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感應加熱用中高頻電源技術的新進展

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 1、引 言
感應加熱用中頻電源技術是通過晶閘管或MOSFET或IGBT等電力半導體器件將工頻(50Hz)變換為中頻(400Hz~200kHz)的技術,由於它具有控製方式靈活,輸出功率大,效率較機組高,變化運行頻率方便等優點,所以在建材、冶金、國防、鐵道、石油等行業獲得了廣泛的應用。本文想追尋我國此領域的發展曆史,介紹其發展現狀,進而探討其發展趨勢。
2、感應加熱用中高頻電源技術的發展曆程

2.1 20世紀70年代眾多單位參與的開發研究期

縱觀我國感應加熱用中頻電源的發展曆史,免费可以看污污污的网站可把其發展概括為70年代的開發研究期、八十年代的成熟應用期、九十年代的大範圍推廣期、20世紀末期的提高性能期。

我國應用電力半導體器件研製感應加熱用中高頻電源的曆史可追溯到20世紀70年代,伴隨著1963年我國第一隻晶閘管的問世,在1970年左右我國開發出了快速晶閘管,1972年左右我國許多單位都開始了晶閘管中頻電源的研究,可以說二十世紀七十年代眾多單位參與的開發研究期掀起了國內第一次中頻熱。這一時期的中頻熱主要表現在從事這一領域研究和開發的單位多,這個時期應用的核心器件為快速晶閘管,其控製電路是由眾多分立元件構成的多塊控製板組成的插件箱結構,同時由於晶閘管製作工藝技術的限製,決定了主電路結構因快速晶閘管的阻斷耐壓不夠高,而是兩個晶閘管或三個晶閘管串聯構成逆變橋臂,所應用快速晶閘管的數量為8隻或12隻,因而不可避免的伴隨著快速晶閘管的均壓網絡,同時應當看到這個時期一則由於晶閘管的關斷時間不能太短,所以決定了中頻電源的輸出頻率不能高;其二,由於快速晶閘管的動態參數dv/dt和di/dt不是很高,導致了係統中限製dv/dt及di/dt的網絡龐大而複雜;第三,在此階段由於整個晶閘管可靠性還很不理想(當時國內戲稱為“可怕矽”),決定了這一階段中頻電源多是實驗室產品,工業中應用的還很少。

2.2 二十世紀八十年代的成熟應用期

到1980年之後,由於國產晶閘管製造工藝的長足進步,更由於改革開放技術引進我國晶閘管的可靠性獲得了很大的進步,因而逐步感應加熱中頻電源已告別實驗室而進入了工業生產中使用,這一時期晶閘管中頻電源逆變橋已逐步從多快速晶閘管串聯向單個晶閘管過渡,但輸出工作頻率仍然不是很高,多在2.5kHz以下,要獲得4kHz或8kHz的輸出頻率仍不得不使用倍頻等複雜控製技術。再應看到這一時期晶閘管中頻電源的起動方案多為帶有專門充電環節的撞擊式起動方案,且控製板為多塊小控製板構成的插件箱式結構。一般整個控製係統由十二塊控製板構成(六個整流觸發板、兩個逆變脈衝板、一個正電源板、一個負電源板、一個保護板、一個調節板),還有這一時期快速晶閘管國產水平關斷時間最快為35µs左右,而阻斷電壓最高不超過1600V,通態平均電流最大為500A,由此決定了對功率容量超過350kW的感應加熱用中頻電源不得不采用多快速晶閘管並聯的方案。

