igbt中頻電源節(jié)能優(yōu)勢(shì)完整

1、IGBT中頻電源的節(jié)能優(yōu)勢(shì) 我國(guó)是鑄造大國(guó)，鑄鐵件年產(chǎn)量幾年來(lái)均居世界各國(guó)之首位，而其能耗在成本中所占比例卻比工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家高出23倍，沖天爐的能耗占了其中的大部分。主要原因是小容量沖天爐所占比例太大，而其中采用煙塵凈化和余熱回收裝置的微乎其微，實(shí)現(xiàn)高水平熔煉和計(jì)算機(jī)控制的更少了。我國(guó)鑄鐵生產(chǎn)車(chē)間一萬(wàn)多個(gè)，每個(gè)車(chē)間年平均產(chǎn)量不足1000t，沖天爐開(kāi)爐時(shí)間短。在沖天爐結(jié)構(gòu)方面，由于我國(guó)鑄造廠點(diǎn)過(guò)多，限制了大容量沖天爐的使用。由于產(chǎn)量低，效益差，限制了性能優(yōu)越的現(xiàn)代化沖天爐及其配套設(shè)備的采用。操作不當(dāng)不但對(duì)沖天爐性能造成不良影響，也是增加沖天爐能耗和環(huán)境污染的重要原因，在我國(guó)為數(shù)眾多的小容量沖天爐上

2、，更是普遍存在的現(xiàn)象。中頻技術(shù)應(yīng)用于鑄造行業(yè)給鑄造推廣高質(zhì)量、高效率、節(jié)能環(huán)保、低碳的中、高頻科技技術(shù)應(yīng)用與中國(guó)的鑄造行業(yè)，是保持中國(guó)鑄造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重大舉措。與傳統(tǒng)的沖天爐熔煉相比，中頻技術(shù)應(yīng)用于熔煉、精鑄詮釋了科技的力量。中頻感應(yīng)電爐經(jīng)歷了兩次根本的變革，第一次變革源于20世紀(jì)60年代后期開(kāi)發(fā)的晶閘管靜態(tài)變頻電源，第二次源于20世紀(jì)70年代中期開(kāi)發(fā)的逆變變頻及其控制技術(shù)。這樣使中頻感應(yīng)電爐的優(yōu)越性得以充分的發(fā)揮。隨著大功率晶閘管變頻電源的開(kāi)發(fā)和可靠性的提高，中頻感應(yīng)電爐正在逐步替代工頻感應(yīng)電爐而在鑄造業(yè)獲得愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用。 中頻電源的基本工作原理,就是通過(guò)一個(gè)三相橋式整流電路,把5

3、0 Hz的工頻交流電流整流成直流,再經(jīng)過(guò)一個(gè)濾波器(直流電抗器)進(jìn)行濾波,最后經(jīng)逆變器將直流變?yōu)閱蜗嘀蓄l交流以供給負(fù)載,所以這種逆變器實(shí)際上是一只交流直流交流變換器,其基本線路如圖：中頻爐的感應(yīng)加熱原理，它是利用電磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，?dāng)交變電流i感應(yīng)線圈時(shí)，感應(yīng)線圈便產(chǎn)生交變磁通，使感應(yīng)中的工件受到電磁感應(yīng)而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) e = d/dt如果磁通是呈正弦變化的，即 = -msinwt則 e = -d/dt=-msinwtE的有效值 E=4.44M (伏)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E在工件中產(chǎn)生電流I, i使工件內(nèi)部開(kāi)始加熱，其焦耳熱為；Q=0.24I2RtI-工件中感應(yīng)電流的有效值（安

4、）R-工件電阻（歐）；t時(shí)間（秒） 中頻電源從最初的發(fā)展到今天應(yīng)用于鑄造行業(yè)，電源種類(lèi)從原理上可以分為兩類(lèi)，一傳統(tǒng)的可控硅中頻電源推薦精選，可控硅又分為并聯(lián)和串聯(lián)型（因串聯(lián)可控硅的在現(xiàn)實(shí)實(shí)踐中應(yīng)用技術(shù)不成熟在這就不做分析），二是帶有igbt（絕緣柵極型晶體管）串連諧振電源。鑄造、淬火、熱處理應(yīng)用不同，需求的中頻電源也有改變，通過(guò)原理和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)本文僅作對(duì)igbt中頻電源與傳統(tǒng)可控硅中頻電源應(yīng)用在熔煉這方面節(jié)能分析。節(jié)能優(yōu)勢(shì)是通過(guò)以下幾點(diǎn)原理分析：整流，逆變，功率因數(shù)與高次諧波以及恒功率輸出。整流 Igbt中頻電源整流是采用三相半橋可控整流電路，此種整流電路只要三只晶閘管、只需三套觸發(fā)電路、不需要

