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感应加热变频电源综述

责任编辑:欧能高频淬火设备 阅读量: 发表时间:2019/3/25 10:41:27【
感应加热是一门年轻的学科。虽然它的原理发现的较早,但人类真正广泛应用该项技术还是近三十年的事情。现在它的重要性越来越被人们所认识。

早在19 世纪科学家就发现了电磁感应现象:1831 年法拉第(Michael Faraday)发现电磁感应规律;1868 年??继兀‵oucault)提出涡流理论;1840年焦耳-楞茨确定了电阻发热的关系式Q=I2Rt,这些都是感应加热的理论基础。
感应加热装置由两部分组成,一部分是提供能量的交流电源,也称变频电源;另一部分是完成电磁感应能量转换的感应线圈,称感应炉。早期的感应加热电源,工频有(50 Hz或60 Hz)固态电源,中频有发电机旋转和固态电源,高频则有电子管电源。第二次世界大战前后的感应加热设备基本上是上述的初级发展水平。
制约感应加热发展的主要原因是感应加热电源,而电源又受制于高频或大功率的开关器件。因此电力电子功率器件的发展,才真正促进了感应加热电源的发展。1957年美国研制出世界上第一只普通的阻断型可控硅,我们现在称为晶闸管(SCR),经过20世纪60 至70年代的工艺完善和产品开发,70 年代后期已形成从低电压小电流到高压大电流的系列产品,从而使固态感应加热电源,走向了实用化阶段。与此同时,世界各国研制了大量的派生器件。如逆导晶闸管(RCT),门极辅助关断晶闸管(GATT),光控晶闸管(LTSCR)、以及80 年代发展的可关断晶闸管(GTO)等。
今天的电力半导体功率器件的发展更是琳琅满目,简单归纳有:大功率二极管;晶闸管(SCR);双向晶闸管;门极关断(GTO)晶闸管(最大8 500 V,3 500 A);
双极结型晶体管(BTT 或BPT);功率MOSFET;静电感应晶体管(SIT),(最大1 000 V,300 A,50 MHz);绝缘双极型晶体管(IGBT)(最大6 500 V,2 500 A);
MOS 控制晶闸管(MCT);集成门极换向晶闸管(IGCT)。这些器件还正在不断更新和完善中,这些电力半导体器件是现代电力电子设备的核心,更是感应加热电源赖以发展的基础。它们为感应加热电源设备带来前所未有的活力和广阔的发展前景。

1 感应加热应用范围和优越性
感应加热的历史,算起来也不过一百多年,在我国大规模应用,也是改革开放以后的事,但发展前景非??春?。
1890年瑞典人发明了第一台感应炉———开槽式有心炉。1916年美国人制造出闭槽式有心炉,用于有色金属冶炼。无心炉是1921年在美国出现,当时采用的是火花式中频电源。后来才出现了中频机组电源和固体式晶闸管变频电源。工频炉和工频电源产生于20世纪30年代,高频电源等由于不同的工艺要求而后相继问世。
感应加热早期主要用于有色金属熔炼和热处理工艺,现在已广泛应用于各种领域,如表1 所列。
感应加热的广泛应用,究其原因,主要是它本身相对于别的加热方式所具有的一些独特性。
1)加热速度快,可节能。感应加热是从金属内部,透入深度层开始加热,大大节省了热传导时间。
其它加热是从外到内,导热时间长。据实验,加热同一坯料到一定温度,感应加热只需火焰炉加热时间的1/10。
2)加热温度高,是非接触式的电磁感应加热。
3)可进行局部加热,容易控制加热部位。被加热产品质量稳定,加热工件的质量再现性与重复性好,各种参数容易控制。
4)控制温度的精度高,可保证温差在±0.5%~1%范围内。
5)感应加热的热效率高,一般可达50%~70%,而火焰炉的热效率一般只有30%左右。
6)容易实现自动化控制。
7)作业环境好,环保,几乎无热、噪声、粉尘等污染。作业占地少,生产效率高。
8)能加热形状复杂的工件,加热或熔炼都能间歇工作。
9)熔炼中溶液有电磁搅拌作用??梢跃鹊氐髡鹗粢撼煞?,溶液温度均匀,不会出现局部高温。
金属烧损少,这一点,对熔炼稀有金属更为重要。


