高频炉原理3

高频炉原理3

2020-08-02 20:08

  高频炉原理3_机械/仪表_工程科技_专业资料。1 概述 由于感应加热电源是热处理的重要设备,其控制方案历来备受关注。由于热处理现 场作业条件复杂, 干扰因素较多, 在设计时要尽量减少干扰源和减弱或消除外界干扰对系统 的影响,因此,根据实际情况

  1 概述 由于感应加热电源是热处理的重要设备,其控制方案历来备受关注。由于热处理现 场作业条件复杂, 干扰因素较多, 在设计时要尽量减少干扰源和减弱或消除外界干扰对系统 的影响,因此,根据实际情况控制方案不停地在改进中。 感应加热电源逆变器按其负载补偿电容所处的位置不同,可分为电流型逆变器和电 压型逆变器。电流型逆变器具有电路结构简单,电源运行可靠,对负载适应能力强及过流保 护容易等优点,图 1 即是电流型逆变电路的拓扑。对于电流型电路而言,首先要防止逆变器 的瞬间开路;其次是选取适当定时或定角的超前触发方式;最后,要求逆变器具有较宽的启 动频率范围。 图1 2 控制方案的原理和改进 电流型感应加热电源拓扑 逆变器的控制框图如图 2 所示。其中 Vo 为逆变器的输出电压信号,经过峰值检测, 与控制给定值比较产生切换装置的切换信号 X1,当 X1 为高电平时,切换装置输出信号 X2 与它激信号接通,逆变器工作在它激状态,控制信号从它激信号发生器发出,电路工作频率 固定,且由它激信号发生器控制;当 X1 为低电平时,X2 与自激信号接通,逆变器工作在自 激状态,电路工作频率由负载本身的固有频率决定。根据锁相环的闭环滤波功能,在锁相环 反馈电路中进行延时,用来补偿系统的固有延迟,调节延迟时间 td,逆变器既可以工作于感 性状态,也可以工作于容性状态。 图2 3 逆变器控制电路框图 逆变器瞬间开路的防止与转换的平滑过渡 以全控型器件作为开关的逆变器的控制通常采用他激转自激的控制策略,即在开机 或是负载电压低于阈值 Vco 时采用开环的定频控制,工作于他激状态;而当输出负载电压大 于阀值 Vco 时进行自动切换,使逆变器工作于频率闭环,跟踪负载频率的变化。 但是这种控制方案存在这样的问题:由于它激信号和自激信号不可能总是同步的, 因此,在切换过程中多数情况下会产生窄脉冲(低电平),这个窄脉冲不可避免地造成逆变 器的瞬间开路;另外,现场的实际运行环境较差,通常都是在恶劣的电磁环境中工作,这种 控制方案对于外界的抗干扰性能很差,不能满足系统的抗干扰的要求。 针对这种情况,在切换电路后级插入一个锁相滤波电路, 用以滤除在转换时产生的窄 脉冲,同样,这种电路对外界干扰产生的尖峰也有很强的抑制能力。图 3 给出了关键点 X1 及 X3 在切换前后的波形。从图 3 中可以看出,由于锁相特性,切换过程中的窄脉冲被锁相 环滤掉了。图 3 中 1 路为 X1 的波形,2 路为 X2 的波形,3 路为 X3 的波形。 图3 控制电路切换波形 图 4 给出了逆变器的输出端电压在由它激切换到自激时的波形。图 5 给出了逆变器 从自激转到它激时的波形图。由这两个波形可以看出,切换过程是一个平滑过渡过程,和图 3 对比可知,系统的稳定性大大提高,前级窄脉冲被锁相电路滤除了。 图4 1 2 下一页 尾页 它激转自激时输出端电压波形 1/2 0 顶一下 图5 4 精确定时的实现 自激转它激时输出端电压波形 由于逆变器输出引线电感的存在,为减小逆变管的电流电压应力,一般要求逆变器 工作于容性换流状态。这就要求在槽路电压过零之前的某个时刻(某个角度)换流。这就把 控制电路分为定时和定角两种触发方式。本控制电路中采用定时触发方式。 在传统的中频感应加热电源中,定时触发方式一般是由槽路的电压和电流合成信号 来实现的。这种电路的定时是近似的。而在超音频感应加热中,由于控制电路的固有延迟的 存在,使这种近似不再成立。所以,采用电压和电流合成的定时触发方式,超前时间会随着 槽路谐振频率,输出电压幅值的变化而变化。 利用在锁相环的反馈电路中插入延迟环节,一方面补偿了控制系统的固有延迟,另 一方面可以获得精确的超前触发时间。 显然, 控制电路中的这个延迟环节的时间常数与槽路 谐振频率和电压幅值是相对独立的。 5 结语 通过实验验证和后来的现场超音频感应加热电源的实际运行效果来看,这种控制电 路具有较强的抗干扰能力和平稳的转换能力,恒定的超前触发时间,和较大的启动范围。 2/2 首页 上一页 1 2 0 顶一下 一、高频感应加热的原理 感应加热是利用导体在高频磁场作用下 产生的感应电流(涡流损耗、usdt, 。