1、電力電子技術在感應加熱領域的應用一、前言上個世紀初,人們發明了真空電子管,它可以在玻璃真空泡里對電子流進行控制,人們把它應用在通信和無線電方面,開創了電子技術應用之先河。隨著電子技術應用功率的增大,人們又發明了汞弧整流器,閘流管,由它制造的變流設備廣泛應用于電化學工業,軋鋼工業,也應用在感應加熱行業。其中,以真空電子管振蕩器為主組成的高頻感應加熱技術和設備一直沿用到現在。在頻率較低的中頻感應加熱方面,人們還采用旋轉的電動機-發電機組進行電流和頻率的轉換。相對于旋轉變流機組,人們把汞弧整流器、真空管振蕩器組成的變頻設備稱為靜止變流器。無論旋轉變流器還是真空管等器件組成的靜止變流器,在滿足工業應用

2、工藝要求的同時,其共同缺點是效率低,維護工作量大。1947年美國著名的貝爾實驗室發明了晶體管,1957年美國通用電氣公司研制出了第一只晶體閘流管,由此引發了電子技術領域的一場革命,開創并確立了電力電子技術的基礎,晶閘管出現后,由于其優越的電氣性能和控制特性很快就取代了水銀整流器和旋轉變流機組,其應用范圍也迅速擴大。例如電化學工業、鐵道電氣機車、鋼鐵工業的軋鋼和感應加熱、電力工業的直流輸電和動態無功補償等。大量的工業應用也促進了半導體器件的技術發展和進步,在晶閘管發明之后,人們又發明了各種可以自行控制關斷的全控型半導體器件。有別于電子真空器件,人們把這些基于硅半導體晶體材料制造的電力電子器件統稱

3、為固態半導體器件或者叫固態器件。晶閘管是通過對門極控制能夠使其導通但不能使其關斷的器件,因此稱為半控型器件,它的關斷是通過主電路電流過零完成的。盡管如此,由于它的控制特性優越(以毫瓦級的功率控制兆瓦級的功率并且準確可靠在交流可控整流、中頻感應加熱、交流調壓和功率控制方面應用廣泛。電力場效應晶體管(power-MOSFET、靜電感應晶體管(SIT是全控型多子型器件,其最突出的特點是開關速度快,因此主要應用在高頻變流設備上。但是它的通態壓降大,單個元件的容量小,需要并聯的數量較多。1980年以后,以絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT為代表的復合型器件發展飛速。IGBT是MOSFET和BJT(雙極晶體管

4、的復合器件,它把MOSFET的驅動功率小、開關速度快的優點和BJT的通態壓降小、載流能力大的優點基于一身,性能十分優越,成為現代電力電子技術的主流器件。它除了在變頻器、開關電源和UPS等方面有大量應用以外,在感應加熱方面也有上乘表現。IGBT 目前已經應用于超音頻感應加熱設備,并在中頻設備中有取代晶閘管的趨勢,在高頻大功率設備(200kHz中有取代MOSFET的趨勢。在應用固態半導體器件制造的各種感應加熱設備比較真空管器件的感應加熱設備有更大的優點,它的電壓較低,安全性好,效率高,省水,省電,壽命長,維修工作量小。正在越來越多的地方獲得應用和推廣。二、晶閘管在感應加熱方面的應用晶閘管分為普通型

5、晶閘管、快速型晶閘管、逆導型晶閘管和雙向晶閘管。普通型晶閘管主要應用在供電電源調節與控制方面,快速型晶閘管主要應用在中頻感應加熱電源逆變器上。1、直接整流型的電源供給電路直接整流型的電源調節器主要用于中頻設備、超音頻感應加熱設備和固態感應加熱設備的直流電源供電。根據電路要求可以分為電壓源型和電流源型電路。電壓源型整流電路一般采用三相橋式全控整流電路,其主電路結構如圖一所示。 圖一三相橋式全控整流電路(電壓源型電壓源型供電電路以大容量電容器作為濾波器件,電容器同時兼做高中頻與工頻的緩沖與隔離環節,L是充電限流電感。這樣的供電電路主要用于為串聯諧振逆變器提供穩定的直流電壓,同時也作為功率調節手段。

6、橋式全控整流電路的輸出電壓:U d=2.34UCOS(U為輸入相電壓電流源型供電電路以大容量電感作為濾波器件,它同時也作為工頻與高頻的隔離器件。其主電路結構見圖二所示。由于電感的電流不能突變,大電感的電流在換流過程中基本不變,常將直流端視為電流源。故稱為電流源型供電電路。它主要為并聯型中高頻提供電力驅動。 圖二三相橋式全控整流電路(電流源型2、間接整流型電源供給電路間接整流型電源供給電路如圖三所示。兩只晶閘管反并聯組成了交流調壓器,由它進行交流電壓的調節, 交流調壓器在這里還起著交流電力開關的作用。 圖三間接式調節整流電路使用電子管振蕩器的高頻電源都需要1萬伏以上的陽極直流電壓,由于電壓高,電

