【正文】 28 91025503010 dffd ??? ???? 或 此公式表明隨著感應(yīng)爐爐膛和爐料尺寸的增大，電流的臨界頻率可以相應(yīng)地降低。 感應(yīng)加熱電源的發(fā)展動(dòng)態(tài) 感應(yīng)加熱電源是感應(yīng)加熱的關(guān)鍵設(shè)備之一，感應(yīng)加熱電源的發(fā)展與電力電子學(xué)及電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展密切相關(guān)。在 50 年代前，感應(yīng)加熱電源主要有：工頻 感應(yīng)熔煉爐、電磁倍頻器、中頻發(fā)電機(jī)組和電子管振蕩器式高頻電源。至今，在中頻（ 150Hz~10kHz）范圍內(nèi)，晶閘管中頻感應(yīng)加熱裝置已完全取代了傳統(tǒng)的中頻發(fā)電機(jī)組和電磁倍頻器。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(shí)，研制結(jié)構(gòu)簡單，易于頻繁起動(dòng)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)域有待解決的問題，尤其是在熔煉、鑄造應(yīng)用中，串聯(lián)逆變電源易實(shí)現(xiàn)全工況下恒功率輸出（有利于降低電能噸耗）及一機(jī)多負(fù)載功率分配控制，更值得推廣應(yīng)用。 70 年代末和 80 年代初，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)的結(jié)合，為開發(fā)新型功率半導(dǎo)體器件提供了條件，相繼出現(xiàn)了一大批全控型電力電子半導(dǎo)體器件，極大地推動(dòng)了電力電子學(xué)發(fā)展，為固態(tài)超音頻、高頻電源的研制提供了堅(jiān)實(shí)的基 礎(chǔ)。 功率 MOS 晶體管與功率雙極管相比存在許多優(yōu)點(diǎn)，由于它為多子工作器件，不存在存儲(chǔ)時(shí)間，因此它的開關(guān)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于雙極晶體管。采用 MOS 管可能引起的問題是由于高速開關(guān)要求電源工藝布置嚴(yán)格，另外，高壓 MOS 晶體管通態(tài)損耗較大。自 1988 年解決了摯住問題后（由寄生 NPN 晶體管引起），大功率高速 IGBT 已成為眾多加熱電源的首選器件，頻率高達(dá) 100kHz，功率高達(dá) MW 級(jí)電源也可實(shí)現(xiàn)。國內(nèi)在 90 年代初開始對(duì) IGBT 超音頻電源的研制，目前制造水平為 1000kW、 50kHz，與國外的水平仍有相當(dāng)大的距離。應(yīng)用于高頻電源的另一功率器件為靜電感應(yīng)晶體管（ SIT），主要以日本為主，電源水平在 80 年代末達(dá)到了 1000kW/200kHz， 100kW/400kHz，SIT 開關(guān)速度比 MOSFET 慢，同時(shí)它存在很大的通態(tài)損耗，隨著 MOSFET、 IGBT性能不斷改進(jìn)， SIT 將失去它存在的價(jià)值。但總的來說，與國外的水平有一定的差距。 1) 高頻化 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，而高頻頻段， 由于 SIT 存在高導(dǎo)通損耗等缺陷，主要發(fā)展 MOSFET 電源。因此，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)加熱電源高頻化仍有許多應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)需進(jìn)一步探討，特別是新型高頻大功率器件（如 MCT、 IGCT 及 SIC 功率器件等）的問世將進(jìn)一步促進(jìn)高頻感應(yīng)加熱電源的發(fā)展。在器件的串、并聯(lián)方式中，必須認(rèn)真處理串聯(lián)器件的均壓問題和并聯(lián)器件的均流問題，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。 