igbt中频电源节能优势完整

IGBT中频电源的节能优势

我国是铸造大国，铸铁件年产量几年来均居世界各国之首位，而其能耗在成本中所占比例却比工业发达国家高出2—3倍，冲天炉的能耗占了其中的大部分。主要原因是小容量冲天炉所占比例太大，而其中采用烟尘净化和余热回收装置的微乎其微，实现高水平熔炼和计算机控制的更少了。我国铸铁生产车间一万多个，每个车间年平均产量不足1000t，冲天炉开炉时间短。在冲天炉结构方面，由于我国铸造厂点过多，限制了大容量冲天炉的使用。由于产量低，效益差，限制了性能优越的现代化冲天炉及其配套设备的采用。操作不当不但对冲天炉性能造成不良影响，也是增加冲天炉能耗和环境污染的重要原因，在我国为数众多的小容量冲天炉上，更是普遍存在的现象。中频技术应用于铸造行业给铸造推广高质量、高效率、节能环保、低碳的中、高频科技技术应用与中国的铸造行业，是保持中国铸造业可持续发展的一项重大举措。与传统的冲天炉熔炼相比，中频技术应用于熔炼、精铸诠释了科技的力量。

中频感应电炉经历了两次根本的变革，第一次变革源于20世纪60年代后期开发的晶闸管静态变频电源，第二次源于20世纪70年代中期开发的逆变变频及其控制技术。这样使中频感应电炉的优越性得以充分的发挥。随着大功率晶闸管变频电源的开发和可靠性的提高，中频感应电炉正在逐步替代工频感应电炉而在铸造业获得愈来愈广泛的应用。

中频电源的基本工作原理,就是通过一个三相桥式整流电路,把50 Hz的工频交流电流整流成直流,再经过一个滤波器(直流电抗器)进行滤波,最后经逆变器将直流变为单相中频交流以供给负载,所以这种逆变器实际上是一只交流—直流—交流变换器,其基本线路如图：

中频炉的感应加热原理，它是利用电磁感应原理将电能转变为热能，当交变电流i感应线圈时，感应线圈便产生交变磁通Φ，使感应中的工件受到电磁感应而产生感应电动势e。

感应电动势e = dΦ/dt

如果磁通Φ是呈正弦变化的，即Φ= -Φm sinwt

则 e = -dΦ/dt=-Φm sinwt

E的有效值E=ｆΦM (伏)

感应电动势E在工件中产生电流I, i使工件内部开始加热，其焦耳热为；

Q=

I--工件中感应电流的有效值（安）

R--工件电阻（欧）；

t—时间（秒）

中频电源从最初的发展到今天应用于铸造行业，电源种类从原理上可以分为两类，一传统的可控硅中频

电源，可控硅又分为并联和串联型（因串联可控硅的在现实实践中应用技术不成熟在这就不做分析），二是带有igbt（绝缘栅极型晶体管）串连谐振电源。铸造、淬火、热处理应用不同，需求的中频电源也有改变，通过原理和实践经验本文仅作对igbt中频电源与传统可控硅中频电源应用在熔炼这方面节能分析。节能优势是通过以下几点原理分析：

整流，逆变，功率因数与高次谐波以及恒功率输出。

整流

Igbt中频电源整流是采用三相半桥可控整流电路，此种整流电路只要三只晶闸管、只需三套触发电路、不需要宽脉冲或双脉冲触发。三相半控桥式整流电路比三相全控桥更简单、经济，而带电阻性负载时性能并不比全控桥差。电路如图所示。它是把全控桥中共阳极组的3个晶闸管换成整流二极管，因此它具有不可控和可控两者的特性。其显著特点是共阴极组元件必须触发才能换流；共阳极元件总是在自然换流点换流。一周期中仍然换流6次，3次为自然换流，其余3次为触发换流，这是与全控桥根本的区别。改变共阴极组晶闸管的控制角α，仍可获得0~Φ的直流可调电压。