5、寬脈沖或雙脈沖觸發(fā)。三相半控橋式整流電路比三相全控橋更簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，而帶電阻性負(fù)載時(shí)性能并不比全控橋差。電路如圖所示。它是把全控橋中共陽(yáng)極組的3個(gè)晶閘管換成整流二極管，因此它具有不可控和可控兩者的特性。其顯著特點(diǎn)是共陰極組元件必須觸發(fā)才能換流；共陽(yáng)極元件總是在自然換流點(diǎn)換流。一周期中仍然換流6次，3次為自然換流，其余3次為觸發(fā)換流，這是與全控橋根本的區(qū)別。改變共陰極組晶閘管的控制角，仍可獲得02.34U2的直流可調(diào)電壓。 由于igbt中頻電源采用的是三相半橋可控整流方式，整流部分不調(diào)可控硅導(dǎo)通角，所以整個(gè)工作過(guò)程功率因數(shù)始終大于0.98，無(wú)功率損耗小。 傳統(tǒng)型可控硅（kgps）中頻電源在整流上采

6、用的是三相橋式可控整流，其原理圖和半橋控制差不多，就是將半橋可控整流中的二極管更換為晶閘管，其控制復(fù)雜，導(dǎo)通角一般在0度120度之間，導(dǎo)通角相比板橋可控整流小，6脈沖間隔60度整流控制電路，三相橋式全控整流電路共有六個(gè)橋臂,在每一個(gè)時(shí)刻必須2個(gè)橋臂同時(shí)工作,才能夠成通路,六個(gè)橋臂的工作順序如圖3。現(xiàn)假定在時(shí)刻t1-t2(t1-t2的時(shí)間間隔為60o電角度，既相當(dāng)于一個(gè)周波的1/6)此時(shí)SCR1和SCR6同時(shí)工作(圖3(a)中涂黑的SCR),輸出電壓即為VAB。到時(shí)刻t2-t3可控硅SCR2因受脈沖觸發(fā)而導(dǎo)通,而SCR6則受BC反電壓而關(guān)閉,將電流換給了SCR2, 這時(shí)SCR1和SCR2同時(shí)工作

7、,輸出電壓即為VAC,到時(shí)刻t3-t4,SCR3因受脈沖觸發(fā)而導(dǎo)通，SCR1受到VAB的反電壓而關(guān)閉,將電流換給了SCR3,SCR2和SCR3同時(shí)工作,輸出電壓為VBC,據(jù)此到時(shí)刻t4-t5, t5-t6, t6-t1分別為 SCR3和SCR4, SCR4和SCR5, SCR5和SCR6 同時(shí)工作,加到負(fù)載上的輸出電壓分別為 VBA,VCA,VCB,這樣既把一個(gè)三相交流進(jìn)行了全波整流,從上述分析可以看出,在一個(gè)周期中,輸出電壓有六次脈沖。這種整流電路由于在每一瞬間都有兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通推薦精選,而且每個(gè)橋臂導(dǎo)通時(shí)間間隔為60,故對(duì)觸發(fā)脈沖有一定要求,即脈沖的時(shí)間間隔必須為60,而且如果采用單脈沖