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) 二電壓源并聯(lián)時(shí)，相互間的幅值、相位和頻率不同或波動(dòng)時(shí)將導(dǎo)致很大的環(huán)流，以致辭逆變器件的電流產(chǎn)生嚴(yán)重不均，因此串聯(lián)逆變器存在并機(jī)擴(kuò)容困難；而對(duì)并聯(lián)逆變器，逆變器輸入端的直流大電抗器可充當(dāng)各并聯(lián)器之間的電流緩沖環(huán)節(jié)，使得輸入端的 AC/DC 或 DC/DC 環(huán)節(jié)有足夠的時(shí)間來糾正直流電流的偏差，達(dá)到多機(jī)并聯(lián)擴(kuò)容。 3) 負(fù)載匹配 第 11 頁 共 33 頁 感應(yīng)加熱電源多應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，其運(yùn)行工況比較復(fù)雜，它與鋼鐵、冶金和金屬熱處理行業(yè)具 有十分密切的聯(lián)系，它的負(fù)載對(duì)象各式各樣，而電源逆變器與負(fù)載是一有機(jī)的整體，負(fù)載直接影響到電源的運(yùn)行效率和可靠性。另外，從電路拓?fù)渖县?fù)載結(jié)構(gòu)以三個(gè)無源元件代替原來的二個(gè)無源元件以取消匹配變壓器，實(shí)現(xiàn)高效、低成本隔離匹配。具有計(jì)算機(jī)智能接口、遠(yuǎn)程控制、故障自動(dòng)診斷等控制性能的感應(yīng)加熱電源正成為下一代發(fā)展目標(biāo)。 第 2章 無鐵心感應(yīng)電爐對(duì)晶閘管中頻電源 的要求 對(duì)中頻輸出功率的要求 晶閘管中頻電源的輸出功率除必須銘足感應(yīng)爐的最大功率外，還要考慮到輸出功率能方 便得調(diào)節(jié)。一般以 10%~20%的額定功率開始。這時(shí)裝置的輸出功率能在10%~100%范圍內(nèi)方便地調(diào)節(jié)。感應(yīng)器實(shí)際上是一個(gè)電感線圈。這就組成了圖 34所示的 LC并聯(lián)振蕩電路。感應(yīng)爐內(nèi)將得到最大的功率。電容 C的數(shù)值一般是不變的，而 L則因爐料的磁導(dǎo)率變化而變化。 大容量感應(yīng)爐對(duì)中頻電源的要求 中頻電源的輸出電壓一般不很高而電流很大，這是因?yàn)殡妷禾邥r(shí)，晶閘管串聯(lián)過多，均壓比較困難，工作不可靠。當(dāng)感應(yīng)爐容量增大時(shí)，這個(gè)問題更為突出。因此，大容量的中頻裝置都是把中頻電壓升高后供給爐子。所以要求中頻電源工作可靠，并且有必要的自動(dòng)保護(hù)設(shè)施。 第三章 主電路的工作原理及參數(shù)計(jì)算 三相中頻電源的基本原理，就是通過一個(gè)三相橋式全控整流電路把工頻電流變成直流電，經(jīng)過直流電抗器濾波最后經(jīng)過逆變器變成單相中頻交流電供給給負(fù)載。其框圖如下 第 13 頁 共 33 頁 本設(shè)計(jì)不用整流變壓器而直接由 380V三相交流接入再整流為直流電源 .常用的三相可控整流電路有 :1)三相半波 2)三相半控橋 3)三相全控橋 4)雙反星形等 .根據(jù)他們的各自特點(diǎn)和使用場(chǎng)合等因素綜合考慮 .本設(shè)計(jì)采用三相全控橋整流電路 .三相全控整流電壓脈動(dòng)小 ,脈動(dòng)頻率高 ,基波頻率為 抗器電感量小動(dòng)態(tài)響應(yīng)快 ,系統(tǒng)調(diào)整及時(shí) .并且全控橋電路可以實(shí)現(xiàn)有源逆變，把能量回送到電網(wǎng)或者采用觸發(fā)脈沖快速后移至逆變區(qū)，使電路瞬間進(jìn)入有源逆變狀態(tài)進(jìn)行過電流保護(hù)，圖所示三相全控整流電路共有六個(gè)橋臂，在每一個(gè)時(shí)刻必須有兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通才能夠工作， 輸出的電壓為為線電壓。這種整流電路由于在每一個(gè)瞬間都有兩個(gè)橋臂工作，而且每個(gè)橋臂導(dǎo)通時(shí)間間隔為 60度電角度。六 只晶閘管的導(dǎo)通順序如圖所示。 從式上式可知： =0度時(shí) Ud值最大； =90度時(shí)， Ud=0。 本設(shè)置中頻輸出功率為 100KW，考慮逆變橋路損耗與一定的功率余量，取最大整流輸出功 率 Pdm=UdmIdm= Udm=220V= 所以 Idm= 在平波電感 Ld 足夠大、電流為矩形波的情況下，晶閘管 IT (AV) ≥ 表，三相全控橋 K= ， IT (AV)== 考慮到安全系數(shù)和現(xiàn)有元?dú)饧娏饕?guī)格，選 IT (AV)=200A 的元?dú)饧?，所以整流橋路晶閘管選用 KP20010。 