KGPS可控硅中頻電源與IGBT晶體管中頻電源的比較

1、KGPS可控硅中頻電源與IGBT晶體管中頻電源的比較一、新型IGBT中頻電源的特點(diǎn)IGBT（絕緣柵雙極晶體管）是MOSFET（雙極型晶體管）與GTR（大功率晶體管）的復(fù)合器件。因此，它既具有MOSFET的工作速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)電路簡單、熱溫度性好的優(yōu)點(diǎn)，又包含了GTR的載流量大，阻斷電壓高等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，是取代GTR和SCR( 可控硅)的理想開關(guān)器件。從1996年至今，尤其是最近幾年來IGBT發(fā)展很快，目前已被廣泛地應(yīng)用于各種逆變器中。（1）IGBT控制是采用導(dǎo)通寬度及頻率來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)的中頻電源，且采用串聯(lián)諧振，無需加啟動(dòng)電路及前級(jí)調(diào)壓裝置，因此啟動(dòng)相當(dāng)方便，啟動(dòng)成功率百分之

2、百，調(diào)節(jié)輸出功率極為方便。（2）整流部分采用二極管三相全橋整流，使得控制電路極為簡單，維修技術(shù)量降低。（3）目前大部分廠家采用德國西門子公司產(chǎn)品作逆變器，中頻電源壽命在3萬次以上，采用了限壓過流過壓保護(hù)電路，使得故障率極低，并且過流過壓保護(hù)動(dòng)作時(shí)報(bào)警器馬上報(bào)警顯示且保護(hù)停機(jī)。綜上所述，IGBT中頻電源作為鑄造熔煉中頻感應(yīng)加熱電源，是電力電子技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，它將成為二十一世紀(jì)鑄造行業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。二、一拖二感應(yīng)電爐系統(tǒng)一拖二感應(yīng)電爐系統(tǒng)即功率共享電源系統(tǒng)的感應(yīng)電爐，。即一臺(tái)中頻電源能同時(shí)向二臺(tái)電爐供電，并能在額定功率范圍內(nèi)自由分配向各臺(tái)電爐的輸入功率。它從上世紀(jì)90年代初在國外問世，恰好

3、遇到我國經(jīng)濟(jì)改革開放的大發(fā)展年代，因此這種電爐系統(tǒng)幾乎同步進(jìn)入我國的鑄造業(yè)，并且得到鑄造界的青睞和認(rèn)同。但礙于當(dāng)時(shí)國內(nèi)電爐制造商尚未開發(fā)出該項(xiàng)技術(shù)，而進(jìn)口設(shè)備的昂貴價(jià)格又使許多鑄造廠望而怯步，限制了它在我國鑄造業(yè)的廣泛應(yīng)用。據(jù)相關(guān)資料介紹，從我國1993年引進(jìn)第一臺(tái)一拖二電爐系統(tǒng)起到目前為止，全國現(xiàn)有一拖二電爐系統(tǒng)大約共計(jì)有近100套左右，其中功率最大的一套為6000kW功率共享電源配置二臺(tái)8噸電爐。一拖二電爐的優(yōu)點(diǎn)采用中頻感應(yīng)電爐可以配置比工頻感應(yīng)電爐更大的功率密度（例如可以配置比工頻電爐的極限配置功率密度300kW/t大3倍左右的功率密度，即達(dá)到900kW/t以上），并可實(shí)現(xiàn)批料熔化法。這

4、意味著它將以很高的熔化/生產(chǎn)率作業(yè)。但是在隨后的澆注作業(yè)周期內(nèi)以及其它非生產(chǎn)性作業(yè)周期期間（例如扒渣、取樣、等待化驗(yàn)結(jié)果等），系統(tǒng)中沒有功率輸出或者僅需少量的保溫功率輸出，以維持一定的澆注溫度。以往的中頻電源都采用并聯(lián)逆變形式，其電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)與輸出功率有關(guān)。滿功率輸出時(shí)，功率因數(shù)較高，輸出功率降低時(shí)，功率因數(shù)隨著下降。如果中頻電源經(jīng)常工作在小功率保溫狀態(tài)，日積月累會(huì)產(chǎn)生較大的無功，電網(wǎng)側(cè)力率降低直接涉及到電費(fèi)支出。一拖二的中頻采用串聯(lián)逆變器，其電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)與輸出功率無關(guān)。無論輸出功率大小，功率因數(shù)始終接近于1。 并聯(lián)逆變中頻電源是一種恒電壓輸出電源。為了能夠在負(fù)載阻抗較低（例如冷料熔化）時(shí)