2.3 二十世紀九十年代的大範圍推廣應用期

經曆了前述兩個時期,可以說我國晶閘管中頻電源技術已較成熟。進入1990年之後由於國產快速晶閘管製造工藝上采用中子幅照等工藝使關斷時間進一步縮短,國產快速晶閘管的容量進一步提高,控製技術已有撞擊式起動、零壓起動、內、外橋轉換起動等方案,加之國內建築業對鋼材的大量需求,促使1991年~1993年全國出現了第二次中頻熱,幾年時間內國內新增加了投入運行的幾萬台中頻電源,以至於很多用戶提款待貨,促使了感應加熱中頻電源在國內大範圍推廣使用,其功率容量已從幾十千瓦增加到500kW,甚至1000kW快速晶閘管的製造水平關斷時間已從35µs左右降到25µs左右,甚至20µs以下,阻斷電壓已從1600V上升到2000V左右,單管容量已從500A增加到1000A,這一階段主電路方案在國內分為兩種,一種是以浙江大學為代表的並聯方案,另一種是以湘潭電機廠為代表的串聯方案。

2.4 二十世紀末期的提高性能期

1998年之後,由於國內狠抓建築質量促使對小鋼廠進行大範圍整頓,很多省製定政策限製容量小於500kW的中頻電源使用,促使國內開發單機容量1000kW以上的中頻電源,因而推動了快速晶閘管製造水平的進一步提高,如今國內已能生產單管電流容量達2000A、2500A的快速晶閘管元件,但關斷時間對1500A以上的晶閘管仍然很難降到20µs以下,更為了解決大中頻電源的重爐起動問題,國內電力電子行業開發出了第五代中頻電源控製板,這就是不要同步變壓器的自對相和相序自適應的掃頻起動板,使晶閘管中頻電源的性能和水平上了一個很高的檔次。

再應該提到,為了解決電網的汙染問題,提高效率,借助於IGBT及MOSFET水平提高、容量的擴大和成本的下降,國內感應加熱用中變頻電源已在小容量領域從晶閘管設備向以IGBT和MOSFET為主功率器件的高頻電源過渡(工作頻率為20kHz~200kHz範圍),並已批量投入工業生產中應用,在此領域生產量比較大的有保定紅星高頻設備廠等企業,但由於IGBT或MOSFET等器件應用技術在國內大多數企業還不是很成熟,因而決定了高頻電源的生產企業相對還很少。

3、感應加熱用中高頻電源技術的現狀

我國感應加熱用中高頻電源從無到有,經過了上述的四個發展階段已在國內形成很大的規模,並已用於冶金、電力、石油、化工、電子等行業的焊接、淬火、熔煉、透熱、保溫等領域,其發展現狀可以概括為以下幾點:

(1) 以晶閘管為主功率器件的感應加熱中頻電源已覆蓋了工作頻率為8kHz以下的所有領域,其單機功率容量分50、160、250、500、1000、2000、2500、3000kW幾種,工作頻率有400Hz、1kHz、2.5kHz、4kHz、8kHz幾種。

(2) 中頻電源中三相全控整流橋的觸發器已告別了分立器件構成的多塊板結構,現多為集脈衝形成、保護、功率放大、脈衝整形於一體的單一大板結構(內含逆變橋的脈衝產生與功放和調節器)。

(3) 中頻電源中三相整流橋的晶閘管觸發脈衝產生已從應用同步變壓器,現場調試需對相序的控製模式逐步向不用同步變壓器的具有相位自適應功能的觸發器過渡。

(4) 晶閘管中頻電源的啟動方式已從撞擊式起動、零壓起動、內外橋轉換起動過渡到掃頻起動,其控製技術已從電壓或電流閉環調節進步到恒功率控製,從而使中頻電源的控製效果更好,提高了用戶使用的效率。

(5) 中頻電源用快速晶閘管的單管容量已達2500A/2500V,其最短關斷時間已達15µs,與中頻電源配套的無感電阻高頻電容等製造技術得到了長足的進步,為晶閘管中頻電源的製作帶來了極大的方便。

(6) 晶閘管中頻電源的零部件及配套件如散熱器、熔斷器、電抗器、控製板已標準化、係列化、批量生產化、給晶閘管中頻電源的製造商及維護人員帶來了極大的方便。

(7) MOSFET和IGBT等全控型電力半導體器件的容量已日益擴大,既奠定了中高頻電源的器件基礎,與IGBT及MOSFET配套的驅動器和保護電路已係列化和標準化,給中高頻和超音頻感應加熱電源奠定了基礎和保證,帶來了極大的方便。