8、方式,脈沖寬度必須大于60,如果采用窄脈沖,則必須采用雙脈沖的方法, 既在主脈沖的后面60o的地方再出現(xiàn)一次脈沖?？刂茝?fù)雜，抗干擾能力差，同步信號(hào)要求高，在現(xiàn)實(shí)維護(hù)及維修繁瑣復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)適用型相比半控要高，整流利用率低，逆變IGBT是電力晶體管GTR和電力效應(yīng)晶體管MOSFET的復(fù)合體，它綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。Igbt中頻電源采用電容與igbt模塊控制單元串聯(lián)形式連接電路，因采用調(diào)頻來(lái)調(diào)功，其特點(diǎn)，逆變電壓高，igbt你變電壓在2800V左右，傳統(tǒng)可控硅的逆變電壓僅為750V,最大800V，電壓小了近四倍，線路損耗小此部分節(jié)能15%。Igbt中頻電源逆變控制原理圖

9、如下圖所示。IGBT中頻電源模塊工作是采用的是柵極驅(qū)動(dòng)模式，逆變過(guò)程是通過(guò)主板控制將信號(hào)A和信號(hào)B傳輸給電源板，電源板通過(guò)獨(dú)立電源供給柵極驅(qū)動(dòng)獨(dú)立電源及傳輸信號(hào)A、B來(lái)完成對(duì)模塊的控制。柵極板驅(qū)動(dòng)為IGBT模塊正常工作，在實(shí)現(xiàn)控制電路部分與被驅(qū)動(dòng)的IGBT隔離設(shè)計(jì)，以及適合柵極驅(qū)動(dòng)的脈沖外還設(shè)計(jì)了部分保護(hù)元器件，在柵極控制的G極和E極之間增加了使柵極積累電荷泄放的電阻Rg，其阻值在使用中取得是4.7歐姆的（Rg的選擇是根據(jù)模塊型號(hào)和柵源大小及負(fù)載選擇的，因?yàn)楫?dāng)Rg增大時(shí)損耗發(fā)熱控制，當(dāng)Rg減小時(shí)，di/dt增高，可能產(chǎn)生誤導(dǎo)通，損壞IGBT模塊）。防止柵源電壓尖峰損壞IGBT模塊，在柵極板柵源

10、側(cè)增加了瞬態(tài)擬制二極管（TVS）實(shí)際中的驅(qū)動(dòng)電壓約為15V,故而選型SMBJ15CA型，在實(shí)際使用的工業(yè)環(huán)境中，柵極驅(qū)動(dòng)保護(hù)依然有較高的失效率，為防止模塊受雜波的干擾，在IGBT模塊工作時(shí)還增加了浪涌和漏電流吸收裝置保護(hù)模塊。其控制模式瞬時(shí)速斷性好，控制電源都是獨(dú)立提供防干擾能力強(qiáng)。推薦精選 由于這種電源是通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器的工作頻率來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率，整流器輸出的直流電壓是固定的，因此一臺(tái)整流器可以同時(shí)帶多個(gè)逆變器工作，在雙向供電情況下，一臺(tái)整流器同時(shí)向兩臺(tái)逆變器供電，可使二臺(tái)電爐同時(shí)工作，而且二臺(tái)電爐的功率可以自由分配。一般情況下，一臺(tái)用作熔煉，一臺(tái)用作保溫。這是一種一拖二的中頻熔煉設(shè)備是傳統(tǒng)并聯(lián)

11、可控硅中頻電源無(wú)法做到的，其優(yōu)點(diǎn)在于熔煉保溫能同時(shí)進(jìn)行，減少了工作時(shí)間，增加了勞動(dòng)效率降低勞動(dòng)成本。傳統(tǒng)可控硅型中頻電源并聯(lián)逆變電路的負(fù)載是一個(gè)諧振回路，它的諧振頻率基本上就是中頻電源的工作品頻率。其工作過(guò)程分四個(gè)階段。1. 如果先觸發(fā)晶閘管T1,T3,則電流Id從P端經(jīng)T1到負(fù)載，在經(jīng)T3流向N端，這個(gè)階段為中頻交流電的正半周，此時(shí)補(bǔ)償電容Cn兩端充上了左正右負(fù)的電壓Ua。2. 晶閘管T1、T3導(dǎo)電半個(gè)周期后，再發(fā)出觸發(fā)脈沖，觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管T2、T4這時(shí)造成了四只晶閘管同時(shí)導(dǎo)通的“暫態(tài)短路”，但這并不會(huì)引起電源的故障，因?yàn)橹绷麟娐方佑幸粋€(gè)很大的濾波電感Ld，電流Id不能突變。由于電容器Cn被

