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    鍛造用中頻感應加熱設備幾種電路形式的能耗比較

    文章來源:本站     發布時間:2014-6-12    瀏覽次數:3196

                                                          

                           鍛造用中頻感應加熱設備幾種電路形式的能耗比較

    摘要:

      目前國內使用的鍛造用中頻感應加熱設備主要有三種電路形式,其中使用量最大的是上世紀80年代初發展起來的由可控硅變頻的中頻感應設備,主體電路如下圖:                  (圖一)

     

     

      整流部分由6只可控硅完成將三相交流電變成直流,同時擔任設備的功率調節。此整流電路的缺點是:功率調節是通過調節可控硅的導通角實現的,導通角減小電網的功率因數就會降低,用戶不得不另配功率因數補償柜,增加新的投入,(如果用戶不另配功率因數補償柜,將會導致用戶配電室的功率因數補償柜電容損壞或供電變壓器發熱)。整流后的直流濾波由大的直流電抗器完成,此部分帶來1%~3%的損耗,變頻電路由4只可控硅完成,變頻電路的損耗大約為5%。受可控硅關斷的制約,變頻回路的功率因數只能達到0.8~0.85。輸出電路是由感應線圈(爐體)和補償電容組成的并聯諧振電路。受可控硅耐壓的限制,中頻電壓≤750V,因此,感應線圈上的電流通常是直流電流的5~10倍,(5~10是振蕩回路的品質因數俗稱Q值,并聯諧振電路的特征是振蕩電流是直流電流的Q倍)所以并聯諧振輸出電路通常有較大的損耗,約占整機功率的25%-30%。因此可控硅變頻中頻感應加熱設備的整機效率大約只有60%-70%左右。

      上世紀90年代初國際上誕生了一種新的功率器件IGBT,它具有功率大、開關損耗低、工作頻率高(可達100Khz),由IGBT變頻的中頻感應加熱設備有兩種線路:一種為并聯諧振;另一種為串聯諧振。

      并聯諧振的主電路如下圖:     (圖二)

     

     

     


      從主電路上可以看出,此線路與(圖一)唯一的差別就是用IGBT和快速二極管替代了可控硅。IGBT和快速二極管的組合其導通損耗大于可控硅的導通損耗,但IGBT是一種可以工作在較高頻率的功率器件,其開關損耗比可控硅低。因此此線路的變頻損耗與可控硅的變頻損耗大致相當,大約5%,功率調節仍然是通過改變整流可控硅的導通角實現的,因此電網的功率因數會受到影響。IGBT是一種全控型半導體器件,所以變頻回路的功率因數可以近為1,受快速二極管的耐壓限制,IGBT并聯型變頻的中頻電壓≤550V,由此可見,IGBT并聯型變頻電路的振蕩電流將比可控硅變頻的振蕩電流還大。因此,IGBT并聯中頻感應加熱設備的總效率不會超過可控硅并聯諧振感應加熱設備的總效率,大約也在60%-70%之間。

      IGBT變頻的中頻感應加熱設備的另外一種線路為串聯諧振,主電路如下圖:               (圖三)

     

     

      整流部分由6只二極管擔任,直接整流不斬波,不會導致電網的功率因數下降。串聯諧振電路去掉了龐大而笨重的濾波電抗器,減小了損耗,濾波由電容C1擔任??煽毓?/span>T1在這里只作開關用,當電容C1上的電被充到一定電壓后即開通,變頻電路由4IGBT構成,IGBT的導通損耗與可控硅相當,而開關損耗低于可控硅的開關損耗,因此變頻電流的損耗大約在3%。該電路的功率調節有兩種方式:1、改變變頻電路的工作頻率(變頻),2、改變IGBT的導通時間(調寬)。輸出電路的特征是感應線圈與補償電容串聯構成串聯諧振電路。此電路的特征是流過IGBT的電流與流過感應線圈及補償電容的電流相等,而感應線圈上的電壓是整流后直流電壓的3~10倍,(串聯諧振電路的特征是振蕩線圈的電壓是直流電壓的Q倍)。感應線圈上的功率P=感應線圈上的電壓(V)×流過感應線圈的電流(I)?,F在我們來比較并聯諧振與串聯諧振,感應線圈的損耗。假設感應線圈上的功率都是P。

    并聯諧振:P=V×I;P=750×I; I= P/750;

    串聯諧振:P=V×I;P=1500×I; I= P/1500;

    V 以最小3倍直流電壓計算3×500=1500

    ;我們知道感應線圈的損耗只與線圈的電阻相關,假設線圈的電阻為R,則損耗功率為:

        

      因此可見在相同的功率與相同的感應線圈的情況下,串聯諧振感應線圈的損耗最多只有并聯諧振感應線圈的1/4。因此,串聯諧振輸出電路的損耗約占整機功率的5%-10%,所以串聯諧振變頻的中頻感應加熱設備的整機效率為80%-90%。

      在串聯諧振電路中,感應線圈上中頻電壓的高低與變頻功率器件的耐壓無關,只要感應線圈的絕緣允許,提高中頻電壓就可以進一步降低感應線圈的損耗,整機效率就會進一步提高,這和輸電為什么要用高壓輸送是一個道理。

      目前在鍛造用中頻感應加熱設備的生產廠家,采用串聯諧振變頻技術。