IGBT變頻電源在工頻有芯爐上的應(yīng)用

吳小淵

(銅陵金威銅業(yè)有限公司，安徽銅陵244000)

工頻有芯感應(yīng)爐具有加熱速度快、生產(chǎn)效率高、金屬燒損少、操作方便等優(yōu)點，被有色金屬熔煉鑄造行業(yè)廣泛使用。該設(shè)備需提供功率可調(diào)節(jié)的單相工頻電源，以滿足熔化或保溫時的溫度控制。目前，國內(nèi)制造商普遍采用抽頭式變壓器，通過電容電感平衡三相電流，分級輸出電壓調(diào)節(jié)功率，但其功率調(diào)節(jié)檔數(shù)較少，不易實現(xiàn)溫度精確控制，存在三相電流很難平衡、維護量大等問題。近年來國外制造商已開始采用并聯(lián)諧振式逆變電源，通過調(diào)節(jié)整流電壓改變輸出功率，但缺點是熔溝內(nèi)部發(fā)生變化時，容易引起輸出交流側(cè)與直流側(cè)的干擾，造成逆變失敗而跳閘，且功率低時功率因素低下，產(chǎn)生的高次諧波引起整流變壓器發(fā)熱等問題。而串聯(lián)諧振電源具有功率因素高，功率調(diào)節(jié)方便，高次諧波干擾較小，且易實現(xiàn)澆鑄期間的溫度精確控制。我公司在銅板帶項目籌備期間，經(jīng)多方調(diào)研論證，引進西安機電研究所工頻有芯爐，用于22t黃銅熔化及保溫。該有芯爐的感應(yīng)器采用全新的IGBT變頻電源供電，功率調(diào)節(jié)范圍10～900kW，頻率50～150Hz，輸出功率無級可調(diào)，功率因數(shù)達0.95以上。

1 IGBT變頻電源

該電源采用交－直－交方式變頻，由整流、濾波、逆變?nèi)糠纸M成。二極管組成三相橋式整流器，整流角始終全開放。直流電壓Ud=1.35UAB，因此無論電源輸出功率的高低，其電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)始終接近于1。

濾波采用水冷式電熱電容，容量大換熱可靠。

IGBT作為逆變部分換流元件，它是一種可關(guān)斷器件，當(dāng)逆變器出現(xiàn)故障時IGBT可以在幾微秒內(nèi)快速關(guān)斷，迅速切斷故障電流，避免自身和其它電氣元件損壞，提高了電路的工作可靠性。串聯(lián)補償電容器(CS1、CS2)取代了逆變器另外二個橋臂的半導(dǎo)體元件，使半導(dǎo)體元件的總數(shù)量減少，工作更加可靠。主回路原理如圖1所示。

圖1 Fig.1

功率元件全部采用水冷式散熱，使用板式換熱器集中供水，使用去離子水作為冷卻介質(zhì)，導(dǎo)電率低，不易產(chǎn)生電腐蝕，安全可靠，效果好。

全波整流后的直流單元，濾波電容器C0為中頻電流提供一條低阻抗通路。工作時上下二個IGBT交替導(dǎo)通，對負載來說，相當(dāng)于交流供電。改變IGBT的導(dǎo)通頻率即可改變電源輸出電壓頻率。感應(yīng)器與電源電容CS構(gòu)成了串聯(lián)諧振電路，根據(jù)串聯(lián)諧振特性，感應(yīng)器的電流波形近視正弦波，波形分析如圖2所示。

總的等效電容［1］

等效中頻電壓［1］

逆變輸出電流［1］

圖2 Fig.2

IGBT半橋串聯(lián)逆變器的換流分為四部，下端二極管——下端 IGBT——上端二極管——上端 IGBT。當(dāng)IGBT導(dǎo)通時，電流流出逆變器，負載得到有功功率。當(dāng)二極管導(dǎo)電時，電流流入逆變器，逆變器中的能量回送到濾波電容器中保存。所以負載中實際得到的功率是IGBT導(dǎo)通期間電源流出的能量和二極管導(dǎo)通期間逆變器回送的能量之差。

變頻電源的控制系統(tǒng)包括主控板、觸發(fā)板和液晶圖形顯示器。其中液晶圖形顯示器為人機交換界面(圖3)，實時顯示或調(diào)節(jié)輸出功率。相互之間采用光纖耦合，消除了現(xiàn)場電磁干擾，使得電源穩(wěn)定可靠。二極管、電容器、IGBT及感應(yīng)器各冷卻水回路均安裝了數(shù)字式測溫傳感器DS18B20，通過一根電話線串型連接至液晶圖形顯示器，實時監(jiān)視各冷卻水回路的溫度，異常時斷電保護。

2 有芯爐的功率控制

有芯爐底部聯(lián)接感應(yīng)器是一個單相電感性負載，額定功率900kW，與上部爐膛構(gòu)成有效容積22t的腔體。利用感應(yīng)加熱的原理，感應(yīng)器內(nèi)的熔溝銅液被高功率電能持續(xù)加熱升溫，不斷與上部爐膛內(nèi)的低溫銅液對流進行熱交換，實現(xiàn)熔化或保溫。

電源工作時，感應(yīng)器與電容器是串聯(lián)關(guān)系，構(gòu)成了串聯(lián)諧振電路。電路等效后，如圖4所示。

圖3 Fig.3

圖4 Fig.4

圖4中CS是串聯(lián)補償電容，R是感應(yīng)器的等效電阻，L是感應(yīng)器的等效電感。感應(yīng)器功率和頻率的關(guān)系如圖5所示。

圖5 Fig.5

從圖4中可以看出，當(dāng)電源頻率等于串聯(lián)電路的諧振頻率時，感應(yīng)器功率最大;工作頻率偏離諧振頻率時，無論向大或向小偏離，功率都隨之減小。因此，對于感應(yīng)器而言，只需改變電源的輸出頻率，就可以改變它的功率。液晶圖形顯示器中輸入所要的功率，就能使變頻電源輸出相應(yīng)頻率的電流，達到所需要的感應(yīng)器功率。由公式:

可知，通過對變頻電源橋臂上的串聯(lián)電容CS進行匹配，使諧振頻率接近50Hz，則當(dāng)電源輸出頻率為50Hz時感應(yīng)器獲得滿功率900kW，實現(xiàn)高功率工頻熔化;當(dāng)電源頻率為150Hz時感應(yīng)器功率僅為10kW。對熔溝起熔來說，較低的起步功率，能大大降低起熔過程中的斷溝風(fēng)險。

3 運行效果

通過在爐膛內(nèi)安裝K型測溫?zé)犭娕?，采用PID控制方式，銅液保溫溫度能控制在±5℃以內(nèi)。運行多年以來，該電源具有很高的穩(wěn)定性與可靠性，維護量少，功率因素達到了0.95以上，起熔成功率達100%，運行安全。

［1］徐森華，楊奎沅，俞松堯.串聯(lián)逆變電路［J］.電世界，1999，(增刊):52.

［2］李恩琪，殷經(jīng)星，張武城.鑄造用感應(yīng)電爐［M］.機械工業(yè)出版社，1997.