由于igbt中频电源采用的是三相半桥可控整流方式，整流部分不调可控硅导通角，所以整个工作过程功率因数始终大于，无功率损耗小。

传统型可控硅（kgps）中频电源在整流上采用的是三相桥式可控整流，其原理图和半桥控制差不多，就是将半桥可控整流中的二极管更换为晶闸管，其控制复杂，导通角一般在0度——120度之间，导通角相比板桥可控整流小，6脉冲间隔60度整流控制电路，三相桥式全控整流电路共有六个桥臂,在每一个时刻必须2个桥臂同时工作,才能够成通路,六个桥臂的工作顺序如图3。现假定在时刻t1-t2(t1-t2的时间间隔为60o电角度，既相当于一个周波的1/6)此时SCR1和SCR6同时工作(图3(a)中涂黑的SCR),输出电压即为VAB。到时刻t2-t3可控硅SCR2因受脉冲触发而导通,而SCR6则受BC反电压而关闭,将电流换给了SCR2, 这时SCR1和SCR2同时工作,输出电压即为VAC,到时刻t3-t4,SCR3因受脉冲触发而导通，SCR1受到VAB的反电压而关闭,将电流换给了SCR3,SCR2和SCR3同时工作,输出电压为VBC,据此到时刻t4-t5, t5-t6, t6-t1分别为SCR3和SCR4, SCR4和SCR5, SCR5和SCR6 同时工作,加到负载上的输出电压分别为VBA,VCA,VCB,这样既把一个三相交流进行了全波整流,从上述分析可以看出,在一个周期中,输出电压有六次脉冲。这种整流电路由于在每一瞬间都有两个桥臂同时导

通,而且每个桥臂导通时间间隔为60,故对触发脉冲有一定要求,即脉冲的时间间隔必须为60,而且如果采用单脉冲方式,脉冲宽度必须大于60,如果采用窄脉冲,则必须采用双脉冲的方法, 既在主脉冲的后面60o的地方再出现

一次脉冲。

控制复杂，抗干扰能力差，同

步信号要求高，在现实维护及

维修繁琐复杂，经济适用型相

比半控要高，整流利用率低，

逆变

IGBT是电力晶体管{GTR}和电力

效应晶体管{MOSFET}的复合

体，它综合了GTR和MOSFET

的优点，因而具有良好的特性。

Igbt中频电源采用电容与igbt

模块控制单元串联形式连接电

路，因采用调频来调功，其特

点，逆变电压高，igbt你变电压

在2800V左右，传统可控硅的

逆变电压仅为750V,最大800V，

电压小了近四倍，线路损耗小

此部分节能15%。Igbt中频电源

逆变控制原理图如下图所示。

IGBT中频电源模块工作是采用的是栅极驱动模式，逆变过程是通过主板控制

将信号A和信号B传输给电源板，电源板通过独立电源供给栅极驱动独立电源及传输信号A、B来完成对模块的控制。栅极板驱动为IGBT模块正常工作，在实现控制电路部分与被驱动的IGBT隔离设计，以及适合栅极驱动的脉冲外还设计了部分保护元器件，在栅极控制的G极和E极之间增加了使栅极积累电荷泄放的电阻Rg，其阻值在使用中取得是欧姆的（Rg的选择是根据模块型号和栅源大小及负载选择的，因为当Rg增大时损耗发热控制，当Rg减小时，di/dt增高，可能产生误导通，损坏IGBT模块）。防止栅源电压尖峰损坏IGBT模块，在栅极板栅源侧增加了瞬态拟制二极管（TVS）实际中的驱动电压约为15V,故而选型SMBJ15CA型，在实际使用的工业环境中，栅极驱动保护依然有较高的失效率，为防止模块受杂波的干扰，在IGBT模块工作时还增加了浪涌和漏电流吸收装置保护模块。其控制模式瞬时速断性好，控制电源都是独立提供防干扰能力强。