5、輸出較大的功率，其工作電流會(huì)大于額定功率下的工作電流，因此需要較大的電源變壓器。通常并聯(lián)逆變中頻電源選用的變壓器容量是其額定功率的1.25倍。串聯(lián)逆變中頻電源是一種恒功率輸出電源。因?yàn)樗墓ぷ黝l率寬范圍可調(diào)，能夠匹配負(fù)載阻抗的變化，所以并不需要增加輸出電流。因此只需要與其輸出功率相當(dāng)?shù)淖儔浩骷纯?。通常串?lián)逆變中頻電源選用的變壓器容量是其額定功率的1.1倍。 可控硅中頻電爐和IGBT中頻電爐的性能對(duì)比見下表（1T爐）比較項(xiàng)目可控硅中頻電爐（并聯(lián)逆變）IGBT中頻電爐（串聯(lián)逆變）額定功率配置700KW600KW變壓器配置800KVA630KVA中頻頻率1000Hz1000Hz熔化率0.93t/h(

6、鑄鐵1450)1.0t/h(鑄鐵1450)單位電耗710KW.h/t±5%600KW.h/t±5%冷卻水耗30m3/h20m3/h進(jìn)線電壓三相-380V 50Hz三相-380V 50Hz配套電爐容量1噸1噸功率因數(shù)典型平均功率因數(shù)0.9，如果經(jīng)常工作在小功率狀態(tài)，功率因數(shù)會(huì)更低典型平均功率因數(shù)0.95，接近于1價(jià)格相對(duì)較低功率相同時(shí)高20%40%繳納電費(fèi)比較基本電費(fèi)：800KVA×18元×12月=172800元有功電費(fèi)：700KW×8小時(shí)×340天×0.4元/度= 761600.00元/年基本電費(fèi)：630KVA×1

7、8元×12月=136080元有功電費(fèi)：600KW×8小時(shí)×340天×0.4元/度=652800.00元/年三、電爐容量和功率的選擇電爐容量的確定要考慮許多工藝因素，但是基本上需滿足二個(gè)條件，一是滿足最大鑄件的澆注重量需要，二是與工藝對(duì)鐵水的需求量相符合。由于中頻電爐的功率密度配置較大，當(dāng)其配置功率密度大于600 kW/t時(shí)，其熔化能力基本上可以做到每爐次的熔化時(shí)間在一小時(shí)以內(nèi)。四、·電源類型的選擇中頻電源的類型主要有兩類：具有并聯(lián)逆變電路的固體電源及具有串聯(lián)逆變電路的固體電源。在我國的鑄造行業(yè)中，習(xí)慣對(duì)配置可控硅(SCR)全橋并聯(lián)逆變固體電源的

8、中頻感應(yīng)電爐通常俗稱為中頻爐。而對(duì)配置(IGBT)或(SCR)半橋串聯(lián)逆變固體電源的中頻感應(yīng)電爐通常俗稱為變頻爐由于這兩種感應(yīng)電爐的逆變供電電源不同，所以它們的工作性能也有很大的區(qū)別。兩種固體電源的主要性能比較比較項(xiàng)目SCR全橋并聯(lián)逆變固體電源（KGPS系列電源）IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源（CA系列電源）產(chǎn)品規(guī)格范圍160 4000 kW50 4400 kW電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)額定功率時(shí)接近于0.90功率減小時(shí)功率因數(shù)降低接近于1.0諧波干擾對(duì)電網(wǎng)有較大的諧波干擾能有效消除3、5、7、9、11次諧波變換效率中功率時(shí)相同, 大功率時(shí)略低中功率時(shí)相同, 大功率時(shí)略高負(fù)載適應(yīng)范圍一般寬廣恒功率輸出能力冷

9、料啟動(dòng)階段輸出功率較低；改進(jìn)逆變控制后可接近恒功率運(yùn)行，但控制技術(shù)復(fù)雜整個(gè)熔化過程中始終可以保持恒功率運(yùn)行，控制簡單工作頻率范圍最高到2500 Hz，主要用于感應(yīng)熔化和保溫最高可達(dá)100 kHz，適用于感應(yīng)熔化和保溫，也適用于透熱和淬火工作穩(wěn)定性較高。中頻電流自成回路，觸發(fā)可控硅必須有一定的電流，抗干擾能力差高。中頻電流通過IGBT構(gòu)成回路，IGBT是電壓控制器件，較強(qiáng)抗干擾能力器件過流容量和過流保護(hù)過流容量大，保護(hù)電路簡單，維修難度大過流容量小，保護(hù)電路復(fù)雜，技術(shù)要求高，維修難度相對(duì)較小配置電源變壓器的余量要求較大。變壓器配置容量約為固體電源最大輸出功率的1.25倍小。變壓器配置容量約為固體