C為補(bǔ)償電容（即換流電容），其 主要作用是：（ 1）與感性負(fù)載構(gòu)成并聯(lián)諧振，為負(fù)載提供無功功率，提高了裝置的功率因數(shù)。 第 15 頁 共 33 頁 當(dāng)逆變橋?qū)чl管（ VT VT4或 VT VT3） 以接近電路諧振頻率交替觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，流進(jìn)負(fù)載線圈的中頻電流便產(chǎn)生了中頻交流磁場(chǎng)。由圖波形可見，流進(jìn)并聯(lián)諧振電路的電流 ia 為梯形交流波形，可分解成基波分量正弦電流 ia1以及其他高次諧波電流，而電路諧振頻率恰好是基波分量正弦電流 ia1的頻率，呈現(xiàn)高阻抗，對(duì)其高次諧波均視為短路，所以負(fù)載兩端電壓 ua波形是很 好的中頻正弦波，并且滯后 ia1一定角度 （因等效負(fù)載呈容性）。 圖中并聯(lián)諧振逆變器一周工作過程大致可分為導(dǎo)通階段與換流階段：（ 1）圖中VT VT4觸發(fā)導(dǎo)通工作與圖波形中 t1~t2階段相對(duì)應(yīng)。（ 2）圖電路對(duì)應(yīng)于圖波形 t2~t4換流階段。（ 3）圖電路所對(duì)應(yīng)于圖波形中 t4~t5，為 VT2與 VT3導(dǎo)通工作 階段，負(fù)載得到正弦波電壓 ua的負(fù)半波。 第 16 頁 共 33 頁 從圖 ua波形可知，滯后功率因數(shù)角 應(yīng)滿足晶閘管恢復(fù)到正向阻斷能力所需要的時(shí)間。中頻輸出功率 由上式可見，調(diào)節(jié)功率主要是改變 Ud大小。 要想使并聯(lián)諧的電路可靠，對(duì)觸發(fā)電路有以下幾個(gè)要求：（ 1）具有自動(dòng)調(diào)節(jié)頻能力。（ 2）合適的觸發(fā)脈沖。脈沖寬度應(yīng)為 10~500s之間。 要想實(shí)現(xiàn)上述對(duì)觸發(fā)電路的要求，首先要找到一個(gè)合適的控制信號(hào)。 并聯(lián)電容中的電流與 ua相位差90度，利用 ic在電阻上形成的電壓第 17 頁 共 33 頁 作為比較信號(hào)是十分合適的。 2)ic產(chǎn)生的電壓信號(hào)與 ua的交點(diǎn)任一位置，即調(diào)節(jié)電壓信號(hào)與 ua的交點(diǎn)在一半周上只在一個(gè)交點(diǎn)，它正好作為換流點(diǎn)信號(hào)。實(shí)現(xiàn)上述設(shè)想的具體電路如圖所示。改變 PR9的大小即改變了合成信號(hào)的過零時(shí)刻，當(dāng)電流信號(hào)幅值增大時(shí)， tf也就增大了。 合成后的信號(hào) us通過 R R8接入逆變觸發(fā)電路，當(dāng) us信號(hào)由正變負(fù)時(shí)， V4截止， V3導(dǎo)通，經(jīng) C R3微分后得到寬度約 100s的正尖脈沖，復(fù)合管 V V2得到觸發(fā)而導(dǎo)通，這時(shí)直流電壓從 23 201端輸入到逆變 脈沖變壓器一次側(cè)，脈沖變壓器的二次側(cè)感應(yīng)出觸發(fā)脈沖去觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管。圖中 R R8為限流電阻， VD VD VD5組成雙向限幅電路， C3為抗干擾電容， VD2的作用同 VD3，C1為加速電容， R1為限流電阻， VD1并聯(lián)于脈沖變壓器一次側(cè)以消除振蕩，從而保護(hù) V V2不被關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生脈沖電壓擊穿 逆變電路的參數(shù)計(jì)算 本裝置的具體條件 Pa=100Kw ?=1000Hz dU =500V Id=250A cos φ=、電網(wǎng)電壓 波動(dòng)為 ? 5% （ 1）逆變晶閘管選擇 額定電壓 UTN= Ua22)~( aU =?? =728V UTN=(~2) 2 728V=1544~2059V 選擇 1800V 的快速晶閘管，或者兩個(gè) 1000V 的管子串聯(lián)，并采用均壓措施。代入上式 qt = ?? ?? 106=63us 觸發(fā)引前時(shí)間 ft = rt +k qt =+63us=107us 因?yàn)楸狙b置穩(wěn)定 ft =110 us 是適當(dāng)?shù)?,故其對(duì)應(yīng)的功率因數(shù)角 φ = 度 負(fù)載補(bǔ)償電容器 補(bǔ)償電容器提供無功功率 Q 應(yīng)滿足 : 補(bǔ)償負(fù)載的無功功率 Q1=LP?cos sinφ L