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浅谈中频感应加热炉发展史(2)

时间:2014-01-14 15:35来源:洛阳科诺工业 作者:admin 点击:

70至80年代初,人们将现代半导体微集成加工技术与功率半导体技术进行结合,相继开发出一大批全控电力电子半导体器件 (GTR、MOSFET、SIT、SITH及MCT等),为全固态超音频、高频电源的研制打下了坚实的基础。

在高频 (100kHz以上)频段,目前国外正处在从传统的电子管电源向晶体管化全固态电源的过渡阶段。日本某些公司采用SIT,电源水平在80年代末达到了1000kW、200kHz, 400kW、400kHz。

而在欧美,由于SIT存在高通态损耗 (SIT工作于非饱和区)等缺陷,其高频功率器件以MOSFET为主。随着MOSFET功率器件的模块化、大容量化, MOSFET高频感应加热电源的容量得到了飞速发展。西班牙采用MOSFET的电流型感应加热电源制造水平达600kW、400kHz,德国在1989年研制的电流型MOSFET感应加热电源水平达480kW、50~200kHz,比利时I nductoEiphiac公司生产的电流型MOSFET感应加热电源水平可达1000kW、15~600kHz。浙江大学在 90年代研制出 20kW、300kHz MOSFET高频电源,已被成功应用于小型刀具的表面热处理和飞机涡轮叶片的热应力考核。

目前,感应加热电源在中频频段主要采用晶闸管,超音频频段主要采用IGBT,而在高频频段,由于SIT存在高导通损耗等缺陷,国际上主要发展MOSFET电源。感应加热电源虽采用谐振逆变器,有利于功率器件实现软开关,但是感应加热电源通常功率较大,对功率器件、无源器件、电缆、布线、接地和屏蔽等均有许多特殊要求。因此,实现感应加热电源高频化仍有许多应用基础技术需要进一步探讨,特别是新型高频大功率器件 (如MCT、IGBT及SIT功率器件等)的问世,将进一步促进高频感应加热电源的发展。

从电路的角度来考虑感应加热电源的大容量化,可将大容量化技术分为两大类:一类是器件的串、并联;另一类是多桥或多台电源的串、并联。在器件的串、并联方式中,必须认真处理串联器件的均压问题和并联器件的均流问题,由于器件制造工艺和参数的离散性,限制了器件的串、并联数目,且串、并联数越多,装置的可靠性越差。多台电源的串、并联技术是在器件串、并联技术基础上进一步再容量化的有效手段,借助于可靠的电源串、并联技术,在单机容量适当的情况下,可简单地通过串、并联运行方式得到大容量装置,每台单机只是装置的一个单元 (或一个模块)。

感应加热电源逆变器主要有并联逆变器和串联逆变器,串联逆变器输出可等效为一低阻抗的电压源,当两电压源并联时,相互间的幅值、相位和频率不同或波动时将导致很大的环流,以至逆变器件的电流产生严重不均,因此,串联逆变器存在并机扩容困难;而对并联逆变器,逆变器输入端的直流大电抗器可充当各并联逆变器之间的电流缓冲环节,使得输入端的AG/DG或DG/DG环节有足够的时间来纠正直流电流的偏差,达到多机并联扩容,晶体管化超音频、高频电流多采用并联逆变器结构,并联逆变器易于模块化、大容量化是其中的一个主要原因。

感应加热电源的负载对象各式各样,而电源逆变器与负载是一有机的整体,一般采用匹配变压器连接电源和负载感应器,高频、超音频电源用的匹配变压器从磁性材料到绕组结构正在得到进一步的优化改进,同时,从电路拓扑上可以用三无源元件代替二无源元件,以取消变压器,实现高效、低成本匹配。

感应加热电源,晶闸管、晶体管与电子管式在国内均能生产。晶闸管电源已生产应用多年。目前 IGBT电源因其优点更多而更为用户所采用。MOSFET电源电效率高、低压,但价格较高,正在逐步取代电子管高频电源。手提式小型高频电源因价廉、方便,在国内应用广泛,甚至进入国外市场。

超高频电源 (27.12MHz),过去依赖进口,现在国内至少有两个企业已进行生产,解决了刀片、锯条等特殊工艺的需要。

随着感应热处理生产线自动化控制程度及电源高可靠性要求的提高,必须加强加热工艺成套装置的开发。同时感应加热系统正向智能化控制方向发展,具有计算机智能接口、远程控制和故障自动诊断等控制性能的感应加热电源系统正成为下一代的发展目标