2 国外感应加热电源现状
1)工频(50 Hz或60 Hz)感应加热电源这种电源比较实用,用于大型工件的整体透热、大容量炉的熔炼和保温。国外的工频感应加热装置单台可达数百MW,用于数10 t的大型工件透热或数百t的钢水保温。目前虽然固态功率器件构成的电源有取代工频感应加热电源的趋势,但短期内,在电源的容量、价格和可靠性方面还难以与构造简单的工频感应电源竞争。
2)中频电源(50 Hz 或60 Hz 以上~10 kHz) 晶闸管感应加热电源已完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器。国外的单台容量已达数十MW。
3)超音频电源(10耀100 kHz) 早期采用晶闸管———时间分割电路和倍频电路构成超音频电源。20 世纪80 年代开始,随着新型器件(GTO、GTR、MCT、IJBT、BSIT、SITH 和IGBT)的相继问世,由这些器件构成的简单逆变桥电路得到了很大的发展,占据了感应加热电源主导地位。其中IGBT更是一支独秀,受到了开发者的重视。90年代初期,日本就采用IGBT 研制出了1 200 kW/50 kHz 的电流型感应加热电源。我国1998年进口日本的3 200 kW/80 kHz感应加热线在上海运行,是当时国际上最先进的电源之一。一些发达国家如美国,英国,法国,瑞士等都研制出了超音频感应加热电源,已达数千kW。
4)高频电源(100 kHz 以上) 目前正处在传统的电子管振荡器向固态电源的过度阶段。领先的国家有日本,西班牙,德国,比利时,美国等,采用的器件有SIT和MOSFET,感应加热电源可达到1MW/15~600 kHz。

 

我国与国外先进国家在感应加热方面进行比较,存在较大的差距。

3 国内感应加热电源技术发展与现状
我国感应加热技术的应用,起源于上世纪50 年代,感应加热技术几乎全来自前苏联和捷克等国家,主要用于机床、纺机、汽车、拖拉机等制造业。感应加热集中在工件表面淬火方面,熔炼和透热方面用的较少。20世纪60年代,由于和苏联的关系破裂,我国走上了感应加热技术独立发展的道路。这段时间直到改革开放后,由浙大开发了第一台并联式晶闸管中频电源,并向全国推广。有关单位相继也生产了容量在几百kW,频率500 Hz~8 kHz的中频电源。电子管式超音频电源也研制成功,填补了我国8~200 kHz之间的频率缺口。
感应加热电源真正大量应用于工业生产则是20世纪80年代后。近20 多年间我国在感应加热电源和感应加热领域发生了令人注目的变化,此阶段从德国、美国、英国、法国、日本、意大利、西班牙、比利时和俄罗斯等工业发达国家引进了数百套感应加热成套装置(含电源)。粗分类有:各种淬火设备及电源;透热设备及电源;高频钎焊设备;熔炼设备及电源;熔炼设备无心感应炉、有心感应炉。
20世纪90年代,国外的一些感应电炉公司直接到中国来办厂,如美国的英达感应加热公司,彼乐公司等,和国内的同行业厂家同台竞争。他们的产品技术含量高,电源功率大,品牌全,炉子吨位大,生产线规模大,占据了国内的很大一部分市场。只是他们的设备价格高(国内同性能产品大约是其价格的1/10),这才使技术落后于他们的国内厂家,有了一定的市场发展空间。

目前国内感应加热电源的技术水平表现在下面几点。
感应加热的高频、中频小功率电源大量的采用IGBT 及MOSFET晶体管功率器件,功率在几kW 到几百kW,频率从10 kHz到几百kHz。这种电源多用于淬火,适应于不同透入深度的工件硬层处理。另有量的双频电源和超高频(27.12 MHz)小功率电源。

