1引言
感應(yīng)加熱是將工件直接加熱,,它具有效率高,,作業(yè)條件好,溫度容易控制,,金屬燒損小,,無需預(yù)熱等優(yōu)點,。
傳統(tǒng)的感應(yīng)加熱設(shè)備應(yīng)用的電力電子器件是電子管和快速晶閘管。電子管電壓高,,穩(wěn)定性差,,幅射強(qiáng),效率低,,已經(jīng)到了淘汰的邊緣,,但它頻率高,功率大,,所以在市場上仍有一席之地,。快速晶閘管是目前應(yīng)用的主力軍,,它耐壓高,,電流大,抗過流,、過壓能力較強(qiáng),。但它只能工作在10000Hz以下,這使其使用范圍受到了限制,。
IGBT是一種復(fù)合功率器件,,它集雙極型功率晶體管和功率MOSFET的優(yōu)點于一體,具有電壓型控制,,輸入阻抗大,、驅(qū)動功率小,控制電路簡單,,開關(guān)損耗小,,通斷速度快,工作頻率較高,,元件容量大,。它不僅達(dá)到了晶閘管不能達(dá)到的頻率(60kHz以上),而且正在逐步取代快速晶閘管,。國外1kHz~80kHz的感應(yīng)加熱已廣泛應(yīng)用IGBT,,這是感應(yīng)加熱電源的發(fā)展方向。圖1為國外各種功率器件的應(yīng)用,。2IGBT電源結(jié)構(gòu)及工作原理
21主電路采用并聯(lián)諧振式逆變器,,主電路如圖2所示。
圖1各種功率器件的應(yīng)用
圖2主電路原理圖
電流源并聯(lián)諧振逆變器具有負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng),,抗負(fù)載短路能力強(qiáng)等優(yōu)點,,該設(shè)備的波形較好,有利于提高裝置的效率和可靠性,。
主電路為三相全波不控整流加濾波,,再經(jīng)斬波后輸入給逆變器,。由于采用IGBT斬波頻率較高(約為20kHz),輸出波形較好,,電抗器尺寸將可縮小為原來的1/3,。
該裝置的整流橋采用普通整流二極管,濾波電容為電解電容450V/1500μF,,斬波IGBT及二極管為富士公司產(chǎn)品,,平波電抗器為自制,,逆變IGBT也是富士公司產(chǎn)品,,諧振回路電容為特制的超音頻電容器,功率輸出變壓器為自行設(shè)計生產(chǎn),。
22斬波控制斬波控制采用SG3525脈寬調(diào)制型控制器,,SG3525是集成PWM控制器件,控制功能比較完備用于斬波十分合適,,全推挽輸出形式,,其輸出峰值為±500mA,電源電壓為(8~35)V,,內(nèi)部設(shè)有欠壓停止電路,,當(dāng)電壓過低時,輸出級截止,。具有5.1V,,溫度系數(shù)±1%的基準(zhǔn)穩(wěn)壓電源,誤差放大器,、振蕩器頻率為100Hz~400kHz(其值由外接電阻Rt,,電容Ct決定)的鋸齒波振蕩器,軟起動電路,,同步電路,,關(guān)閉電路,脈寬調(diào)制比較器,,RS寄存器及保護(hù)電路,。SG3525原理框圖如圖3所示。23逆變控制
圖3SG3525原理框圖
圖4逆變控制框圖
圖5841原理框圖
IGBT為自關(guān)斷器件,,既可工作在容性又可工作在感性,。然而工作在容性或感性都將引起電壓或電流的毛刺,因此采用鎖零電路,,使電源基本上工作在諧振狀況,。在這種情況下,電壓的正弦波和電流的方波(諧振回路上)都比較好,,這不僅對減少開關(guān)損耗,,增加器件壽命有重要意義,,而且也減輕了阻容吸收的負(fù)擔(dān)。
常見的他激轉(zhuǎn)自激線路這里也沒有選用,,他激轉(zhuǎn)自激,,是指在低電壓使用他激信號,隨著電壓的升高自動變?yōu)樽约ば盘?,這也就使它有一個缺點,,當(dāng)感應(yīng)器換掉,他激和自激頻率有差異時,,就會產(chǎn)生電壓上升過程中過流的現(xiàn)象,。在我們的設(shè)備是將他激的固定頻率發(fā)生器改進(jìn)為變頻的頻率發(fā)生器,既從100kHz逐步變?yōu)?0kHz,,同時檢測諧振電壓,,在諧振點時變自激并且過零觸發(fā),保證設(shè)備工作在零度,。逆變線路控制框圖如圖4所示,。
這種逆變控制方式既防止了他激轉(zhuǎn)自激過程中的逆變失敗,又防止了小信號下線路找不到自激頻率情況,。
24IGBT驅(qū)動
IGBT可采用有源或無源兩種驅(qū)動方式,,無源驅(qū)動相對線路簡單,但波形調(diào)整不是很方便,,為此采用富士公司841這種線路,,如圖5所示,對于841很多文章有介紹,,這里只提兩個問題:
(1)在841保護(hù)時并未完全封鎖脈沖,,這給器件安全構(gòu)成威脅,因此在過流輸出和驅(qū)動信號輸入之間加了一個RS觸發(fā)器,,在有過流輸出時完全封鎖驅(qū)動脈沖,。