12、四只元件短接，其第一階段充上的電壓Ua就要放電，其電壓極性，將促使晶閘管T1、T3電流下降，使晶閘管T2、T4的電流上升，直至T1、T3中的電流下降為零，T2、T4電流上升為Id3. 換流結(jié)束后，電流經(jīng)過(guò)T2、T4反向流過(guò)負(fù)載，電容器Cn兩端的電壓變?yōu)橛艺筘?fù)，此電壓為第四階段關(guān)斷T2、T4做好準(zhǔn)備，該階段為中頻電流的負(fù)半周。4. 當(dāng)晶閘管T2、T4導(dǎo)電半個(gè)周期后，再次觸發(fā)T1、T3開(kāi)始T1、T3與T2、T4的換流，其過(guò)程與第二階段一樣，所不同的是這次是將T2、T4中的電流換給T1、T3，不斷的向負(fù)載供應(yīng)中頻電能，是震蕩持續(xù)進(jìn)行。前面所述晶閘管的工作過(guò)程，是把元件看成理想化的，即元件有信號(hào)就導(dǎo)

13、通，撤去信號(hào)就關(guān)斷。而實(shí)際上元件換流是需要時(shí)間的。安全換流時(shí)間tr所對(duì)應(yīng)的超前角也不能太大,主要是考慮下面兩個(gè)原因；(1)角度增大,電容器兩端電壓Uc就要增高,這將受到電容器和可控硅所能承受電壓的限制,在單相橋式逆變線路中,當(dāng)直流輸入電壓為Ud,中頻輸出電壓為Uc,則在Ud和Uc的有效值之間存在下述關(guān)系；Uc=1.1Ud/cos。從式中可以看出,在輸入直流電壓Ud相同的條件下,當(dāng)角度增大,則cos值減小,Uc將增大,也既加于電容器和可控硅兩端的電壓將增高。這一點(diǎn)受到所選用的電容器即可控硅的耐壓限制。(2)中頻輸入的有功功率與的關(guān)系：中頻輸出的有功功率P=Uc.ILcos。式中可以看出在相同的中

14、頻電壓電流條件下角愈大,有功功率輸出愈小,如果要保持一定的輸出功率，則角度愈大,則必須使輸出中頻電壓,電流愈大,這樣惡化了可控硅的工作條件。 推薦精選 IGBT中頻電源穩(wěn)定工作在直流500V電壓狀態(tài)，調(diào)頻率控制功率，不存在啟動(dòng)問(wèn)題，IGBT具有自關(guān)斷能力，通過(guò)對(duì)基極G的控制，可在任何時(shí)候令其瞬間通斷，不想晶閘管那樣需要關(guān)斷時(shí)間，因此電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、負(fù)載功率因數(shù)高。傳統(tǒng)可控硅中頻電源是通過(guò)調(diào)壓調(diào)功，調(diào)壓控制在采取電壓信號(hào)，再反饋的過(guò)程中，有一定的時(shí)間滯后性，導(dǎo)致可控硅工作過(guò)程中的滯后性，且導(dǎo)通角小和IGBT模塊快速導(dǎo)通、斷開(kāi)相比，同時(shí)間內(nèi)IGBT電源輸出功率多。 高次諧波 IGBT雙向電源由

15、兩個(gè)IGBT半橋串聯(lián)逆變器并聯(lián)組成， IBGT雙向供電電源采用12脈波二級(jí)管橋式整流電路，能夠較好的抑制電網(wǎng)諧波的產(chǎn)生。通常的6脈波橋式整流電路在工作時(shí)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生5次、7次、11次、13次和更高的諧波干擾電流，這些諧波電流的大小分別是工頻基波電流的1/5、1/7、1/11和1/13。由于中頻電源的輸出功率較大，如果采用三相6脈波橋式整流電路，它們工作時(shí)產(chǎn)生的諧波干擾可能造成當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)諧波超標(biāo)取決于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的短路容量，或?qū)е履承┚茉O(shè)備和儀器無(wú)法正常工作。采用六相12脈波橋式整流電路后，通過(guò)變壓器的特殊接線方法，5次。7次諧波電流將在變壓器內(nèi)部相互抵消，從而使對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾大幅度降低。12脈波整

