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感應加熱變頻電源綜述

責任編輯:歐能高頻淬火設備 閱讀量: 發表時間:2019/3/25 10:41:27【
感應加熱是一門年輕的學科。雖然它的原理發現的較早,但人類真正廣泛應用該項技術還是近三十年的事情。現在它的重要性越來越被人們所認識。

早在19 世紀科學家就發現了電磁感應現象:1831 年法拉第(Michael Faraday)發現電磁感應規律;1868 年福考特(Foucault)提出渦流理論;1840年焦耳-楞茨確定了電阻發熱的關系式Q=I2Rt,這些都是感應加熱的理論基礎。
感應加熱裝置由兩部分組成,一部分是提供能量的交流電源,也稱變頻電源;另一部分是完成電磁感應能量轉換的感應線圈,稱感應爐。早期的感應加熱電源,工頻有(50 Hz或60 Hz)固態電源,中頻有發電機旋轉和固態電源,高頻則有電子管電源。第二次世界大戰前后的感應加熱設備基本上是上述的初級發展水平。
制約感應加熱發展的主要原因是感應加熱電源,而電源又受制于高頻或大功率的開關器件。因此電力電子功率器件的發展,才真正促進了感應加熱電源的發展。1957年美國研制出世界上第一只普通的阻斷型可控硅,我們現在稱為晶閘管(SCR),經過20世紀60 至70年代的工藝完善和產品開發,70 年代后期已形成從低電壓小電流到高壓大電流的系列產品,從而使固態感應加熱電源,走向了實用化階段。與此同時,世界各國研制了大量的派生器件。如逆導晶閘管(RCT),門極輔助關斷晶閘管(GATT),光控晶閘管(LTSCR)、以及80 年代發展的可關斷晶閘管(GTO)等。
今天的電力半導體功率器件的發展更是琳瑯滿目,簡單歸納有:大功率二極管;晶閘管(SCR);雙向晶閘管;門極關斷(GTO)晶閘管(最大8 500 V,3 500 A);
雙極結型晶體管(BTT 或BPT);功率MOSFET;靜電感應晶體管(SIT),(最大1 000 V,300 A,50 MHz);絕緣雙極型晶體管(IGBT)(最大6 500 V,2 500 A);
MOS 控制晶閘管(MCT);集成門極換向晶閘管(IGCT)。這些器件還正在不斷更新和完善中,這些電力半導體器件是現代電力電子設備的核心,更是感應加熱電源賴以發展的基礎。它們為感應加熱電源設備帶來前所未有的活力和廣闊的發展前景。

1 感應加熱應用范圍和優越性
感應加熱的歷史,算起來也不過一百多年,在我國大規模應用,也是改革開放以后的事,但發展前景非常看好。
1890年瑞典人發明了第一臺感應爐———開槽式有心爐。1916年美國人制造出閉槽式有心爐,用于有色金屬冶煉。無心爐是1921年在美國出現,當時采用的是火花式中頻電源。后來才出現了中頻機組電源和固體式晶閘管變頻電源。工頻爐和工頻電源產生于20世紀30年代,高頻電源等由于不同的工藝要求而后相繼問世。
感應加熱早期主要用于有色金屬熔煉和熱處理工藝,現在已廣泛應用于各種領域,如表1 所列。
感應加熱的廣泛應用,究其原因,主要是它本身相對于別的加熱方式所具有的一些獨特性。
1)加熱速度快,可節能。感應加熱是從金屬內部,透入深度層開始加熱,大大節省了熱傳導時間。
其它加熱是從外到內,導熱時間長。據實驗,加熱同一坯料到一定溫度,感應加熱只需火焰爐加熱時間的1/10。
2)加熱溫度高,是非接觸式的電磁感應加熱。
3)可進行局部加熱,容易控制加熱部位。被加熱產品質量穩定,加熱工件的質量再現性與重復性好,各種參數容易控制。
4)控制溫度的精度高,可保證溫差在±0.5%~1%范圍內。
5)感應加熱的熱效率高,一般可達50%~70%,而火焰爐的熱效率一般只有30%左右。
6)容易實現自動化控制。
7)作業環境好,環保,幾乎無熱、噪聲、粉塵等污染。作業占地少,生產效率高。
8)能加熱形狀復雜的工件,加熱或熔煉都能間歇工作。
9)熔煉中溶液有電磁攪拌作用。可以均勻地調整金屬液成分,溶液溫度均勻,不會出現局部高溫。
金屬燒損少,這一點,對熔煉稀有金屬更為重要。