10、電源最大輸出功率的1.1倍電源功率共享可能性不能可以備件價(jià)格低較高五、 兩種固體電源適用范圍電爐類型固體電源類型性能評(píng)價(jià)中、小功率熔化爐IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源高性能SCR可控硅 全橋并聯(lián)逆變固體電源低價(jià)格大功率熔化爐SCR可控硅 全橋并聯(lián)逆變固體電源較高可靠性DX型雙向供電電爐IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源唯一選擇熔化、保溫電爐IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源高功率因數(shù)六、中頻電源與電爐的配置采用中頻無心感應(yīng)電爐實(shí)現(xiàn)批料熔化法可以使電源的輸出功率從爐料被加熱起至澆注前保持在最大的負(fù)載水平。但是在其后的澆注作業(yè)周期及其它非生產(chǎn)性作業(yè)周期（例如撇渣、取樣、等待化驗(yàn)結(jié)果等），系統(tǒng)中沒有功率

11、輸出或者僅需少量功率輸出，以保持一定的澆注溫度。為了適應(yīng)各種不同的鑄造工藝需要，同時(shí)也為了充分提高電源的功率利用系數(shù)，出現(xiàn)了以下幾種中頻電源與電爐的配置方案，分別介紹如下。中頻電源與電爐的配置方案序號(hào)配置方案性能評(píng)價(jià)1單臺(tái)電源配單爐簡單可靠，適用于電爐內(nèi)金屬液熔化后迅速倒空，再重新加料熔化的作業(yè)條件，或作業(yè)不頻繁的場合。僅對(duì)小容量及較低功率的電爐適合。該配置方案的作業(yè)功率利用系數(shù)低。2單臺(tái)電源配二爐（通過換爐開關(guān)切換）常見的經(jīng)濟(jì)性配置方案。一臺(tái)電爐熔化作業(yè)，另一臺(tái)爐澆注作業(yè)或維修、筑爐。在作小容量多次澆注作業(yè)時(shí)，可將向熔化作業(yè)電爐供電的電源短時(shí)間內(nèi)切換到澆注作業(yè)的電爐作快速升溫，以補(bǔ)償澆注溫度

12、的下降。二臺(tái)電爐的交替作業(yè)（熔化和澆注、加料作業(yè)）保證了向澆注作業(yè)線持續(xù)供應(yīng)高溫合格金屬液。該配置方案的作業(yè)功率利用系數(shù)較高。3二臺(tái)電源 （熔化電源和保溫電源）配二爐（通過開關(guān)切換）該配置方案采用SCR 全橋并聯(lián)逆變固體電源，通過切換開關(guān)實(shí)現(xiàn)二臺(tái)電爐交替與熔化電源和保溫電源相連。該方案目前被用戶廣泛接受并采用，它可以達(dá)到與配置方案5相同效果，但是投資卻大大降低。電源切換是借助于電動(dòng)切換開關(guān)完成，操作方便、工作可靠性較高。該方案的不足之處是，保溫電源為了能與同一感應(yīng)線圈匹配工作，它需要以稍高于熔化電源的頻率工作。由此導(dǎo)致合金化處理時(shí)的攪拌作用可能較小，有時(shí)需短時(shí)間將熔化電源切換過來以增強(qiáng)合金化過

13、程。該配置方案的作業(yè)功率利用系數(shù)較高。4單臺(tái)雙供電源配二爐該配置方案又可以稱為功率共享電源系統(tǒng)。它是目前國內(nèi)外被用戶廣泛采用的一種先進(jìn)的配置方案。該方案的優(yōu)點(diǎn)是：1. 每臺(tái)電爐可以根據(jù)各自的工況選擇合適的功率；2.  無機(jī)械切換開關(guān)，工作可靠性高；3. 作業(yè)功率利用系數(shù)高，理論上可達(dá)1.00，從而大幅度地提高了電爐的生產(chǎn)率；4. 由于采用IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源，如表2所述，在整個(gè)熔化過程中始終能以恒功率運(yùn)行，所以其電源功率利用系數(shù)也高；5. 單臺(tái)電源僅需一臺(tái)變壓器和冷卻裝置，與方案3相比較，主變壓器的總安裝容量小，占用空間也小。