双频电源一般是指高频与超音频组合,例如超音频40 kHz和中频0.5 kHz 组合,这样的感应加热电源不但效率高,而且更适应处理不同透入深度的工件。
感应透热方面,工频电源和中频电源在市场上同时都在应用。在中频电源未发展起来的前20年,工频电源在感应透热和熔炼方面起着主导作用,现正在逐步退出市场。两种电源的区别在于工频电源是由50 Hz 输出,频率不变,功率的调节靠前端的变压器抽头调输出电压达到调功率的目的。由于负载是一相,输入是三相电,所以电源内有三相调平衡装置;工频电源功率因数可补偿到1。中频电源是众所周知的典型的AC-DC-AC变频结构,即先把三相工频电源整流成单相直流,滤波后再逆变为各种频率的中频单相交流电源,供给负载感应线圈。

一般椎300 mm 以上的金属棒料、锭料透热,大型轴承表面处理多选用工频电源;椎300 mm 以下的金属棒料等多选用中频电源。但也有例外的情况,如2005年公布的国家科技进步一等奖第六项“100 MN铝挤压设备技术”,其中用的是2 600 kW 中频加热电源,炉子加热的是椎560 mm×1 950 mm 铝锭,属于国际上特大型设备之一。该项目采用计算机控制,梯度加热,还设计了297 mm×279 mm×580 mm 钢锭透热装置,用的中频电源是2 400 kW,400 Hz,加热温度达到1 300℃。
国内还有几台不同功率的电源在同一透热线上联合工作的情况,这些电源功率从2000kW 至几百kW,每个电源负担几个加热线圈,完成一个区域的加热。几个电源和各自若干个线圈组合起来,达到了整个生产线的感应加热要求。

感应熔炼方面,近10年发展特别快。10年前,5 t以上无心感应熔炼炉很少见,基本上都配的是工频电源。中频炉因电源功率小,所配炉子大多数都在2 t以下。现在已生产出的无心感应炉有5 t,7 t,10 t,15 t,20 t,25 t,30 t,35 t,40 t 熔炼炉,10 t熔铝炉(相当于30 t熔铁炉体积),70 t铜保温炉(见图1)。这些无心感应炉所配电源,少数电源功率器件是IGBT,其余基本上都采用的晶闸管功率器件。利用管子的串并联技术,电源装机容量已接近20 MW,利用多个电源联合能使输出功率更大。

为适应熔炼炉工艺中熔炼和保温工艺的同时需要,国内还开发出了双供电变频电源:一台电源同时输出功率到两台炉体线圈上,这样可使一台变频电源的功率能灵活的分配给两台炉体,即把一台电源的大功率分配给熔炼炉,余下小功率分配给保温炉。
两台炉的功率可自由互补的调整,整体不超过电源输出总功率,也可以同时将小功率输出到两台炉体用以保温。市场上称这种电源为DX中频电源,俗称“一拖二”中频电源。国内“一拖二”电源的电路结构是建立在逆变串联谐振电源的基础上的,前端电路是可控或不控的三相整流电路;中间是直流电路,由电容进行滤波;后端电路由两个独立的半桥串联逆变谐振电路进行逆变,输出两路输出频率和功率可各自调节的中频电压。“一拖二”中频电源功率器件有选晶闸管的,也有选IGBT的,这两种电路都有成熟产品在工业现场运行。这里特别要说明的是“一拖二”变频电源在国外主电路有两种形式:美国应达、比乐电炉公司开发的为串联谐振的“一拖二”;德国容克、ABP公司生产的是并联谐振的“一拖二”。单机容量功率一般在1MW到10 MW。“一拖二”电源尽管市场需求量不大,但很有卖点,是代表感应电炉公司电源开发能力的标志。