2 國外感應加熱電源現狀
1)工頻(50 Hz或60 Hz)感應加熱電源這種電源比較實用,用于大型工件的整體透熱、大容量爐的熔煉和保溫。國外的工頻感應加熱裝置單臺可達數百MW,用于數10 t的大型工件透熱或數百t的鋼水保溫。目前雖然固態功率器件構成的電源有取代工頻感應加熱電源的趨勢,但短期內,在電源的容量、價格和可靠性方面還難以與構造簡單的工頻感應電源競爭。
2)中頻電源(50 Hz 或60 Hz 以上~10 kHz) 晶閘管感應加熱電源已完全取代了傳統的中頻發電機組和電磁倍頻器。國外的單臺容量已達數十MW。
3)超音頻電源(10耀100 kHz) 早期采用晶閘管———時間分割電路和倍頻電路構成超音頻電源。20 世紀80 年代開始,隨著新型器件(GTO、GTR、MCT、IJBT、BSIT、SITH 和IGBT)的相繼問世,由這些器件構成的簡單逆變橋電路得到了很大的發展,占據了感應加熱電源主導地位。其中IGBT更是一支獨秀,受到了開發者的重視。90年代初期,日本就采用IGBT 研制出了1 200 kW/50 kHz 的電流型感應加熱電源。我國1998年進口日本的3 200 kW/80 kHz感應加熱線在上海運行,是當時國際上最先進的電源之一。一些發達國家如美國,英國,法國,瑞士等都研制出了超音頻感應加熱電源,已達數千kW。
4)高頻電源(100 kHz 以上) 目前正處在傳統的電子管振蕩器向固態電源的過度階段。領先的國家有日本,西班牙,德國,比利時,美國等,采用的器件有SIT和MOSFET,感應加熱電源可達到1MW/15~600 kHz。

 

我國與國外先進國家在感應加熱方面進行比較,存在較大的差距。

3 國內感應加熱電源技術發展與現狀
我國感應加熱技術的應用,起源于上世紀50 年代,感應加熱技術幾乎全來自前蘇聯和捷克等國家,主要用于機床、紡機、汽車、拖拉機等制造業。感應加熱集中在工件表面淬火方面,熔煉和透熱方面用的較少。20世紀60年代,由于和蘇聯的關系破裂,我國走上了感應加熱技術獨立發展的道路。這段時間直到改革開放后,由浙大開發了第一臺并聯式晶閘管中頻電源,并向全國推廣。有關單位相繼也生產了容量在幾百kW,頻率500 Hz~8 kHz的中頻電源。電子管式超音頻電源也研制成功,填補了我國8~200 kHz之間的頻率缺口。
感應加熱電源真正大量應用于工業生產則是20世紀80年代后。近20 多年間我國在感應加熱電源和感應加熱領域發生了令人注目的變化,此階段從德國、美國、英國、法國、日本、意大利、西班牙、比利時和俄羅斯等工業發達國家引進了數百套感應加熱成套裝置(含電源)。粗分類有:各種淬火設備及電源;透熱設備及電源;高頻釬焊設備;熔煉設備及電源;熔煉設備無心感應爐、有心感應爐。
20世紀90年代,國外的一些感應電爐公司直接到中國來辦廠,如美國的英達感應加熱公司,彼樂公司等,和國內的同行業廠家同臺競爭。他們的產品技術含量高,電源功率大,品牌全,爐子噸位大,生產線規模大,占據了國內的很大一部分市場。只是他們的設備價格高(國內同性能產品大約是其價格的1/10),這才使技術落后于他們的國內廠家,有了一定的市場發展空間。

目前國內感應加熱電源的技術水平表現在下面幾點。
感應加熱的高頻、中頻小功率電源大量的采用IGBT 及MOSFET晶體管功率器件,功率在幾kW 到幾百kW,頻率從10 kHz到幾百kHz。這種電源多用于淬火,適應于不同透入深度的工件硬層處理。另有量的雙頻電源和超高頻(27.12 MHz)小功率電源。