14、七、電爐熔化率與生產(chǎn)率（每小時(shí)出鐵水量）的關(guān)系一般電爐制造商在樣本或技術(shù)規(guī)格上提供的電爐熔化能力數(shù)據(jù)是熔化率。電爐的熔化率是電爐本身的特性，它與電爐的功率大小及電源類型有關(guān)，與而生產(chǎn)作業(yè)制度無關(guān)。而電爐的生產(chǎn)率則除了與電爐本身的熔化率性能有關(guān)外，還與熔化作業(yè)制度有關(guān)。通常，熔化作業(yè)周期內(nèi)存在一定的空載輔助時(shí)間，如：加料、撇渣、取樣化驗(yàn)和等待化驗(yàn)結(jié)果（與化驗(yàn)手段有關(guān)）、等待澆注等。這些空載輔助時(shí)間的存在減少了電源的功率輸入，即減低了電爐的熔化能力。八、電爐選型時(shí)對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能的評(píng)估作為鑄造車間的重要熔化設(shè)備，感應(yīng)電爐的投資在鑄造車間的總投資中占有不小的比例。因此，電爐系統(tǒng)的選型除了上面需要考慮

15、的各類因素外，還應(yīng)結(jié)合鑄造車間本身的投資規(guī)模、技術(shù)先進(jìn)性、管理水平等背景對(duì)所選的電爐系統(tǒng)的安全性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性、對(duì)環(huán)保的適應(yīng)性等系統(tǒng)的各項(xiàng)功能作一個(gè)全面的分析和評(píng)估。（1）系統(tǒng)的安全性 系統(tǒng)的機(jī)械方面的完整的保護(hù)功能應(yīng)該具備：閉式冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的采用，冷卻水溫度及流量的監(jiān)控和報(bào)警，應(yīng)急冷卻水柜和管路的設(shè)置、液壓系統(tǒng)的安全措施（軟管破裂保護(hù)措施、雙液壓泵的配置、阻燃油的采用），爐體的鋼架結(jié)構(gòu)堅(jiān)固性。系統(tǒng)的電氣方面完整的保護(hù)功能有：功能完備和可靠的全數(shù)字化控制板和故障自診斷功能、爐襯檢測（或漏爐檢測）功能、電源（包括電容器等）的可靠冷卻措施等。（2）系統(tǒng)的先進(jìn)性 它應(yīng)與整個(gè)鑄造車間的設(shè)備先進(jìn)程度

16、及管理水平背景相匹配。采用全數(shù)字化控制系統(tǒng)的中頻電源將大大提高電爐系統(tǒng)的作業(yè)（包括爐襯壽命和熔化作業(yè)）穩(wěn)定性和可靠性。此外，近年來在鑄造業(yè)逐漸被廣泛接受和采用的功率共享電源系統(tǒng)（俗稱一拖二電爐系統(tǒng)）、電源的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、電爐的計(jì)算機(jī)熔化過程自動(dòng)控制管理系統(tǒng)、舊爐襯快速推出機(jī)構(gòu)、爐襯搗筑質(zhì)量穩(wěn)定的錘擊式氣動(dòng)筑爐機(jī)、鐵水自動(dòng)稱量系統(tǒng)、爐襯自動(dòng)烘爐控制系統(tǒng)等先進(jìn)裝置也大大提高了電爐系統(tǒng)的作業(yè)穩(wěn)定性和可靠性，體現(xiàn)了鑄造車間的技術(shù)和管理水平的先進(jìn)性，也為鑄造生產(chǎn)的質(zhì)量管理體系提供了有效的手段。（3）系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性 應(yīng)該全面、合理地評(píng)估選用先進(jìn)電爐系統(tǒng)所支付的較高的一次性投資額與該系統(tǒng)的較低的日常運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用及生產(chǎn)率提高之間的關(guān)系?？蓮囊韵聨讉€(gè)方面來評(píng)估這種關(guān)系：a) 根據(jù)因先進(jìn)的熔化單耗指標(biāo)計(jì)算得到電爐每年運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)約數(shù)值來評(píng)估投資額差價(jià)的回收周期；b) 根據(jù)先進(jìn)的電爐系統(tǒng)性能，如電源功率共享系統(tǒng)所具有較高的功率/作業(yè)利用系數(shù)所引起的相同功率配置情況下電爐生產(chǎn)率的提高來評(píng)估整體經(jīng)濟(jì)效益的大?。籧)從先進(jìn)的和安全性好的電爐系統(tǒng)在日常維護(hù)方面減少的費(fèi)用以及設(shè)備使用壽命提高二方面進(jìn)行投資的綜合評(píng)估；d)從采用具有先進(jìn)功能的裝置，如爐襯自動(dòng)烘爐控制系統(tǒng)和錘擊式氣動(dòng)筑爐機(jī)，提高了爐襯壽命，降低的作業(yè)方面的各項(xiàng)成本來評(píng)估其經(jīng)濟(jì)性。（4）環(huán)境的改善