目前,感应加热领域技术先进性标志主要表现在下面几点。
1)高频电源采用半导体功率器件,一般是输出功率越大,技术越先进。
2)感应熔炼中频炉,电源功率越大,整流的脉波数较多,如18、24 脉波,配置的炉体越大,说明技术越先进。
3)真空感应炉,一般是吨位越大技术越先进。
4)特种感应加热,被加热金属温度越高或温度控制的精度误差越小,其技术含量越高。
5)感应加热的双供电电源(一拖二)和多供电电源(一拖多),一般是功率越大,拖的炉子越多,技术含量越高。
6)感应加热、熔炼、淬火过程的计算机软件对其系统的检测、控制、管理的简单化、傻瓜化、智能化、网络化和故障自诊断,加上触摸屏技术的采用,都是感应加热技术先进性的标志。
4 感应加热电源的发展趋势

随着电力电子功率器件的大容量化,高频化,电子技术装置的控制由模拟向数字化,自动向智能化发展,感应加热电源的发展趋势呈现以下几个方面的特点。
1)高频化感应加热电源中频段主要采用晶闸管;超音频段主要采用IGBT;高频频段,原来是SIT,现在主要发展MOSFET电源,采用IGCT的电源也开始亮相。高频电源的需要催生了新的功率器件,而新的器件又反过来促进了高频电源的发展。高频电源由于对功率器件、相关元件,以及布线、结构、接地、屏蔽都有要求,一般很难把功率作大、频率作高,所以这方面仍有许多应用技术需要进一步探讨,开发。
2)大容量化从电路原理角度来看,感应加热电源的大容量化,如几十MW,几百MW,都是可以实现的,但事实上大功率电源要受制于目前电力电子功率开关器件的限制。目前解决电源大容量化,有以下三种技术途径。
其一,是功率器件进行串并联方式。功率器件串联增加耐压水平,并联解决大电流问题,这种方法主要是要处理好串联器件的均压问题和并联器件的均流问题。由于电子器件制造工艺和参数离散性,所以功率器件只能进行有限的串、并联。串并联功率器件太多,装置的可靠性就无法保证。现在工业现场运行的1 000 kW(1 MW)至10 MW的感应电源大多采用的是功率器件的串、并联技术。
其二,是电源整流桥电路,或逆变桥电路的桥与桥之间的串、并联。整流桥的并联可以增大电源的电流输入,整流桥串联可以提高整流输出电压,两者都对改善谐波有利。一般情况,整流桥串、并联数越多,对改善谐波越有好处!整流桥的并联要解决的是各桥的均流问题,串联解决的是各桥间的均压问题。多逆变桥的串并联也是常采用的技术,比单纯的功率器件串、并联提高功率更有实际意义。事实上,超大功率电源都是用了逆变桥组成的复合逆变桥路技术。即把原来逆变桥看作一个??榛虻ピ?,利用这些??榛虻ピ槌尚碌哪姹淝怕?。这样无疑增加了控制电路的复杂性和难度,可以采用计算机控制技术达到这种电路需要的同电压,同电流,同相位,同频率等特殊参数条件的控制需求,最终达到功率输出更大化。国内由双变压器双电源并联的24脉波,功率达20 000 kW,200 Hz 的中频电源(配40 t 感应熔炼炉系统)如图2所示。

其三,是多个独立电源串、并联的组合。这个概念不难理解,主要技术是解决好各独立电源间协同工作的问题。目前,超音频以上的小功率电源,把一个单机看作一个串并联单元或???,多个单元通过串并联后提高功率是一项非常有意义的研究。这种产品市场潜力很大。
3)主电路的拓扑结构的多样化国内市场的感应加热电源主电路拓扑形式用的最多,技术相对最成熟的线路是逆变并联电源(即补偿电容和感应线圈相并联形式),如图3所示。这种电源的主要特点是?;すδ芤资迪?。
 

串联电源的?;すδ苁迪制鹄茨岩恍?,主要是利用限压和功率管死区设置技术??刂撇勐返墓购湍姹淝疟鄣闹蓖ㄎ侍?。
以上全桥逆变功率器件除了用KK 快速晶闸管外,还可用其它功率器件,如IGBT等。
还有一种形式用的比较多的形式半桥逆变串联,如图5所示。这是“一拖二”感应加热电源用得最多的拓扑结构。