7、流小,采用間接式調節整流電路比較經濟可行。間接式調節整流電路一般都采用在交流低壓電源側裝設三相晶閘管調壓器,調壓以后采用升壓變壓器進行升壓,然后再用高壓硅堆進行整流的供電方式。這種方式可以避免采用大量可控器件串聯造成的復雜技術和高投資,充分利用晶閘管的電流容量,因此比較經濟實用。由于晶閘管調壓器后直接連接升壓變壓器,因此交流調壓器的輸出最重要的是正負半周對稱,不能含有直流成分,否則會造成變壓器直流磁化偏磁,輕則增大損耗,重則造成過流跳閘。另一方面要求調壓以后的交流電壓波形三相對稱。使用分立元件控制的晶閘管交流相控式調壓器, 控制精度低,這些要求不容易達到,使用微機控制的晶閘管交流調壓器就可以滿

8、足這些要求。微機控制的晶閘管交流調壓電路,在控制方法上采用了單相交流信號鎖相同步方式和等間隔觸發脈沖控制以及高精度延遲角數字控制方式。這樣的控制方式具備了可靠性高、抗諧波干擾能力強,控制精確的特點。同步電路原理框圖見圖四。 圖四同步電路原理框圖交流系統電路是容易受到干擾的,例如諧波可以使交流電壓波形產生換相齒和干擾毛刺,遠方的電機起動或短路會造成電壓凹陷。使用單相同步信號,其受到這些干擾的機會能夠比三相同步方式減少三分之二,經過變壓器降壓隔離后的單相電壓同步信號經過較大參數的RC濾波就可以排除各種高頻信號和諧波的干擾,使用單相信號的鎖相同步方式可以獲得滿意的同步跟蹤效果。交流同步電壓信號經過整

9、形電路整形為方波后和鎖相反饋信號輸入到90°鑒相器中, 鑒相器的輸出為兩路信號的異或值。當兩路信號同為高電平或低電平時,鑒相器為低,當兩路信號為不同電平時輸出為高。這種經過鑒相器的輸出信號為100Hz方波信號,經過低通濾波器濾波后的電壓去控制壓控振蕩器,壓控振蕩器輸出的高頻同步脈沖信號作為微機計量晶閘管觸發角的基準量值信號。另外,高頻同步脈沖經過分頻后的300Hz信號代替交流線電壓的過零點作為調壓電路的自然換相點信號,啟動微機沖斷計量觸發延遲角。這樣用來產生的觸發脈沖間隔在無調節量發生時是嚴格按照60°電角度分布的,保證了相電壓正負半波對稱和沒有直流分量,也保證了三相對稱性

10、和六只晶閘管中的電流相等。這樣做還有一個好處就是產生的高次諧波電流較小,只有理論上不可避免的特征次諧波電流,沒有因為控制誤差而產生的非特征諧波電流。按照圖四中90°鎖相電路工作原理和低通濾波器參數的設置,可以在46Hz-53Hz范圍內跟蹤系統電壓的頻率和相位,這種工作范圍是足夠寬的,因為系統頻率變化一般±±1Hz范圍內變化。不會超過50Hz0.5Hz,極少情況下有可能在50Hz微機控制觸發電路的一個優點是控制精度高,一般最低精度在0.5°電角度,有的可達到0.125°電角度。這樣高的精度對于高頻設備和其它形式的調壓整流電源是足夠的。觸發電路的另

11、外一個特點是采用了帶有陡前沿、強觸發的脈沖列去觸發晶閘管,強觸發脈沖可保證晶閘管的可靠開通并且在開通初始時刻就有比較大的導通結面積(硅片面積,能承擔較大的電流上升率,而不易過流損壞晶閘管。寬脈沖列則有利于進行調試,不會因為雙窄脈沖方式常發生的調節過了頭而產生脈沖“丟失”的現象。現在晶閘管微機控制調壓電源作為高頻設備的可調穩壓電源已經廣泛地應用在生產中,發揮了功率調節、軟起動和無觸點開關的作用,成為高中頻設備中的一個優秀配套部件應用在大功率高頻設備的供電電源中,對于高頻加熱技術的推廣和普及發揮了有益的作用。3、電源功率因數與高次諧波的控制目前,不論直接型可控整流電路還是間接型整流電路,它們都有一

12、個共同的缺點,這就是在工作時產生高次諧波電流,并有滯后的功率因數。高次諧波電流流入電網會產生諧波污染,影響系統的工作效率,嚴重時會產生諧波不穩定或高次諧波諧振,危及電力用戶的使用電能安全。而滯后的功率因數會使無功功率增加,降低了設備的用電效率。功率因數低還可能被電力部門罰款,影響用戶的生產成本。因此,大功率高中頻電源都有無功功率補償的要求。在大功率高頻設備使用場合或者是電源內阻抗較大的末端用戶,功率因數低和高次諧波常常會成為用電不穩定的主要原因,有必要采用一些措施來改善功率因數和諧波。常見的技術措施有:增加整流電路的相數 實行觸發角的錯位控制 濾波器和無功補償 對于大功率的交流調壓或整流電路，

