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华新课堂:感应加热用中高频电源技术的新进展

2012年07月06日

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。
2、感应加热用中高频电源技术的发展历程
2.1 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。
2.2 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。
2.3 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。
2.4 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。
3、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。
(4) 晶闸管中频电源的启动方式已从撞击式起动、零压起动、内外桥转换起动过渡到扫频起动,其控制技术已从电压或电流闭环调节进步到恒功率控制,从而使中频电源的控制效果更好,提高了用户使用的效率。
(5) 中频电源用快速晶闸管的单管容量已达2500A/2500V,其最短关断时间已达15µs,与中频电源配套的无感电阻高频电容等制造技术得到了长足的进步,为晶闸管中频电源的制作带来了极大的方便。
(6) 晶闸管中频电源的零部件及配套件如散热器、熔断器、电抗器、控制板已标准化、系列化、批量生产化、给晶闸管中频电源的制造商及维护人员带来了极大的方便。
(7) MOSFET和IGBT等全控型电力半导体器件的容量已日益扩大,既奠定了中高频电源的器件基础,与IGBT及MOSFET配套的驱动器和保护电路已系列化和标准化,给中高频和超音频感应加热电源奠定了基础和保证,带来了极大的方便。
(8) 在国内单机容量在500kW以上的感应加热中频电源基本上是清一色的晶闸管电源,但工作频率最高不超过8kHz,容量最大已达4000kW,国内有些企业正在开发单机容量达6000kW的晶闸管中频电源,以IGBT和MOSFET为主功率器件的中高频电源,在国内已有批量生产的企业,但生产量相对晶闸管中频电源来说还是很少,其单机容量在200kW以内,工作频率基本上都在20kHz~200kHz范围,超过20kHz的中高频电源基本上都是应用MOSFET,由于MOSFET到今仍然难以制作出同时满足高电压、大电流的条件,所以不得不采用多个MOSFET并联的方案,从目前使用的实际情况来看,有直接将MOSFET并联,再逆变获得较大功率输出;也有直接将MOSFET构成逆变桥,再多个逆变桥并联的;应特别注意两种实现方法都有均流的问题,后者不但有数个逆变器并联均流的问题,而且有数个逆变桥输出同相位、同幅值并联的问题,同时这种方案造成控制系统有多个控制单元。
(9) 现中高频感应加热中频电源的冷却方式清一色为水冷却,应用水压继电器的居多,存在着水管堵死,水压很高,但不能冷却的问题,这很容易造成器件的过热损坏,所以保护方案总的来说存在着不足,应增加流量继电器的保护与水压继电器配合使用。
4、感应加热用中高频电源的发展趋势探讨
(1)以晶闸管为主功率器件的中频电源仍然不会退出历史舞台,仍将垄断大功率(几千千瓦以上)的中频电源领域,将是10吨、12吨、20吨炼钢或保温,用中频电源的主流设备。
(2)小功率晶闸管中频电源(功率容量小于1000kW)的将随着对效率及炼钢质量的要求不断提高,而逐渐减小使用量,但它们在淬火、弯管等领域仍将使用一段时间。
(3)主功率器件为IGCT及GTO的感应加热用中频电源将与主功率器件为晶闸管的中频电源展开激烈的竞争并逐渐缩小前者的市场份额。
(4)中高频(频率高于10kHz~30kHz)领域使用的中频电源将以IGBT为主要器件,其单机容量将随着IGBT自身容量的不断扩大而不断扩大,并获得越来越大的使用范围。
(5)高频(频率高于100kHz)领域的感应加热电源将以MOSFET为主要器件,伴随着MOSFET制造工艺的不断进步和突破以MOSFET为主功率器件的高频电源将获得广泛的应用,其容量将不断扩大。
(6)感应加热用中频电源的冷却技术将获得较大突破,将解决水冷方式对使用者带来的漏水,水质处理等不便,但这之间也许要经过很长的时间。
(7)感应加热用中频电源的配套件将不断进步,更加标准化、更系列化,给高中频电源的制造和维修带来更大的方便。
(8)感应加热用中频电源的单机功率容量将不断扩大,有望突破10MW,其工作频率将越来越高。
(9)与感应加热用中高频电源配套的限制电网干扰,保证电网绿色化的EMI抑制技术,功率因数校正技术将获得广泛应用,并进一步改善中高频感应加热电源的输出波形和效率。
(10)SIT及SITH这些器件将在我国中高频电源领域获得应用并填补我国至今没有自行开发应用这些器件制作的中高频感应加热电源的空白。
(11)中高频感应加热电源的起动方式,控制技术将再获得突破,并进一步提高这类电源的性能,采用新型控制策略的中频电源将获得大范围应用。
5、结 论
感应加热用中高频电源是我国工业生产中必用的设备,我国从事这类电源的开发与生产已有几十年的历史,其发展水平仍需提高,文中涉及的我国中高频电源的发展现状和趋势,可给从事该领域研究的工程技术人员提供参考。

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