雙頻電源一般是指高頻與超音頻組合,例如超音頻40 kHz和中頻0.5 kHz 組合,這樣的感應加熱電源不但效率高,而且更適應處理不同透入深度的工件。
感應透熱方面,工頻電源和中頻電源在市場上同時都在應用。在中頻電源未發展起來的前20年,工頻電源在感應透熱和熔煉方面起著主導作用,現正在逐步退出市場。兩種電源的區別在于工頻電源是由50 Hz 輸出,頻率不變,功率的調節靠前端的變壓器抽頭調輸出電壓達到調功率的目的。由于負載是一相,輸入是三相電,所以電源內有三相調平衡裝置;工頻電源功率因數可補償到1。中頻電源是眾所周知的典型的AC-DC-AC變頻結構,即先把三相工頻電源整流成單相直流,濾波后再逆變為各種頻率的中頻單相交流電源,供給負載感應線圈。

一般椎300 mm 以上的金屬棒料、錠料透熱,大型軸承表面處理多選用工頻電源;椎300 mm 以下的金屬棒料等多選用中頻電源。但也有例外的情況,如2005年公布的國家科技進步一等獎第六項“100 MN鋁擠壓設備技術”,其中用的是2 600 kW 中頻加熱電源,爐子加熱的是椎560 mm×1 950 mm 鋁錠,屬于國際上特大型設備之一。該項目采用計算機控制,梯度加熱,還設計了297 mm×279 mm×580 mm 鋼錠透熱裝置,用的中頻電源是2 400 kW,400 Hz,加熱溫度達到1 300℃。
國內還有幾臺不同功率的電源在同一透熱線上聯合工作的情況,這些電源功率從2000kW 至幾百kW,每個電源負擔幾個加熱線圈,完成一個區域的加熱。幾個電源和各自若干個線圈組合起來,達到了整個生產線的感應加熱要求。

感應熔煉方面,近10年發展特別快。10年前,5 t以上無心感應熔煉爐很少見,基本上都配的是工頻電源。中頻爐因電源功率小,所配爐子大多數都在2 t以下。現在已生產出的無心感應爐有5 t,7 t,10 t,15 t,20 t,25 t,30 t,35 t,40 t 熔煉爐,10 t熔鋁爐(相當于30 t熔鐵爐體積),70 t銅保溫爐(見圖1)。這些無心感應爐所配電源,少數電源功率器件是IGBT,其余基本上都采用的晶閘管功率器件。利用管子的串并聯技術,電源裝機容量已接近20 MW,利用多個電源聯合能使輸出功率更大。

為適應熔煉爐工藝中熔煉和保溫工藝的同時需要,國內還開發出了雙供電變頻電源:一臺電源同時輸出功率到兩臺爐體線圈上,這樣可使一臺變頻電源的功率能靈活的分配給兩臺爐體,即把一臺電源的大功率分配給熔煉爐,余下小功率分配給保溫爐。
兩臺爐的功率可自由互補的調整,整體不超過電源輸出總功率,也可以同時將小功率輸出到兩臺爐體用以保溫。市場上稱這種電源為DX中頻電源,俗稱“一拖二”中頻電源。國內“一拖二”電源的電路結構是建立在逆變串聯諧振電源的基礎上的,前端電路是可控或不控的三相整流電路;中間是直流電路,由電容進行濾波;后端電路由兩個獨立的半橋串聯逆變諧振電路進行逆變,輸出兩路輸出頻率和功率可各自調節的中頻電壓。“一拖二”中頻電源功率器件有選晶閘管的,也有選IGBT的,這兩種電路都有成熟產品在工業現場運行。這里特別要說明的是“一拖二”變頻電源在國外主電路有兩種形式:美國應達、比樂電爐公司開發的為串聯諧振的“一拖二”;德國容克、ABP公司生產的是并聯諧振的“一拖二”。單機容量功率一般在1MW到10 MW。“一拖二”電源盡管市場需求量不大,但很有賣點,是代表感應電爐公司電源開發能力的標志。

