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  • 感应加热用IGBT超音频电源

    2018年03月07日 22:22 244次

      引言

      感应加热是将工件直接加热,它具有效率高,作业条件好,温度容易控制,金属烧损小,无需预热等优点。

      传统感应加热设备应用电力电子器件是电子管和快速晶闸管。电子管电压高,稳定性差,幅射强,效率低,已经到了淘汰边缘,但它频率高,功率大,市场上仍有一席之。快速晶闸管是目前应用主力军,它耐压高,电流大,抗过流、过压能力较强。但它只能工作10000Hz以下,这使其使用范围受到了限制。

      IGBT是一种复合功率器件,它集双极型功率晶体管和功率MOSFET优点于一体,具有电压型控制,输入阻抗大、驱动功率小,控制电路简单,开关损耗小,通断速度快,工作频率较高,元件容量大。它达到了晶闸管不能达到频率(60kHz以上),正逐步取代快速晶闸管。国外1kHz~80kHz感应加热已广泛应用IGBT,这是感应加热电源发展方向。图1为国外各种功率器件应用。

      2 IGBT电源结构及工作原理

      2.1 主电路采用并联谐振式逆变器,主电路如图2所示。

      电流源并联谐振逆变器具有负载适应性强,抗负载短路能力强等优点,该设备波形较好,有利于提高装置效率和可靠性。

      主电路为三相全波不控整流加滤波,再经斩波后输入给逆变器。采用IGBT斩波频率较高(约为20kHz),输出波形较好,电抗器尺寸将可缩小为原来1/3。

      该装置整流桥采用普通整流二极管,滤波电容为电解电容450V/1500μF,斩波IGBT及二极管为富士公司产品,平波电抗器为自制,逆变IGBT也是富士公司产品,谐振回路电容为特制超音频电容器,功率输出变压器为自行设计生产。

      2.2 斩波控制

      斩波控制采用SG3525脉宽调制型控制器,SG3525是集成PWM控制器件,控制功能比较完备用于斩波十分合适,全推挽输出形式,其输出峰值为±500mA,电源电压为(8~35)V,内部设有欠压停止电路,当电压过低时,输出级截止。具有5.1V,温度系数±1%基准稳压电源,误差放大器、振荡器频率为100Hz~400kHz(其值由外接电阻Rt,电容Ct决定)锯齿波振荡器,软起动电路,同步电路,关闭电路,脉宽调制比较器,RS寄存器及保护电路。SG3525原理框图如图3所示。

      2.3 逆变控制

      IGBT为自关断器件,既可工作容性又可工作感性。工作容性或感性都将引起电压或电流毛刺,采用锁零电路,使电源基本上工作谐振状况。这种情况下,电压正弦波和电流方波(谐振回路上)都比较好,这对减少开关损耗,增加器件寿命有重要意义,也减轻了阻容吸收负担。

      常见他激转自激线路这里也没有选用,他激转自激,是指低电压使用他激信号,电压升高自动变为自激信号,这也就使它有一个缺点,当感应器换掉,他激和自激频率有差异时,就会产生电压上升过程中过流现象。我们设备是将他激固定频率发生器改进为变频频率发生器,既从100kHz逐步变为10kHz,同时检测谐振电压,谐振点时变自激过零触发,保证设备工作零度。逆变线路控制框图如图4所示。

      这种逆变控制方式既防止了他激转自激过程中逆变失败,又防止了小信号下线路找不到自激频率情况。

      2.4IGBT驱动

      IGBT可采用有源或无源两种驱动方式,无源驱动相对线路简单,但波形调整很方便,为此采用富士公司841这种线路,如图5所示,841很多文章有介绍,这里只提两个问题:

      (1)841保护时并未完全封锁脉冲,这给器件安全构成威胁,过流输出和驱动信号输入之间加了一个RS触发器,有过流输出时完全封锁驱动脉冲。

      (2)841过流是检测IGBT门极导通时CE间电压,当超过6V延迟10μs则判断为过流。但实践中发现很多IGBTCE间电压6V时已经损坏,我们IGBTC极和841第6脚串一个3V稳压管,使841检测值由此6V降低为3V实践证明这样改进明显增加了841对过流判断灵敏性,使线路能正常驱动元件过流时能更有效保护器件。

      2.5过流和过压保护

      (1)过流IGBT相对SCR来说抗过流能力比较弱,线路设计一定要保证IGBT安全。主要靠两个办法:一个是841过流保护,但这种方式风险性较大,二是电抗器和逆变桥输入之间串了一个电流传感器,当它输出值超过预定值时,封锁斩波脉冲,另封锁逆变脉冲,这一措施使IGBT了负载短路实验考验。

      (2)过压这种谐振电路里主要有两种过压产生:1、负载电流和电压角度增加,负载电压会越来越高,这会对器件构成威胁,解决办法是逆变控制锁0度,另外负载上加电压传感器检测电压大小,当过大时加以控制。2、换流过程中电压毛刺,这种现象主要靠加阻容吸收,值注意是逆变电路中二极管也需要加阻容吸收,如图6所示。

    3 应用举例

    (1)某单位要求焊接空调压缩机贮液灌部件,如图7所示。

      ①③铜件,②钢件,要求焊接①~②及②~③连接处,焊接表面光亮要求基本不变型。

      我们采用IGBT超音频20kW、40kHz电源,配合氮气保护成功解决了这一问题。提高效率,采用一台电源同时匹配两台变压器技术,依次完成每个部件两处焊接任务,每个焊接过程约定4~5秒时间,焊接表面光洁,无变型。

      (2)熔炼白金

      白金熔点为1800,相对比较难熔化,过去采用电子管电源,但它体积大,耗电高,难控制,很多场合、尤其实验室十分不合适,国外多采用固态电源,价格十分昂贵(约为国内产品5~10倍),我们采用30kW/30kHzIGBT超音频电源成功解决了这一问题,它具有体积小,熔化迅速,控制精度高,可靠耐用优点。

      (3)电冰箱压缩机外壳紫铜管钎焊

      通常采用高频焊,某厂家现采用我厂生产IGBT20kW20kHz型IGBT超音频电源,其主要优点:一是加热效率高,可达85%,发振均匀,加热迅速,达到了日本生产HFB303H1A高周波钎焊设备T10型超音频电源水平,为国家节省了大量外汇。

      (4)滚柱轴承局部淬火(退火)

      某厂滚柱轴承要求表面局部淬火和局部退火,如图8所示。采用我厂生产感应加热电源设备,经工艺试验,均取圆满成功。特别值一提是:电子管高频电源周围有强大电磁场辐射,如长期这种环境工作,对操作员身体健康是有害,而我厂研制个IGBT超音频电源,输出电压、频率都比电子管高频电源低多,经测定,周围辐射电磁场强度,均未超过国家规定标准,测定结果如表1所示。

      滚道区为淬火区,T=850℃。K为局部退火区,温度T=800℃。

      4 结语

      据统计,我国现有100kW级高频电源一万余台,各个生产领域运行,每年还新增近1000台电子管或晶闸管高频电源设备,浪费电能情况十分严重。采用IGBT超音频电源节能效果显著、效率高,保护环境。它推广应用势必将产生巨大经济效益和社会效益。

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