上面所介绍的感应加热电源主电路结构中,除第一种———并联结构市场用得最多,技术相对成熟外,其它两种主电路结构形式的控制回路技术还正在进一步的发展中。
双供电电源除采用串联谐振电路外,并联谐振电路的双供电电源也是国内的一个技术开发点。
为了减少整流电路的谐波量,国内在推广用IGBT代替全桥整流的晶闸管,应用了PWM 和矩阵等控制技术;也有用斩波电路来调电源的功率。这些因技术和经验的原因,产品的市场尚未推广开。
4)负载匹配感应加热电源和负载感应线圈及补偿电容构成了一个有机体,不可分割。负载的变化,或负载阻抗匹配的是否合适,会直接影响电源的额定功率;频率是否能达到设计的目标,也会影响感应加热的效率。感应线圈(负载)的设计计算十分复杂,要设计出一个满意的负载线圈并非易事。目前采用的计算方法是忽略次要参数,或依靠经验修正过的公式来设计,有较大误差。今后为方便这方面的设计,急需要在理论指导下建立精确的数字模型,特别是利用计算机的仿真技术,以便更大范围地适应各种型式负载的计算精度。在国外,特别是美国,在负载感应器(线圈)用计算机辅助设计和仿真方面已开发了专用的软件,值得我们借鉴。
5)高功率因数与低谐波感应加热电源功率因数最好时,能达到0.95,很多时候是在0.85~0.9 之间。另外还有不可避免的谐波,对电网构成了一定的污染,电源功率越大,这种问题越突出。新一代电源必须是高功率因数,低谐波的电源。现在发展的技术有:多重化整流技术、全控功率管加上矩阵控制或PWM控制等技术、串联线路、斩波技术等。同时也催生了电源谐波的滤除和功率因数补偿的消谐装置的开发和生产。
6)有心感应炉电源的变更有心感应炉具有负载稳定,自然功率因数高(电容未补偿前为0.6左右,而无心炉为0.05~0.3),吨位大(国内有200 t的镀锌炉)的特点,有心感应炉一直使用的是传统的工频电源。这种电源不能进行无级调功率,现在国内有的公司在试着用中频电源,或接近50 Hz的变频电源来代替工频电源,但这种尝试还存在许多问题,如负载的最佳匹配问题;在50 Hz 频率运行中,频率共振和干扰问题;什么样的拓扑电源更适应这种有心感应炉负载等,都需要进一步的探讨。国外进口产品中,在中频主回路中不用传统的PCB 线路板而用PLC(工业控制可编程器)来代替工频电源,功率为2 400 kW,55 Hz。西安某公司在工频电源的改进上也取得了可喜的成果:用双向晶闸管作调功器件,达到了工频电源无级调功率;在三相平衡装置调节和功率因数补偿中采用单片机控制的电感、电容的柔性投切技术。
7)智能控制智能化控制,故障自诊断等都是感应加热电源发展的必然方向。这些技术的采用,将会使新一代电源运行起来更可靠,性能更好。
这几年,国内电源的控制电路已基本数字化,市面上流行的中频电源控制电路除调节器系统还未数字化外,其余部分都已实现了数字化。有的控制板还利用可编程芯片(CPLD),开发出了电源控制专用的大规模数字逻辑电路芯片,使控制板元件和焊点少,故障率低,运行性能良好。有的企业还用美国TI 公司生产的DSP 芯片TMS320LF2407、TMS320F2812等数字微处理芯片进行电源控制电路全数字化设计的尝试。
从现有情况看,要实现电源控制的全数字化,智能化等,采用DSP 数字微处理器和CPLD 或FPGA芯片编程技术,是一条捷径。将TI生产的TMS320F2000系列芯片用作电源系统的控制核心应当是一个不错的选择。


要使我国感应加热的发展,尽快赶上国外先进国家同行水平,仅重视上面几点还是不够的,还应当重视:
1)要消化吸收国外引进产品中的新技术;
2)各企业要投入一定的人力,财力,自主开发新的技术;
3)主管行业的归口部门,要重视本行业基础理论的研究,多翻译国外的有关资料;
4)鼓励同行业科技人才互相交流,著书立说,目前行业技术资料非常少且落伍!



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