半導(dǎo)體微集成加工技術(shù)與功率半導(dǎo)體技術(shù)進行結(jié)合,相繼開發(fā)出一大批全控電力電子半導(dǎo)體器件(GTR、MOSFET、SIT、SITH及MCT等),為全固態(tài)超音頻、高頻電源的研制打下了堅實的基礎(chǔ)。
在高頻(100kHz以上)頻段,目前國外正處在從傳統(tǒng)的電子管電源向晶體管化全固態(tài)電源的過渡階段。日本某些公司采用SIT,電源水平在80年代末達到了1000kW、200kHz,400kW、400kHz。
而在歐美,由于SIT存在高通態(tài)損耗(SIT工作于非飽和區(qū))等缺陷,其高頻功率器件以MOSFET為主。隨著MOSFET功率器件的模塊化、大容量化,MOSFET高頻感應(yīng)加熱電源的容量得到了飛速發(fā)展。西班牙采用MOSFET的電流型感應(yīng)加熱電源制造水平達600kW、400kHz,德國在1989年研制的電流型MOSFET感應(yīng)加熱電源水平達480kW、50~200kHz,比利時InductoEiphiac公司生產(chǎn)的電流型MOSFET感應(yīng)加熱電源水平可達1000kW、15~600kHz。浙江大學(xué)在90年代研制出20kW、300kHzMOSFET高頻電源,已被成功應(yīng)用于小型刀具的表面熱處理和飛機渦輪葉片的熱應(yīng)力考核。
目前,感應(yīng)加熱電源在中頻頻段主要采用晶閘管,超音頻頻段主要采用IGBT,而在高頻頻段,由于SIT存在高導(dǎo)通損耗等缺陷,國際上主要發(fā)展MOSFET電源。感應(yīng)加熱電源雖采用諧振逆變器,有利于功率器件實現(xiàn)軟開關(guān),但是感應(yīng)加熱電源通常功率較大,對功率器件、無源器件、電纜、布線、接地和屏蔽等均有很多特殊要求。因此,實現(xiàn)感應(yīng)加熱電源高頻化仍有很多應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)需要進一步探討,特別是新型高頻大功率器件(如MCT、IGBT及SIT功率器件等)的問世,將進一步促進高頻感應(yīng)加熱電源的發(fā)展。
從電路的角度來考慮感應(yīng)加熱電源的大容量化,可將大容量化技術(shù)分為兩大類:一類是器件的串、并聯(lián);另一類是多橋或多臺電源的串、并聯(lián)。在器件的串、并聯(lián)方式中,必須認真處理串聯(lián)器件的均壓題目和并聯(lián)器件的均流題目,由于器件制造工藝和參數(shù)的離散性,限制了器件的串、并聯(lián)數(shù)目,且串、并聯(lián)數(shù)越多,裝置的可靠性越差。多臺電源的串、并聯(lián)技術(shù)是在器件串、并聯(lián)技術(shù)基礎(chǔ)上進一步再容量化的有效手段,借助于可靠的電源串、并聯(lián)技術(shù),在單機容量適當(dāng)?shù)那闆r下,可簡單地通過串、并聯(lián)運行方式得到大容量裝置,每臺單機只是裝置的一個單元(或一個模塊)。
感應(yīng)加熱電源逆變器主要有并聯(lián)逆變器和串聯(lián)逆變器,串聯(lián)逆變器輸出可等效為一低阻抗的電壓源,當(dāng)兩電壓源并聯(lián)時,相互間的幅值、相位和頻率不同或波動時將導(dǎo)致很大的環(huán)流,以至逆變器件的電流產(chǎn)生嚴重不均,因此,串聯(lián)逆變器存在并機擴容困難;而對并聯(lián)逆變器,逆變器輸進真?zhèn)€直流大電抗器可充當(dāng)各并聯(lián)逆變器之間的電流緩沖環(huán)節(jié),使得輸進真?zhèn)€AG/DG或DG/DG環(huán)節(jié)有足夠的時間來糾正直流電流的偏差,達到多機并聯(lián)擴容,晶體管化超音頻、高頻電流多采用并聯(lián)逆變器結(jié)構(gòu),并聯(lián)逆變器易于模塊化、大容量化是其中的一個主要原因。
感應(yīng)加熱電源的負載對象各式各樣,而電源逆變器與負載是一有機的整體,一般采用匹配變壓器連接電源和負載感應(yīng)器,高頻、超音頻電源用的匹配變壓器從磁性材料到繞組結(jié)構(gòu)正在得到進一步的優(yōu)化改進,同時,從電路拓撲上可以用三無源元件代替二無源元件,以取消變壓器,實現(xiàn)高效、低本錢匹配。
感應(yīng)加熱電源,晶閘管、晶體管與電子管式在國內(nèi)均能生產(chǎn)。晶閘管電源已生產(chǎn)應(yīng)用多年。目前IGBT電源因其優(yōu)點更多而更為用戶所采用。MOSFET電源電效率高、低壓,但價格較高,正在逐步取代電子管高頻電源。手提式小型高頻電源因價廉、方便,在國內(nèi)應(yīng)用廣泛,甚至進進國外市場。
超高頻電源(27.12MHz),過往依靠進口,現(xiàn)在國內(nèi)至少有兩個企業(yè)已進行生產(chǎn),解決了刀片、鋸條等特殊工藝的需要。
隨著感應(yīng)熱處理生產(chǎn)線自動化控制程度及電源高可靠性要求的進步,必須加強加熱工藝成套裝置的開發(fā)。同時感應(yīng)加熱系統(tǒng)正向智能化控制方向發(fā)展,具有計算機智能接口、遠程控制和故障自動診斷等控制性能的感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)正成為下一代的發(fā)展目標。
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