中频电源及电加热技术应用

2022-11-07

在现代工业生产中, 蒸汽吞吐、化学降粘、热水射流伴送等加热方法需要大量的车辆设备配合且施工作业量大, 正逐步被电加热所替代。工频感应电加热系统, 施工作业量小, 操作简单, 便于维护。工频加热技术与其它各种物理加热技术相比, 确实具有较高的效率, 但存在一些明显的不足, 在现代工业的金属熔炼、热处理、焊接等过程中, 感应加热被广泛应用。感应加热是根据电磁感应原理, 利用工件中涡流产生的热量进行加热的, 它加热效率高、速度快、可控性好, 易于实现高温和局部加热。随着电力电子技术的不断成熟, 感应加热技术得到了迅速发展。

1 中频电源加热工作原理

中频电源由6部分组成:串行接口、信号源、放大器、工作电源、电压变换器、稳压控制。中频电源原理连接框图如图1所示。

感应加热是根据电磁感应原理, 利用工件中涡流产生的热量对工件进行加热的。感应加热法的基本工作原理为:电源向感应线圈通入交变电流i而产生一定频率的交变磁通φ, 如 (式1.1) 交变磁通φ在置于感应圈内的工件中产生感应电势e2如 (式1.2) 及感应电流, 使得工件发热, 产生发热功率P。按这个原理进行的加热叫感应加热, 磁通φ随时间t按正弦规律变化, 即:

在工件中产生的感应电势:

感应电势的幅值为E2m=φmω=2πφmf, 为了提高感应加热的效率, 要求E2m尽可能大。增大电源通入感应线圈的电流i, 或者提高电源的频率f都能使得E2m增加。从上述原理不难看出, 要想提高工件的加热效率, 在一定范围内:

(1) 提高电源通入感应圈的电流i;

(2) 提高电源的频率f。

在中频范围内, 国内已形成2 0 0 H z~1 0 0 0 0 H z, 功率为1 0 0 k W~3 0 0 0 k W系列产品, 可以配备5 t以下的熔炼炉及更大容量的保温炉, 也适用于各种金属透热, 表面淬火等热处理工艺尤其在废旧钢铁熔化及铸造上已经得到了普遍的应用。

2 中频感应加热电源的结构及应用

2.1 中频感应加热电源的构造

上世纪80年代末出现的IGBT (绝缘栅双极晶体管) 在90年代得以广泛应用。它容量大、开关速度快、易驱动, 正逐渐取代GTO (可关断晶闸管) 的市场。尤其在中等容量范围内, IGBT与GTO相比, 在价格、性能及应用难度方面具有明显的优势。

随着电力电子学及功率半导体器件的发展, 感应加热电源拓扑结构经过不断的完善, 已形成一种固定的AC/DC/AC变换形式。由于并联谐振型的感应加热电源易于实现保护。因此, 并联谐振型电流源逆变器更优于串联谐振型电压源逆变器。然而, 在采用IGBT的电流源逆变器中, 存在一个不可忽视的换相电感, 会使逆变器产生浪涌电压, 从而使器件的开关损耗增加, 甚至引起功率器件的击穿。对此, 将采用电流源逆变器最佳相角控制方案来解决这个问题。

2.2 中频感应加热电源的主电路

IGBT主电路工作模式一般是让工作频率在谐振频率附近。为了减小逆变管的开关损耗, 逆变器的工作频率略大于其谐振频率, 这样电路的阻抗接近最小, 负载效率高, 同时开关器件的损耗最小。

若逆变器的工作电压不变, 则在谐振点附近的输出功率最大, 当提高逆变器工作频率时, 负载等效阻抗增高, 输出功率减小, 输出功率因数很低, 而且逆变器主开关管工作在硬开关状态, 开关损耗大, 效率低。

2.3 功率调节应用

感应加热的主要特点是随着加热过程的进行, 负载不断变化, 谐振频率变化, 功率因数变化, 质量因素变化, 这样必须对逆变器的输出功率和频率都做相应的调整。主要应用于石油、化工、钢铁等工业快速、均匀加热。功率调节有改变功率因数和改变直流电压等方式。

2.3.1 整流侧斩波调功

整流侧斩波调功的目的是改变直流端电压, 调节输出到负载的能量, 根据负载所需功率要求, 通过斩波器的占空比来调节。在稳态运行过程中, 实时从谐振回路中反馈电流的变化, 从而了解负载的变化, 通过与基准值比较获得占空比的大小。此方法控制简单方便, 且工作频率与谐振频率可以同步, 功率因数高, 无功损耗小。

2.3.2 改变功率因数

通过改变工作频率来改变功率因数。通常, 为减小器件开关损耗, 工作频率应大于谐振频率。若逆变器的工作电压不变, 则在谐振点附近负载等效阻抗最低, 电流最大, 因而输出功率也最大。

当提高工作频率时阻抗也随之增大, 电流减小, 功率因数也减小, 因此输出功率随之减小。由此可见, 逆变器的输出功率可由工作频率来调节, 特别当负载回路Q值较高时调节更灵敏。因此, 直流端可为三相不控整流电源。逆变电路的工作频率f的大小由所需的功率要求决定。这种调功方法速度快, 整流电路简单。但是当所需功率很小时, 会让系统工作在严重失谐的状态, 无功损耗大。

2.3.3 移相控制调功

移相调功是通过移相控制, 即每个桥臂的两个开关管180°互补导通, 两个桥臂的导通角相差一个相位, 即移相角, 通过调节移相角的大小调节负载电压的宽度, 从而调节输出功率。根据脉冲的作用先后可把桥臂分为超前臂 (A1, A3) 和滞后臂 (A2, A4) 。移相调功时电路仍工作在谐振状态, 实现负载电压基波分量与负载电流同相。在两桥臂开关器件都关断时, 由反并联二极管续流 (图2) 。

3 结语

本文对中频感应加热原理做了详尽阐述, 论述了其构造及应用方法, 在油井开采中应用广泛, 并以实例论述。随着中频电源技术的发展和广泛应用, 感应热处理生产线自动化程度及对电源高可靠性要求提高, 感应加热电源正向智能化控制方向发展。具有计算机智能接口、远程控制、故障自动诊断等控制性能的感应加热电源正成为下一代发展目标。由于感应加热用电源一般功率都很大, 目前对它的功率因数, 谐波污染指标还没有具体要求。但随着减少电网无功及谐波污染要求的提高, 具有高功率因数及低谐波污染电源必将成为今后发展的主要趋势。

摘要：基于中频电源电加热技术的基本工作原理分析, 提出了其构造及应用策略。

关键词：中频电源,电加热,功率调节