(2)841過流是檢測IGBT在門極導(dǎo)通時CE間的電壓,當(dāng)超過6V延遲10μs則判斷為過流,。但實踐中發(fā)現(xiàn)很多IGBT在CE間電壓6V時已經(jīng)損壞,,因此我們在IGBT的C極和841的第6腳串一個3V穩(wěn)壓管,使841檢測值由此6V降低為3V實踐證明這樣改進(jìn)明顯增加了841對過流判斷的靈敏性,,使線路不僅能正常的驅(qū)動元件而且在過流時能更有效的保護(hù)器件,。
25過流和過壓的保護(hù)
(1)過流IGBT相對SCR來說抗過流能力比較弱,因此線路設(shè)計一定要保證IGBT的安全,。主要靠兩個辦法:一個是841過流保護(hù),,但這種方式風(fēng)險性較大,二是在電抗器和逆變橋輸入之間串了一個電流傳感器,,當(dāng)它的輸出值超過預(yù)定值時,,一方面封鎖斬波脈沖,,另一方面封鎖逆變脈沖,這一措施使IGBT通過了負(fù)載短路實驗的考驗,。
(2)過壓在這種的諧振電路里主要有兩種過壓產(chǎn)生:1,、隨著負(fù)載電流和電壓角度的增加,負(fù)載電壓會越來越高,,這會對器件構(gòu)成威脅,,解決的辦法是逆變控制鎖0度,另外在負(fù)載上加電壓傳感器檢測電壓的大小,,當(dāng)過大時加以控制,。2、換流過程中的電壓毛刺,,這種現(xiàn)象主要靠加阻容吸收,,值得注意的是逆變電路中的二極管也需要加阻容吸收,如圖6所示,。
3應(yīng)用舉例
(1)某單位要求焊接空調(diào)壓縮機(jī)貯液灌部件,如圖7所示,。
圖6橋路阻容吸收形式
圖7儲液罐外形
①③銅件,,②鋼件,要求焊接①~②及②~③連接處,,焊接表面光亮而且要求基本不變型,。
我們采用IGBT超音頻20kW、40kHz電源,,配合氮?dú)獗Wo(hù)成功地解決了這一問題,。為了提高效率,采用一臺電源同時匹配兩臺變壓器的技術(shù),,依次完成每個部件兩處焊接任務(wù),,每個焊接過程約定4~5秒時間,焊接表面光潔,,無變型,。
(2)熔煉白金
白金熔點為1800,相對比較難熔化,,過去采用電子管電源,,但它體積大,耗電高,,難控制,,在很多場合、尤其在實驗室十分不合適,,國外多采用固態(tài)電源,,價格十分昂貴(約為國內(nèi)產(chǎn)品的5~10倍),,我們采用30kW/30kHzIGBT超音頻電源成功地解決了這一問題,它具有體積小,,熔化迅速,,控制精度高,可靠耐用的優(yōu)點,。
(3)電冰箱壓縮機(jī)外殼紫銅管釬焊
通常采用高頻焊,,某廠家現(xiàn)采用我廠生產(chǎn)的IGBT20kW20kHz型IGBT超音頻電源,其主要優(yōu)點:一是加熱效率高,,可達(dá)85%,,發(fā)振均勻,加熱迅速,,達(dá)到了日本生產(chǎn)的HFB303H1A高周波釬焊設(shè)備T10型超音頻電源的水平,,為國家節(jié)省了大量外匯。
(4)滾柱軸承局部淬火(退火)
某廠的滾柱軸承要求表面局部淬火和局部退火,,如圖8所示,。采用我廠生產(chǎn)的感應(yīng)加熱電源設(shè)備,經(jīng)工藝試驗,,均取得圓滿成功,。特別值得一提的是:電子管高頻電源周圍有強(qiáng)大的電磁場輻射,如長期在這種環(huán)境工作,,對操作員身體健康是有害的,,而我廠研制的個IGBT超音頻電源,由于輸出電壓,、頻率都比電子管高頻電源低得多,,經(jīng)測定,周圍輻射電磁場強(qiáng)度,,均未超過國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn),,測定結(jié)果如表1所示。
圖8 滾動軸承熱處理標(biāo)視圖
表1電子管和IGBT電源的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度比較
電場強(qiáng)度(V/m) | 磁場強(qiáng)度(A/m) | 運(yùn)行參數(shù) | |
---|---|---|---|
國家標(biāo)準(zhǔn) | 20 | 5 | |
IGBT電源 | 5 | 4 | f=25kHzId=40AUd=350V |
電子管電源 | 75 | 80 | f=193kHzId=3AUd=11500V |
4結(jié)語
據(jù)統(tǒng)計,,我國現(xiàn)有100kW級高頻電源一萬余臺,,在各個生產(chǎn)領(lǐng)域運(yùn)行,而且每年還新增近1000臺電子管或晶閘管高頻電源設(shè)備,,浪費(fèi)電能的情況十分嚴(yán)重,。如果采用IGBT超音頻電源不僅節(jié)能效果顯著、效率高,,而且保護(hù)環(huán)境,。它的推廣應(yīng)用勢必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。