目前,感應加熱領域技術先進性標志主要表現在下面幾點。
1)高頻電源采用半導體功率器件,一般是輸出功率越大,技術越先進。
2)感應熔煉中頻爐,電源功率越大,整流的脈波數較多,如18、24 脈波,配置的爐體越大,說明技術越先進。
3)真空感應爐,一般是噸位越大技術越先進。
4)特種感應加熱,被加熱金屬溫度越高或溫度控制的精度誤差越小,其技術含量越高。
5)感應加熱的雙供電電源(一拖二)和多供電電源(一拖多),一般是功率越大,拖的爐子越多,技術含量越高。
6)感應加熱、熔煉、淬火過程的計算機軟件對其系統的檢測、控制、管理的簡單化、傻瓜化、智能化、網絡化和故障自診斷,加上觸摸屏技術的采用,都是感應加熱技術先進性的標志。
4 感應加熱電源的發展趨勢

隨著電力電子功率器件的大容量化,高頻化,電子技術裝置的控制由模擬向數字化,自動向智能化發展,感應加熱電源的發展趨勢呈現以下幾個方面的特點。
1)高頻化感應加熱電源中頻段主要采用晶閘管;超音頻段主要采用IGBT;高頻頻段,原來是SIT,現在主要發展MOSFET電源,采用IGCT的電源也開始亮相。高頻電源的需要催生了新的功率器件,而新的器件又反過來促進了高頻電源的發展。高頻電源由于對功率器件、相關元件,以及布線、結構、接地、屏蔽都有要求,一般很難把功率作大、頻率作高,所以這方面仍有許多應用技術需要進一步探討,開發。
2)大容量化從電路原理角度來看,感應加熱電源的大容量化,如幾十MW,幾百MW,都是可以實現的,但事實上大功率電源要受制于目前電力電子功率開關器件的限制。目前解決電源大容量化,有以下三種技術途徑。
其一,是功率器件進行串并聯方式。功率器件串聯增加耐壓水平,并聯解決大電流問題,這種方法主要是要處理好串聯器件的均壓問題和并聯器件的均流問題。由于電子器件制造工藝和參數離散性,所以功率器件只能進行有限的串、并聯。串并聯功率器件太多,裝置的可靠性就無法保證。現在工業現場運行的1 000 kW(1 MW)至10 MW的感應電源大多采用的是功率器件的串、并聯技術。
其二,是電源整流橋電路,或逆變橋電路的橋與橋之間的串、并聯。整流橋的并聯可以增大電源的電流輸入,整流橋串聯可以提高整流輸出電壓,兩者都對改善諧波有利。一般情況,整流橋串、并聯數越多,對改善諧波越有好處!整流橋的并聯要解決的是各橋的均流問題,串聯解決的是各橋間的均壓問題。多逆變橋的串并聯也是常采用的技術,比單純的功率器件串、并聯提高功率更有實際意義。事實上,超大功率電源都是用了逆變橋組成的復合逆變橋路技術。即把原來逆變橋看作一個模塊或單元,利用這些模塊或單元組成新的逆變橋路。這樣無疑增加了控制電路的復雜性和難度,可以采用計算機控制技術達到這種電路需要的同電壓,同電流,同相位,同頻率等特殊參數條件的控制需求,最終達到功率輸出更大化。國內由雙變壓器雙電源并聯的24脈波,功率達20 000 kW,200 Hz 的中頻電源(配40 t 感應熔煉爐系統)如圖2所示。

其三,是多個獨立電源串、并聯的組合。這個概念不難理解,主要技術是解決好各獨立電源間協同工作的問題。目前,超音頻以上的小功率電源,把一個單機看作一個串并聯單元或模塊,多個單元通過串并聯后提高功率是一項非常有意義的研究。這種產品市場潛力很大。
3)主電路的拓撲結構的多樣化國內市場的感應加熱電源主電路拓撲形式用的最多,技術相對最成熟的線路是逆變并聯電源(即補償電容和感應線圈相并聯形式),如圖3所示。這種電源的主要特點是保護功能易實現。
 

串聯電源的保護功能實現起來難一些,主要是利用限壓和功率管死區設置技術。控制槽路的過壓和逆變橋臂的直通問題。
以上全橋逆變功率器件除了用KK 快速晶閘管外,還可用其它功率器件,如IGBT等。
還有一種形式用的比較多的形式半橋逆變串聯,如圖5所示。這是“一拖二”感應加熱電源用得最多的拓撲結構。