以及导体内磁 场的作用(磁滞损耗)引起导体自身发热而进 行加热的。 三、感应加热系统的构成 感应加热系统田高频电源(高频发生 器)、导线、变压器、感应器组成。 其工作步骤是①由高频电源把普通电源 ( 220v/50hz)变成高压高频低电流输出,(其 频率的高低根据加热对象而定,就其包材而 言,一般频率应在 480kHZ 左右。)②通过变压 器把高压、高频低电流变成低压高频大电 流。③感应器通过低压高频大电流后在感应 器周围形成较强的高频磁场。一般电流越 大.磁场强度越高。 全晶体管高频感应加热设备 1 高频感应加热设备现状 高频感应加热设备在我省已得到广泛应 用,设各频率范围在 20}}-450 kHz,高频功率 最大可达 400 kW。我省的高频感应加热设备 主要应用于金属热处理、’淬火、透热、熔炼、钎 焊、直缝钢管焊接、电真空器件去气加热、半 导体材料炼制、塑料热合、烘烤和提纯等。现 在我省使用的高频感应加热设备都是以大功 率真空管(发射电子管)为核心构成单级自激 振荡器,把高压直流电能量转换成高频交流 电能量,它们的电子管板极转换效率一般在 75 环左右,设备的整机总效率一般在 50 绒以 下,水和电能的消耗非常大。 自 70 年代中期后,对高频设备也进行了 一系列改进,如: (1)用节能型牡钨烟丝电子管代替老式 纯钨灯丝系列电子管,如 FV-911 代替 FV-433 } FV-431,FV-89F 管等; 2)采用高压硅堆整流代替充汞闸流管 整流; (3)采用大功率双向可控硅结合微机调 压代替原闸流管调压; (4)根据各自工艺条件重新更改振荡回 路,选择合理的振荡频率。 这样,经过一系列改造后,使我省的高频 设备整机总电效率有一定的提高,在节能方 面有一定的效果,但由于振荡电子管这个耗 电最大的器件未能改掉,所以在节能方面,并 不是特别显著。 2 全晶体苍高频感应加热设备 电子技术的发展,可谓日新月异。80 年 代初,日本首先改进半导体生产工艺,开发生 产出场控电力电子器件—大功率静电感应 晶体管(SIT ) ,并设计制成换流桥式的,把直 流电能量转换成高频电能量的全晶体管化高 频感应加热设备,随后美国、西德等发达国家 也迅速研制,使之很快就商品化了。 2. 1 大功率静电感应晶体管(SIT)的特点 大功率静电感应晶体管(SIT)是一种大 功率电力电子器件,它的符号与三极管相同, 作用也相似,但它主要用在大功率换流或导 通的控制场合,它具有以下几个特点: (1)具有“正导通”特性,在正栅压为 0 V”时,SIT 处于导通状态,而在加上负栅 压时,则将处于关断状态; (2)开关速度快,可用于高频段; (3)是高输入阻抗的电压控制型器件,所 以用较小的驱动功率就能控制较大的功率; (4)SIT 元件是高耐压大电流型器件; (5)电流的负温度系数不会使电流集中, 从而有利于并联驱动,因此可运用于大功率 装置。 目前,静电感应晶体管SIT)的单管功 耗有 1kW 和 3kW 级的电力电子器件,供组 装高频逆变设备. 2. 2 全晶体管高频感应加热设备主电路 由静电感应晶体管 SIT 组装的高频感 应加热设备主回路如附图所示,主电路由 3 部份组成: (1)直流电源部份:该部份是把工频三相 交流电转换为直流电,并控制下面几部份。该 部份主要由三相晶闸管(SCR)可调电路和直 流电抗器 La 与电解电容 Ca 组成的直流滤波 器组成,调整三相晶闸管整流电路的直流输 出电压,可调节该设备的输出功率。输入电压 为工频 3}p380V,最大直流电压可达 500 V 以 上,输出直流可以 100~100%连续可调。 C2)逆变部份:该部份把直流交换为高频 交流,并控制后面部份,这部份由电压型单相 全桥电路构成,使用 1kW 或 3kW 级功耗的 SIT 作为逆变桥的开关器件,使用同一级功 耗的 SIT 器件组成电路时,设备的功率越 大,频率越高,每一桥臂上并联的 SIT 器件 愈多;R- C。和 D.为缓冲电路,当 SIT 开始 关断而产生浪涌电压,超过这些电路中的直 流电压时,二级管 D,导通,而电容器 C。吸收 该浪涌能量,使逆变桥中的 SIT 器件安全运 行。SIT 元件的导通或关断是由设备上所配 备的微机和专用程序控制触发信号,控制其 导通或关断。 (3)负载回路部份:该部份的功能是把高 频功率输向被加热的金属工件上,负载回路 是由谐振回路、电流互感器和加热线圈组成, 该电路中的串联谐振回路构成了电压型逆变 电路,电容器 CT 和电感 LT 两端各产生几干 伏以上的高频电压。