16、流電路的最低諧波是11次，大小是工頻的1/11?？煽毓柙O(shè)備產(chǎn)生的諧波為多?？煽毓枵髌骷词乖诶硐霠顩r下運(yùn)行（即三相交流系統(tǒng)完全對(duì)稱，直流側(cè)平波電抗器的感抗為無(wú)窮大，換流電抗等于零），從變流技術(shù)方面分析得出：整流變壓器付邊繞組流過(guò)全方波電流，與之相對(duì)應(yīng)的原邊繞組流過(guò)梯形波電流，這說(shuō)明電流波形發(fā)生畸變。通過(guò)諧波分析可知：對(duì)于三相全控橋6脈沖整流器，變壓器原邊及供電線路含有5、7、11次諧波電流；如果采用12脈沖整流器，也還有11、13、23一次諧波電流。 恒功率輸出IGBT中頻電源調(diào)頻調(diào)功相對(duì)于傳統(tǒng)可控硅中頻電源調(diào)壓調(diào)功，它不受爐料多少，爐襯壁薄厚的影響，在整個(gè)熔煉過(guò)程中恒功接近率輸出。傳統(tǒng)可控硅

17、中頻電源熱過(guò)程中受磁感量變化大的影響起初熔煉功率小，影響熔煉速度，可控硅電源的功率是隨著熔煉時(shí)間及磁感量變化而變化的，由小功率慢慢提高到大功率運(yùn)行的過(guò)程，降低了變壓器的容量利用率提高了生產(chǎn)成本，在這一點(diǎn)上能節(jié)能3%5%左右。 其他 在實(shí)際應(yīng)用中，IGBT中頻電源設(shè)備相對(duì)于傳統(tǒng)可控硅設(shè)備來(lái)說(shuō)對(duì)環(huán)境的要求要高，通常對(duì)環(huán)境的要求是干燥、無(wú)塵、低溫。對(duì)電盤(pán)采用獨(dú)立擱置，內(nèi)部電源水循環(huán)采用內(nèi)循環(huán)封閉水冷以及蒸餾水冷卻，保證內(nèi)部水循環(huán)有足夠的水流量降溫，因?yàn)镮GBT中頻電源工作在高壓環(huán)境中，普通水雜質(zhì)多，采用的話，會(huì)因?yàn)楦邏寒a(chǎn)生水電離，將設(shè)備銅排腐蝕結(jié)垢，水路堵塞燒壞電子元器件。IGBT模塊部分功率輸出大

18、，溫度高，降溫是采用鋁塑水盒通水降溫，冷卻效果好，可控硅中頻電源對(duì)環(huán)境要求低，允許工作在無(wú)電磁場(chǎng)，無(wú)導(dǎo)電灰塵、干燥環(huán)境中。因工作電壓不高對(duì)水路要求不高，只要保證水流量和水中無(wú)雜物（防止堵塞冷卻水管將電子元器件燒壞）。 在啟動(dòng)性能上相比的話，IGBT中頻電源工作在一個(gè)穩(wěn)定的直流電源下，百分百的啟動(dòng)成功率，受調(diào)頻調(diào)功影響負(fù)載能力高并且可以實(shí)現(xiàn)一拖二兩個(gè)爐頭一塊工作，頻率高，可調(diào)性好也是它的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)可控硅工作電壓低，并聯(lián)電路推薦精選存在啟動(dòng)問(wèn)題，磁感量變化大的話難以啟動(dòng)，功率小，重載啟動(dòng)困難。只能完成一帶一的諧振。 IGBT中頻電源接近恒功率輸出，同一段時(shí)間內(nèi)，功率大，產(chǎn)熱多散熱少，熱能利用率高?，F(xiàn)實(shí)生產(chǎn)的情況記錄，熔煉相同材質(zhì)一噸的鐵水，傳統(tǒng)可控硅型中頻電源要用時(shí)七十分鐘左右，耗電量六百七十度電左右，IGBT中頻電源需要用時(shí)五十五分鐘至六十分鐘以內(nèi)，用電量六百三十度左右。爐口散熱多也降低了有功功率，消耗了電能，降低利潤(rùn)，增