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感应加热电源的现状与发展趋势

时间:2013-05-14 09:13来源:洛阳科诺 作者:admin 点击:

      感应加热电源是感应加热的核心设备。感应加热电源是随着电力电子技术、微电子技术和现代控制技术发展成熟的。自从感应加热技术应用于上业生产以来,人们对感应加热电源作了大量的研究,形成了多种多样的工作方式和功率控制方式。目前,感应加热电源主要存在着电能转换效率低,装置单位体积功率密度低,EMI大等缺点。为了获得较高的电能转换效率,就要求电源装置具有较高输入、输出功率因数,并实现电力电子器件的软开关,以降低开关损耗。为了获得较大的功率密度,就要求尽可能地减小电源装置的体积。为了减小系统的EMI,就要保证电源系统的电压和电流为正弦波,无高次谐波成份,电子电子器件的开关噪音小。由于目前功率控制方式及主电路拓扑结构的限制,使得在感应加热电源中同时实现以上要求变得非常困难。因此研究一种能够同时实现以上要求的、电路拓扑结构简单、功率控制方便的新型电源变得十分紧迫。
一、国外感应加热电源的发展现状
      晶闸管的问世后,静止变频器取代了原先的中频机组,成为感应加热的主要供电设备口。上世纪七十年代,国内将可控硅感应加热电源装置进行了研究、推广和应用。进入上世纪八十年代和九十年代,随着GTO、GTR、IGBT和大功率MOSFET等全控型大功率开关器件的相继诞生,感应加热电源也不断推陈出新,朝着高功率密度和高频化方向不断发展。尤其是1983年美国GE公司发明的功率器件IGBT,在解决了其挚住问题后(由寄生NPN晶体管引起),大功率高速IGBT已成为众多加热电源的首选器件,频率高达100KHZ以上,功率高达MW级电源已可实现。1994年,日本采用IGBT研制出了1200KW,50KHZ的电流型并联逆变感应加热电源,逆变器工作于零电压开关状态,并实现了微机控制;西班牙在1993年也己报道了30KW--60KW,50--100KHZ电流型并联逆变感应加热电源;欧、美地区的其他一些国家如英国、法国、瑞士等国的系列化感应加热电源目前最大容量也达数百千瓦。
二、国内感应加热电源的发展现状
      在20世纪80年代末,我国约有20万台60——200KW的高频设备,现在用品闸管中频感应加热装置已完全取代了中频发电机。从1986年起浙江大学就开始半导体高频感应加热电源的研究。在90年代初,浙江大学开始对IGBT超音频感应加热电源和MOSFET高频感应加热电源进行研制。1996年50KW/50KHz的IGBT电流型并联逆变感应加热电源通过了产品鉴定。同期,浙江大学研制出20KW/300KHZ的MOSFET高频感应加热电源,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试验中。今天由科诺公司自主研发成功的第三代数字型IGBT感应加热装置基于高可靠性、高安全性、低故障率的用户要求,整体结构设计先进,选用全球知名品牌元器件并配置全面的智能化保护系统,成就科诺电源尖端科技水平,代表了国内的最高发展水平。总的来说,国内高频感应加热电源与国外有较大的差距,现在正朝着以IGBT和MOSFET为主要器件的全固态感应加热电源取代以晶闸管和电子管为主要器件的感应加热电源的方向发展。
一、感应加热电源未来的发展方向
      感应加热电源的水平与半导体功率器件的发展密切相关,因此当前功率器件在性能上的不断完善,使得感应加热电源的发展趋势呈现出以下几方面的特点:
(1)大功率、高频率
      电力半导体器件的大容量与其使用频率有着极密切的关系。早期的晶闸管和晶体管由于受到容量与频率互相制约的影响,不能同时获得大功率、高频率的效果。随着新型器件的发展,如MOSFET,IGBT,MCT等,未来的感应加热电源必将朝着大功率和高频率两者相统一的方向发展,在这方面仍有许多基础应用技术需要进一步探讨。
(2)低损耗、高功率因数
      新型功率器件的通态电阻很小,通态压降小,所以在高频工作条件下,损耗主要表现在基极或门极驱动电路的损耗及器件的开关损耗上。随着功率器件的发展,再加上驱动电路的不断完善和优化,使得整个装置的损耗明显降低。另外,由于感应加热电源一般功率都很大,随着整个电网无功及谐波污染要求的提高,具有高功率因数的电源将是今后的发展趋势。目前谐振技术的引入,一方面降低了电源中开关器件的开通和关断损耗,同时利用锁相技术将逆变器的工作频率锁定在槽路固有的谐振频率内,使得该电源能始终运行在负载功率因数接近为1的状态。
(3)智能化、复合化
      智能化指的是功率半导体集成电路本身,包括过电压、欠电压、过电流、过热等检测与保护功能。复合化指的是在一个功率模块内除了1个或多个功率器件芯片外,还包括相同数量的二极管等,在较小功率模块内也出现了保护电路与功率器件集成一体的电路(IPM)。因此,采用智能化与复合化的集成电路将使元器件数量减少,自动组装降低了成本,电路本身具有诊断与保护等功能而提高了可靠性。随着感应加热生产线自动化控制程度及对电源可靠性要求的提高,感应加热电源正朝着智能化控制方向发展,具有计算机智能接口远程控制、故障自动诊断等控制性能的感应加热电源正成为下一代发展目标。
(4)应用范围扩大化
      采用感应加热方法对锻造钢坯透热,节水节电,无污染;铸造熔炼方面可以实现普通钢、特种钢、非铁金属材料的精细熔炼,同时可提高效率、无污染、金属成份可控;感应钎焊效率高,对被焊母材无损伤,适用于精度高、批量大的工件和体积大、难移动的母材局部钎焊及各类金属管材的焊接;各类零部件的表面热处理大量采用感应加热方法;钢塑材料制造、铝塑薄膜加工以及食品工业、医药工业的封口工艺也大量地采用感应加热的方式。
(5)数字化控制
      电源的控制已经由模拟控制,模数混合控制,进入到全数字控制阶段。全数字控制是一个新的发展趋势,已经在许多功率变换设备中得到应用。
      但是过去数字控制在感应加热中用得较少。近两年来,电源的高性能全数字控制芯片已经开发,费用也已降到比较合理的水平,欧美已有多家公司开发并制造出开关变换器的数字控制芯片及软件。