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感應加熱電源的現狀與發展趨勢
發布時間:2013/12/12 15:44:44  閱讀次數:1702

     感應加熱電源是感應加熱的核心設備。感應加熱電源是隨著電力電子技術、微電子技術和現代控制技術發展成熟的。自從感應加熱技術應用于上業生產以來,人們對感應加熱電源作了大量的研究,形成了多種多樣的工作方式和功率控制方式。目前,感應加熱電源主要存在著電能轉換效率低,裝置單位體積功率密度低,EMI大等缺點。為了獲得較高的電能轉換效率,就要求電源裝置具有較高輸入、輸出功率因數,并實現電力電子器件的軟開關,以降低開關損耗。為了獲得較大的功率密度,就要求盡可能地減小電源裝置的體積。為了減小系統的EMI,就要保證電源系統的電壓和電流為正弦波,無高次諧波成份,電子電子器件的開關噪音小。由于目前功率控制方式及主電路拓撲結構的限制,使得在感應加熱電源中同時實現以上要求變得非常困難。因此研究一種能夠同時實現以上要求的、電路拓撲結構簡單、功率控制方便的新型電源變得十分緊迫。
一、國外感應加熱電源的發展現狀
      晶閘管的問世后,靜止變頻器取代了原先的中頻機組,成為感應加熱的主要供電設備口。上世紀七十年代,國內將可控硅感應加熱電源裝置進行了研究、推廣和應用。進入上世紀八十年代和九十年代,隨著GTO、GTR、IGBT和大功率MOSFET等全控型大功率開關器件的相繼誕生,感應加熱電源也不斷推陳出新,朝著高功率密度和高頻化方向不斷發展。尤其是1983年美國GE公司發明的功率器件IGBT,在解決了其摯住問題后(由寄生NPN晶體管引起),大功率高速IGBT已成為眾多加熱電源的首選器件,頻率高達100KHZ以上,功率高達MW級電源已可實現。1994年,日本采用IGBT研制出了1200KW,50KHZ的電流型并聯逆變感應加熱電源,逆變器工作于零電壓開關狀態,并實現了微機控制;西班牙在1993年也己報道了30KW--60KW,50--100KHZ電流型并聯逆變感應加熱電源;歐、美地區的其他一些國家如英國、法國、瑞士等國的系列化感應加熱電源目前最大容量也達數百千瓦。
二、國內感應加熱電源的發展現狀
      在20世紀80年代末,我國約有20萬臺60——200KW的高頻設備,現在用品閘管中頻感應加熱裝置已完全取代了中頻發電機。從1986年起浙江大學就開始半導體高頻感應加熱電源的研究。在90年代初,浙江大學開始對IGBT超音頻感應加熱電源和MOSFET高頻感應加熱電源進行研制。1996年50KW/50KHz的IGBT電流型并聯逆變感應加熱電源通過了產品鑒定。同期,浙江大學研制出20KW/300KHZ的MOSFET高頻感應加熱電源,已被成功應用于小型刀具的表面熱處理和飛機渦輪葉片的熱應力考核試驗中。今天由科諾公司自主研發成功的第三代數字型IGBT感應加熱裝置基于高可靠性、高安全性、低故障率的用戶要求,整體結構設計先進,選用全球知名品牌元器件并配置全面的智能化保護系統,成就科諾電源尖端科技水平,代表了國內的最高發展水平。總的來說,國內高頻感應加熱電源與國外有較大的差距,現在正朝著以IGBT和MOSFET為主要器件的全固態感應加熱電源取代以晶閘管和電子管為主要器件的感應加熱電源的方向發展。
一、感應加熱電源未來的發展方向
      感應加熱電源的水平與半導體功率器件的發展密切相關,因此當前功率器件在性能上的不斷完善,使得感應加熱電源的發展趨勢呈現出以下幾方面的特點:
(1)大功率、高頻率
      電力半導體器件的大容量與其使用頻率有著極密切的關系。早期的晶閘管和晶體管由于受到容量與頻率互相制約的影響,不能同時獲得大功率、高頻率的效果。隨著新型器件的發展,如MOSFET,IGBT,MCT等,未來的感應加熱電源必將朝著大功率和高頻率兩者相統一的方向發展,在這方面仍有許多基礎應用技術需要進一步探討。
(2)低損耗、高功率因數
      新型功率器件的通態電阻很小,通態壓降小,所以在高頻工作條件下,損耗主要表現在基極或門極驅動電路的損耗及器件的開關損耗上。隨著功率器件的發展,再加上驅動電路的不斷完善和優化,使得整個裝置的損耗明顯降低。另外,由于感應加熱電源一般功率都很大,隨著整個電網無功及諧波污染要求的提高,具有高功率因數的電源將是今后的發展趨勢。目前諧振技術的引入,一方面降低了電源中開關器件的開通和關斷損耗,同時利用鎖相技術將逆變器的工作頻率鎖定在槽路固有的諧振頻率內,使得該電源能始終運行在負載功率因數接近為1的狀態。
(3)智能化、復合化
      智能化指的是功率半導體集成電路本身,包括過電壓、欠電壓、過電流、過熱等檢測與保護功能。復合化指的是在一個功率模塊內除了1個或多個功率器件芯片外,還包括相同數量的二極管等,在較小功率模塊內也出現了保護電路與功率器件集成一體的電路(IPM)。因此,采用智能化與復合化的集成電路將使元器件數量減少,自動組裝降低了成本,電路本身具有診斷與保護等功能而提高了可靠性。隨著感應加熱生產線自動化控制程度及對電源可靠性要求的提高,感應加熱電源正朝著智能化控制方向發展,具有計算機智能接口遠程控制、故障自動診斷等控制性能的感應加熱電源正成為下一代發展目標。
(4)應用范圍擴大化
      采用感應加熱方法對鍛造鋼坯透熱,節水節電,無污染;鑄造熔煉方面可以實現普通鋼、特種鋼、非鐵金屬材料的精細熔煉,同時可提高效率、無污染、金屬成份可控;感應釬焊效率高,對被焊母材無損傷,適用于精度高、批量大的工件和體積大、難移動的母材局部釬焊及各類金屬管材的焊接;各類零部件的表面熱處理大量采用感應加熱方法;鋼塑材料制造、鋁塑薄膜加工以及食品工業、醫藥工業的封口工藝也大量地采用感應加熱的方式。
(5)數字化控制
      電源的控制已經由模擬控制,模數混合控制,進入到全數字控制階段。全數字控制是一個新的發展趨勢,已經在許多功率變換設備中得到應用。
      但是過去數字控制在感應加熱中用得較少。近兩年來,電源的高性能全數字控制芯片已經開發,費用也已降到比較合理的水平,歐美已有多家公司開發并制造出開關變換器的數字控制芯片及軟件。
      全數字控制的優點是:數字信號與混合模數信號相比可以標定更小的量,芯片價格也更低廉;對電流檢測誤差可以進行精確的數字校正,電壓檢測也更精確;可以實現快速,靈活的控制設計。

                                                                                                                                            本文來源:感應加熱網

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