上面所介紹的感應加熱電源主電路結構中,除第一種———并聯結構市場用得最多,技術相對成熟外,其它兩種主電路結構形式的控制回路技術還正在進一步的發展中。
雙供電電源除采用串聯諧振電路外,并聯諧振電路的雙供電電源也是國內的一個技術開發點。
為了減少整流電路的諧波量,國內在推廣用IGBT代替全橋整流的晶閘管,應用了PWM 和矩陣等控制技術;也有用斬波電路來調電源的功率。這些因技術和經驗的原因,產品的市場尚未推廣開。
4)負載匹配感應加熱電源和負載感應線圈及補償電容構成了一個有機體,不可分割。負載的變化,或負載阻抗匹配的是否合適,會直接影響電源的額定功率;頻率是否能達到設計的目標,也會影響感應加熱的效率。感應線圈(負載)的設計計算十分復雜,要設計出一個滿意的負載線圈并非易事。目前采用的計算方法是忽略次要參數,或依靠經驗修正過的公式來設計,有較大誤差。今后為方便這方面的設計,急需要在理論指導下建立精確的數字模型,特別是利用計算機的仿真技術,以便更大范圍地適應各種型式負載的計算精度。在國外,特別是美國,在負載感應器(線圈)用計算機輔助設計和仿真方面已開發了專用的軟件,值得我們借鑒。
5)高功率因數與低諧波感應加熱電源功率因數最好時,能達到0.95,很多時候是在0.85~0.9 之間。另外還有不可避免的諧波,對電網構成了一定的污染,電源功率越大,這種問題越突出。新一代電源必須是高功率因數,低諧波的電源。現在發展的技術有:多重化整流技術、全控功率管加上矩陣控制或PWM控制等技術、串聯線路、斬波技術等。同時也催生了電源諧波的濾除和功率因數補償的消諧裝置的開發和生產。
6)有心感應爐電源的變更有心感應爐具有負載穩定,自然功率因數高(電容未補償前為0.6左右,而無心爐為0.05~0.3),噸位大(國內有200 t的鍍鋅爐)的特點,有心感應爐一直使用的是傳統的工頻電源。這種電源不能進行無級調功率,現在國內有的公司在試著用中頻電源,或接近50 Hz的變頻電源來代替工頻電源,但這種嘗試還存在許多問題,如負載的最佳匹配問題;在50 Hz 頻率運行中,頻率共振和干擾問題;什么樣的拓撲電源更適應這種有心感應爐負載等,都需要進一步的探討。國外進口產品中,在中頻主回路中不用傳統的PCB 線路板而用PLC(工業控制可編程器)來代替工頻電源,功率為2 400 kW,55 Hz。西安某公司在工頻電源的改進上也取得了可喜的成果:用雙向晶閘管作調功器件,達到了工頻電源無級調功率;在三相平衡裝置調節和功率因數補償中采用單片機控制的電感、電容的柔性投切技術。
7)智能控制智能化控制,故障自診斷等都是感應加熱電源發展的必然方向。這些技術的采用,將會使新一代電源運行起來更可靠,性能更好。
這幾年,國內電源的控制電路已基本數字化,市面上流行的中頻電源控制電路除調節器系統還未數字化外,其余部分都已實現了數字化。有的控制板還利用可編程芯片(CPLD),開發出了電源控制專用的大規模數字邏輯電路芯片,使控制板元件和焊點少,故障率低,運行性能良好。有的企業還用美國TI 公司生產的DSP 芯片TMS320LF2407、TMS320F2812等數字微處理芯片進行電源控制電路全數字化設計的嘗試。
從現有情況看,要實現電源控制的全數字化,智能化等,采用DSP 數字微處理器和CPLD 或FPGA芯片編程技術,是一條捷徑。將TI生產的TMS320F2000系列芯片用作電源系統的控制核心應當是一個不錯的選擇。


要使我國感應加熱的發展,盡快趕上國外先進國家同行水平,僅重視上面幾點還是不夠的,還應當重視:
1)要消化吸收國外引進產品中的新技術;
2)各企業要投入一定的人力,財力,自主開發新的技術;
3)主管行業的歸口部門,要重視本行業基礎理論的研究,多翻譯國外的有關資料;
4)鼓勵同行業科技人才互相交流,著書立說,目前行業技術資料非常少且落伍!



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