(8) 在國內單機容量在500kW以上的感應加熱中頻電源基本上是清一色的晶閘管電源,但工作頻率最高不超過8kHz,容量最大已達4000kW,國內有些企業正在開發單機容量達6000kW的晶閘管中頻電源,以IGBT和MOSFET為主功率器件的中高頻電源,在國內已有批量生產的企業,但生產量相對晶閘管中頻電源來說還是很少,其單機容量在200kW以內,工作頻率基本上都在20kHz~200kHz範圍,超過20kHz的中高頻電源基本上都是應用MOSFET,由於MOSFET到今仍然難以製作出同時滿足高電壓、大電流的條件,所以不得不采用多個MOSFET並聯的方案,從目前使用的實際情況來看,有直接將MOSFET並聯,再逆變獲得較大功率輸出;也有直接將MOSFET構成逆變橋,再多個逆變橋並聯的;應特別注意兩種實現方法都有均流的問題,後者不但有數個逆變器並聯均流的問題,而且有數個逆變橋輸出同相位、同幅值並聯的問題,同時這種方案造成控製係統有多個控製單元。

(9) 現中高頻感應加熱中頻電源的冷卻方式清一色為水冷卻,應用水壓繼電器的居多,存在著水管堵死,水壓很高,但不能冷卻的問題,這很容易造成器件的過熱損壞,所以保護方案總的來說存在著不足,應增加流量繼電器的保護與水壓繼電器配合使用。

4、感應加熱用中高頻電源的發展趨勢探討

(1)以晶閘管為主功率器件的中頻電源仍然不會退出曆史舞台,仍將壟斷大功率(幾千千瓦以上)的中頻電源領域,將是10噸、12噸、20噸煉鋼或保溫,用中頻電源的主流設備。

(2)小功率晶閘管中頻電源(功率容量小於1000kW)的將隨著對效率及煉鋼質量的要求不斷提高,而逐漸減小使用量,但它們在淬火、彎管等領域仍將使用一段時間。

(3)主功率器件為IGCT及GTO的感應加熱用中頻電源將與主功率器件為晶閘管的中頻電源展開激烈的競爭並逐漸縮小前者的市場份額。

(4)中高頻(頻率高於10kHz~30kHz)領域使用的中頻電源將以IGBT為主要器件,其單機容量將隨著IGBT自身容量的不斷擴大而不斷擴大,並獲得越來越大的使用範圍。

(5)高頻(頻率高於100kHz)領域的感應加熱電源將以MOSFET為主要器件,伴隨著MOSFET製造工藝的不斷進步和突破以MOSFET為主功率器件的高頻電源將獲得廣泛的應用,其容量將不斷擴大。

(6)感應加熱用中頻電源的冷卻技術將獲得較大突破,將解決水冷方式對使用者帶來的漏水,水質處理等不便,但這之間也許要經過很長的時間。

(7)感應加熱用中頻電源的配套件將不斷進步,更加標準化、更係列化,給高中頻電源的製造和維修帶來更大的方便。

(8)感應加熱用中頻電源的單機功率容量將不斷擴大,有望突破10MW,其工作頻率將越來越高。

(9)與感應加熱用中高頻電源配套的限製電網幹擾,保證電網綠色化的EMI抑製技術,功率因數校正技術將獲得廣泛應用,並進一步改善中高頻感應加熱電源的輸出波形和效率。

(10)SIT及SITH這些器件將在我國中高頻電源領域獲得應用並填補我國至今沒有自行開發應用這些器件製作的中高頻感應加熱電源的空白。

(11)中高頻感應加熱電源的起動方式,控製技術將再獲得突破,並進一步提高這類電源的性能,采用新型控製策略的中頻電源將獲得大範圍應用。

5、結 論

感應加熱用中高頻電源是我國工業生產中必用的設備,我國從事這類電源的開發與生產已有幾十年的曆史,其發展水平仍需提高,文中涉及的我國中高頻電源的發展現狀和趨勢,可給從事該領域研究的工程技術人員提供參考。