高频变流器次级侧通常 做成单匝,联接着加热线圈 L},巨大的高频 电流在 L。周围所产生,高频磁通使金属工件 迅速急剧发热。 3 全晶体管化高频与电子管式高频比较 全晶体管化高频感应加热设备在如下几 个方面优于电子管式高频感应加热设备。 3. 1 工作模式得到彻底改变 电子管高频感应加热设备需将工频 3}p380 V 升高后,经高压整流器件变换成相 应的直流高压才能供给电子管工作,电子管 板极内阻天,有大量功率损耗在板极上发热, 而且需要及时加水冷却,同时还需把一部份 功率反馈到栅极,并且要较大的灯丝加热功 率,这样就有大量的电能损耗在转换之中。而 晶体管高频中的 SIT 电力电子器件,只需较 小的驱动功率来控制较大功率换流的产生, SIT 元件正向导通压降很小,损耗不大,并且 采用直流 500 V 的低压工作状态。电子管板 极转换效率最高为 750o,SIT 电力电子器件 为 9200;全晶体管高频省去了高压整流变压 器、高压硅堆;如果多管并用,能使热量分散, 只需加少量的水便可,30kW 以下小功率高 频可减去水冷却,晶体管高频整机总效率比 电子管高频要高 20000 3.2 能源的节约 电子管高频电压转换次数多,电压变化 大,而全晶体管高频电压变化不大,在几百伏 内变动,不需多次变换电能,所以全晶体管高 频比同功率电子管高频节电 3000.节水 83 沁,如输出为 80 kW 级(FV-911S)电子 管高频,振荡工作时输入功率为 158 kW,用 水 3 1/s,而同样的输出功为 80 kW 的全晶体 管高频,振荡工作时,输入功率只需 113 kW , 用水。. 5 1/s,电子管还另需消耗 2. 2 kW 的 灯丝加热功率。 3.3 设备一与维护 全晶体管高频体积只有电子管高频的 1/3,所以设备占地面积也只有 1/3,晶体管 高!p 没备洁构简单.l 一作 1 卜常稳定.故障少 (据国内使用厂家介绍,使用 2 年多没有发现 任何故障),维修费用低,省去了原电子管高 G} r1 r i;} 1:需换的 1 }?电 r 管(6,l loo kW 高 频为例),约 7 000 元,水套((2 年更换 1 只)约 3 500 元,每年 1 次的整流变压器检修、滤油 费约} mo 七.整个维修费 1 年最少可节约 1 万多元。因用水量减少,水泵也可根据需要改 用较小功率的。 4 国内外研制动态 4. 1 国外产品情况 目前在世界上只有少数几个国家的大公 司能制造全晶体管高频,如日本的岛田理化 工业(株),富士电波机(株),电气兴业(株), 美国的 ENI 公司,德国的 FDF 公司,EMA 公司等,产品规格已成系列化,如: 日本的:T 系列 20-}30 kHz 3}-50 kW 七 种规格, A 系列 200-}-300 kHz 2,5,10 kW 三种规格, SST 系列 20^ 200 kHz 2.0, 30, 40 kW 三种规格, 20~150 kHz 50~200 kW 六种规格, 20~100 kHz 300, 400 kW 二种规格。 美国的:STATITRON 系列 50^-300 kHz 25 一 400 kW 八种规格 西德的:ELOMAT TGI 系歹,j 50^-200 kHz 15^-240 kW 等规格,而且他们还在 试制更高频,更大功率的高频设备, 用途已不只是工业.如广播电台,军 事通讯等。 4. 2 国产化研制情况 我国非常重视国际上这一电力电子器件 技术的研究和应用,国家计委、科委、机电部 已确定 SI T 元件和晶体管高频的研制为“八 五”国家重点科技攻关项目,具体布署了 SIT 器件及全晶体管化高频设备整机的同步攻 关,目前我国有关科研单位已研制出小功率 0. 1 kW 级以下的 SIT 元件.大功率级的研 制还在进行,整机的研制在辽宁电子设备厂 进行,目前已研制并出产了几台输出功率为 80 kW 的全晶体管高频感应加热设备,并在 1993 年中国国际计算机设备展览会上演示 了他们的产品;现在他们又在研制输出功率 为 160 kW 级的全晶体管高频感应加热设 备,估计到 1996 年研制出样机,输出在 80 kW 以下的高频感应加热设备频率可达 300 kHz o 科学技术在不断进步,电子管高频被大 功率晶体管代替是必然趋势,这个日子已不 会很长,让我们迎接这个时代的到来,为我省 的节能技术工作做出新贡献。

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