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中高频感应加热电源技术的发展应用及现状

时间:2014-01-06 16:49来源:洛阳科诺工业 作者:admin 点击:

感应加热用中频电源技术是通过晶闸管或MOSFET或IGBT等电力半导体器件将工频(50Hz)变换为中频(400Hz~200kHz)的技术,由于它具有控制方式灵活,输出功率大,效率较机组高,变化运行频率方便等优点,所以在建材、冶金、国防、铁道、石油等行业获得了广泛的应用。本文想追寻我国此领域的发展历史,介绍其发展现状,进而探讨其发展趋势。

1、感应加热用中高频电源技术的发展历程

1.1 20世纪70年代众多单位参与的开发研究期

纵观我国感应加热用中频电源的发展历史,我们可把其发展概括为70年代的开发研究期、八十年代的成熟应用期、九十年代的大范围推广期、20世纪末期的提高性能期。

我国应用电力半导体器件研制感应加热用中高频电源的历史可追溯到20世纪70年代,伴随着1963年我国第一只晶闸管的问世,在1970年左右我国开发出了快速晶闸管,1972年左右我国许多单位都开始了晶闸管中频电源的研究,可以说二十世纪七十年代众多单位参与的开发研究期掀起了国内第一次中频热。这一时期的中频热主要表现在从事这一领域研究和开发的单位多,这个时期应用的核心器件为快速晶闸管,其控制电路是由众多分立元件构成的多块控制板组成的插件箱结构,同时由于晶闸管制作工艺技术的限制,决定了主电路结构因快速晶闸管的阻断耐压不够高,而是两个晶闸管或三个晶闸管串联构成逆变桥臂,所应用快速晶闸管的数量为8只或12只,因而不可避免的伴随着快速晶闸管的均压网络,同时应当看到这个时期一则由于晶闸管的关断时间不能太短,所以决定了中频电源的输出频率不能高;其二,由于快速晶闸管的动态参数dv/dt和di/dt不是很高,导致了系统中限制dv/dt及di/dt的网络庞大而复杂;第三,在此阶段由于整个晶闸管可靠性还很不理想(当时国内戏称为“可怕硅”),决定了这一阶段中频电源多是实验室产品,工业中应用的还很少。

1.2 二十世纪八十年代的成熟应用期

到1980年之后,由于国产晶闸管制造工艺的长足进步,更由于改革开放技术引进我国晶闸管的可靠性获得了很大的进步,因而逐步感应加热中频电源已告别实验室而进入了工业生产中使用,这一时期晶闸管中频电源逆变桥已逐步从多快速晶闸管串联向单个晶闸管过渡,但输出工作频率仍然不是很高,多在2.5kHz以下,要获得4kHz或8kHz的输出频率仍不得不使用倍频等复杂控制技术。再应看到这一时期晶闸管中频电源的起动方案多为带有专门充电环节的撞击式起动方案,且控制板为多块小控制板构成的插件箱式结构。

一般整个控制系统由十二块控制板构成(六个整流触发板、两个逆变脉冲板、一个正电源板、一个负电源板、一个保护板、一个调节板),还有这一时期快速晶闸管国产水平关断时间最快为35μs左右,而阻断电压最高不超过1600V,通态平均电流最大为500A,由此决定了对功率容量超过350kW的感应加热用中频电源不得不采用多快速晶闸管并联的方案。

1.3 二十世纪九十年代的大范围推广应用期

经历了前述两个时期,可以说我国晶闸管中频电源技术已较成熟。进入1990年之后由于国产快速晶闸管制造工艺上采用中子幅照等工艺使关断时间进一步缩短,国产快速晶闸管的容量进一步提高,控制技术已有撞击式起动、零压起动、内、外桥转换起动等方案,加之国内建筑业对钢材的大量需求,促使1991年~1993年全国出现了第二次中频热,几年时间内国内新增加了投入运行的几万台中频电源,以至于很多用户提款待货,促使了感应加热中频电源在国内大范围推广使用,其功率容量已从几十千瓦增加到500kW,甚至1000kW快速晶闸管的制造水平关断时间已从35μs左右降到25μs左右,甚至20μs以下,阻断电压已从1600V上升到2000V左右,单管容量已从500A增加到1000A,这一阶段主电路方案在国内分为两种,一种是以浙江大学为代表的并联方案,另一种是以湘潭电机厂为代表的串联方案。

1.4 二十世纪末期的提高性能期

1998年之后,由于国内狠抓建筑质量促使对小钢厂进行大范围整顿,很多省制定政策限制容量小于500kW的中频电源使用,促使国内开发单机容量1000kW以上的中频电源,因而推动了快速晶闸管制造水平的进一步提高,如今国内已能生产单管电流容量达2000A、2500A的快速晶闸管元件,但关断时间对1500A以上的晶闸管仍然很难降到20μs以下,更为了解决大中频电源的重炉起动问题,国内电力电子行业开发出了第五代中频电源控制板,这就是不要同步变压器的自对相和相序自适应的扫频起动板,使晶闸管中频电源的性能和水平上了一个很高的档次。

再应该提到,为了解决电网的污染问题,提高效率,借助于IGBT及MOSFET水平提高、容量的扩大和成本的下降,国内感应加热用中变频电源已在小容量领域从晶闸管设备向以IGBT和MOSFET为主功率器件的高频电源过渡(工作频率为20kHz~200kHz范围),并已批量投入工业生产中应用,在此领域生产量比较大的有保定红星高频设备厂等企业,但由于IGBT或MOSFET等器件应用技术在国内大多数企业还不是很成熟,因而决定了高频电源的生产企业相对还很少。

2、感应加热用中高频电源技术的现状

我国感应加热用中高频电源从无到有,经过了上述的四个发展阶段已在国内形成很大的规模,并已用于冶金、电力、石油、化工、电子等行业的焊接、淬火、熔炼、透热、保温等领域,其发展现状可以概括为以下几点:

(1) 以晶闸管为主功率器件的感应加热中频电源已覆盖了工作频率为8kHz以下的所有领域,其单机功率容量分50、160、250、500、1000、2000、2500、3000kW几种,工作频率有400Hz、1kHz、2.5kHz、4kHz、8kHz几种。

(2) 中频电源中三相全控整流桥的触发器已告别了分立器件构成的多块板结构,现多为集脉冲形成、保护、功率放大、脉冲整形于一体的单一大板结构(内含逆变桥的脉冲产生与功放和调节器)。

(3) 中频电源中三相整流桥的晶闸管触发脉冲产生已从应用同步变压器,现场调试需对相序的控制模式逐步向不用同步变压器的具有相位自适应功能的触发器过渡。