13、增加整流電路的相數是改善交流電流 和直流電壓波形的一個有效方法。常用的方法是采用雙重化的 12 相脈動整流電 路。間接供電的 12 相脈動整流電路見圖五所示。變壓器采用三卷變壓器，其中 副邊繞組的線電壓為兩個 5000V，整流以后的直流電壓是 12 相脈動的，交流脈 動成分得到了改善。高壓硅堆整流器基本上不增加造價，只是多了三個引出 線。它的交流電流波形也有較大的改善，6 相脈動整流的交流電流含有 6K±1 次高次諧波，而 12 相脈動整流電路的交流電流波形含有的高次諧波為 12K±1 次，由于高次諧波的幅值與它的次數成倒數關系，因此后者的交流高次諧波電 流比前者要小得多。

14、另外，功率因數也與脈動數相關，12 相脈動整流電路也有 較高的功率因數。電力電子電路的功率因數與波形畸變和波形滯后有關，增加 脈動數對電壓源型電路的功率因數有較大的改進，對電流型電路改進不大。 圖五 三卷變壓器雙橋整流電路 為了進一步改進電路的無功功率消耗和功率因數，可以采用觸發角的錯位 控制。圖六表示采用雙臺變壓器的 12 相脈動整流電路的情況。 6 圖六 雙變壓器 12 相脈動整流電路 圖六中的變壓器兩臺線電壓是相同的都是 400V/5000V，但是接線方法有區 別。交流端分別由兩個三相交流調壓器供電。進行相位角的錯位控制可以減少 無功功率的消耗。當第一組三相交流調壓器不工作時，其直流硅堆

15、自動形成通 路，第二組三相調壓器在工作范圍內可以調節 0-50%的電壓輸出，這時最大的 無功功率是單組調壓電路最大無功功率的一半，在 50%-100%的電壓輸出調節 時，固定第二組調壓器為最大輸出，第一組調壓器開始工作，這時第二組調壓 器為最大輸出，其功率因數達到最高，第一組調壓器消耗的最大的無功功率是 單組調壓電路最大無功功率的一半。這樣，兩組調壓器分時工作可以有效的消 減無功功率的最大值，這就是錯位控制的優點。這種方法可以有效的減小無功 功率，但是不利于諧波的減小。在有些地方，例如交流電源較遠的線路末端可 能需要這種控制方式。 4、交流系統諧波與綜合動態無功補償 大容量的高頻設備和中頻設備

16、采用相控調壓或整流電源供電時，在交流系 統中會產生較大的高次諧波和感性無功功率。一般超過 400KW的設備高次諧波 和無功功率都會對交流系統有比較顯著的影響。這些影響包括增加系統的有功 損耗以及影響其它電氣設備的正常運行，也包括供電部分的低力率罰金對生產 成本的影響，采用晶閘管控制的分組投切濾波器組可以比較容易的解決這一問 題，圖七是 6 相脈動整流的交流電流波形，它包含有 6 K ± 1 次高頻諧波電流， 其中以 5 次諧波（250HZ）最為嚴重，一種比較適宜的方法是在交流母線側裝 7 設相對應的諧波濾波起加以濾除。濾波器以R、L、C串聯諧振濾波器比較合 適，這種串聯諧振濾波器可以

17、用晶閘管組成的無觸點開關加以控制。根據高頻 設備的負載大小，裝設三組不同容量的RLC濾波器，如圖八所示。這種濾波器 在比較低的頻段呈現容性電抗，在基頻 50HZ電壓下，它象電容器一樣向交流系 統提供無功補償功率。如果三組濾波器的容量按 4：2：1 的比例來選擇，根據 投入的支路不同可以組成七級調節的運行方式，能夠恰當的補償系統的功率因 數，同時濾除整流電路的高次諧波。 圖七 6 相脈動整流的交流電流波形 圖八 晶閘管控制的濾波器組 在這種控制電路中，晶閘管開關一般采用電壓過零觸發，電壓過零是指晶 閘管兩端的電壓為零，投入時由控制投入信號和電壓過零信號“與”起來進行 控制。斷開時，只要去掉觸發脈沖，在電流過零點晶閘管自行關斷即可。這就 需要一種檢測電壓為零的控制電路與主控制器加以配合。 分級投切電路還需要加入“滯環”控制，以避免投切振蕩，需補償的無功 8 功率可以按下式計算： Q = P(tg1 tg 2 1 補償前的功率因數角 2 補償后達到的功率因數角 一般情況下，無功補償裝設容量按變壓器容量的 40%配置，補償后的功率 因數可以達到 0.95 以上。 晶閘管除了在電源控制和調節中的應用以外，在中頻電源中還有重要的應 用。中頻電源