igbt中频电源节能优势完整

1、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23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

2、，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5

3、0 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，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 = d/dt如果磁通是呈正弦变化的，即 = -msinwt则 e = -d/dt=-msinwtE的有效值 E=4.44M (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=0.24I2RtI-工件中感应电流的有效值（安

4、）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

5、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，仍可获得02.34U2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0.98，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

6、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

7、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

8、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。IG

9、BT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4.7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

10、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。 由于这种电源是通过调节逆变器的工作频率来调节输出功率，整流器输出的直流电压是固定的，因此一台整流器可以同时带多个逆变器工作，在双向供电情况下，一台整流器同时向两台逆变器供电，可使二台电炉同时工作，而且二台电炉的功率可以自由分配。一般情况下，一台用作熔炼，一台用作保温。这是一种一拖二的中频熔炼设备是传统并联可控硅中频电源无法做到的

11、，其优点在于熔炼保温能同时进行，减少了工作时间，增加了劳动效率降低劳动成本。传统可控硅型中频电源并联逆变电路的负载是一个谐振回路，它的谐振频率基本上就是中频电源的工作品频率。其工作过程分四个阶段。1. 如果先触发晶闸管T1,T3,则电流Id从P端经T1到负载，在经T3流向N端，这个阶段为中频交流电的正半周，此时补偿电容Cn两端充上了左正右负的电压Ua。2. 晶闸管T1、T3导电半个周期后，再发出触发脉冲，触发导通晶闸管T2、T4这时造成了四只晶闸管同时导通的“暂态短路”，但这并不会引起电源的故障，因为直流电路接有一个很大的滤波电感Ld，电流Id不能突变。由于电容器Cn被四只元件短接，其第一阶段

12、充上的电压Ua就要放电，其电压极性，将促使晶闸管T1、T3电流下降，使晶闸管T2、T4的电流上升，直至T1、T3中的电流下降为零，T2、T4电流上升为Id3. 换流结束后，电流经过T2、T4反向流过负载，电容器Cn两端的电压变为右正左负，此电压为第四阶段关断T2、T4做好准备，该阶段为中频电流的负半周。4. 当晶闸管T2、T4导电半个周期后，再次触发T1、T3开始T1、T3与T2、T4的换流，其过程与第二阶段一样，所不同的是这次是将T2、T4中的电流换给T1、T3，不断的向负载供应中频电能，是震荡持续进行。前面所述晶闸管的工作过程，是把元件看成理想化的，即元件有信号就导通，撤去信号就关断。而实

13、际上元件换流是需要时间的。安全换流时间tr所对应的超前角也不能太大,主要是考虑下面两个原因；(1)角度增大,电容器两端电压Uc就要增高,这将受到电容器和可控硅所能承受电压的限制,在单相桥式逆变线路中,当直流输入电压为Ud,中频输出电压为Uc,则在Ud和Uc的有效值之间存在下述关系；Uc=1.1Ud/cos。从式中可以看出,在输入直流电压Ud相同的条件下,当角度增大,则cos值减小,Uc将增大,也既加于电容器和可控硅两端的电压将增高。这一点受到所选用的电容器即可控硅的耐压限制。(2)中频输入的有功功率与的关系：中频输出的有功功率P=Uc.ILcos。式中可以看出在相同的中频电压电流条件下角愈大,

14、有功功率输出愈小,如果要保持一定的输出功率，则角度愈大,则必须使输出中频电压,电流愈大,这样恶化了可控硅的工作条件。 IGBT中频电源稳定工作在直流500V电压状态，调频率控制功率，不存在启动问题，IGBT具有自关断能力，通过对基极G的控制，可在任何时候令其瞬间通断，不想晶闸管那样需要关断时间，因此电路结构简单、可靠、负载功率因数高。传统可控硅中频电源是通过调压调功，调压控制在采取电压信号，再反馈的过程中，有一定的时间滞后性，导致可控硅工作过程中的滞后性，且导通角小和IGBT模块快速导通、断开相比，同时间内IGBT电源输出功率多。 高次谐波 IGBT双向电源由两个IGBT半桥串联逆变器并联组成

15、， IBGT双向供电电源采用12脉波二级管桥式整流电路，能够较好的抑制电网谐波的产生。通常的6脉波桥式整流电路在工作时对电网产生5次、7次、11次、13次和更高的谐波干扰电流，这些谐波电流的大小分别是工频基波电流的1/5、1/7、1/11和1/13。由于中频电源的输出功率较大，如果采用三相6脉波桥式整流电路，它们工作时产生的谐波干扰可能造成当地电网谐波超标取决于当地电网的短路容量，或导致某些精密设备和仪器无法正常工作。采用六相12脉波桥式整流电路后，通过变压器的特殊接线方法，5次。7次谐波电流将在变压器内部相互抵消，从而使对电网的谐波干扰大幅度降低。12脉波整流电路的最低谐波是11次，大小是工

16、频的1/11。可控硅设备产生的谐波为多。可控硅整流器即使在理想状况下运行（即三相交流系统完全对称，直流侧平波电抗器的感抗为无穷大，换流电抗等于零），从变流技术方面分析得出：整流变压器付边绕组流过全方波电流，与之相对应的原边绕组流过梯形波电流，这说明电流波形发生畸变。通过谐波分析可知：对于三相全控桥6脉冲整流器，变压器原边及供电线路含有5、7、11次谐波电流；如果采用12脉冲整流器，也还有11、13、23一次谐波电流。 恒功率输出IGBT中频电源调频调功相对于传统可控硅中频电源调压调功，它不受炉料多少，炉衬壁薄厚的影响，在整个熔炼过程中恒功接近率输出。传统可控硅中频电源热过程中受磁感量变化大的影

17、响起初熔炼功率小，影响熔炼速度，可控硅电源的功率是随着熔炼时间及磁感量变化而变化的，由小功率慢慢提高到大功率运行的过程，降低了变压器的容量利用率提高了生产成本，在这一点上能节能3%5%左右。 其他 在实际应用中，IGBT中频电源设备相对于传统可控硅设备来说对环境的要求要高，通常对环境的要求是干燥、无尘、低温。对电盘采用独立搁置，内部电源水循环采用内循环封闭水冷以及蒸馏水冷却，保证内部水循环有足够的水流量降温，因为IGBT中频电源工作在高压环境中，普通水杂质多，采用的话，会因为高压产生水电离，将设备铜排腐蚀结垢，水路堵塞烧坏电子元器件。IGBT模块部分功率输出大，温度高，降温是采用铝塑水盒通水降

18、温，冷却效果好，可控硅中频电源对环境要求低，允许工作在无电磁场，无导电灰尘、干燥环境中。因工作电压不高对水路要求不高，只要保证水流量和水中无杂物（防止堵塞冷却水管将电子元器件烧坏）。 在启动性能上相比的话，IGBT中频电源工作在一个稳定的直流电源下，百分百的启动成功率，受调频调功影响负载能力高并且可以实现一拖二两个炉头一块工作，频率高，可调性好也是它的优势。传统可控硅工作电压低，并联电路存在启动问题，磁感量变化大的话难以启动，功率小，重载启动困难。只能完成一带一的谐振。 IGBT中频电源接近恒功率输出，同一段时间内，功率大，产热多散热少，热能利用率高。现实生产的情况记录，熔炼相同材质一吨的铁水，传统可控硅型中频电源要用时七十分钟左右，耗电量六百七十度电左右，IGBT中频电源需要用时五十五分钟至六十分钟以内，用电量六百三十度左右