（无线电物理专业论文）电流源型半桥式晶闸管中频电源.pdf

摘要 摘要 近年来，大功率晶闸管中频电源已越来越广泛的应用于熔炼、透热、热处 理等过程，但是它有两个缺点：吨位小和炉壁薄。这两个缺点薄制约了它的进 一步发展。吨位小使其满足不了大型化的需要。炉壁薄造成炉衬寿命短、不能 吹氧、不能造渣等一系列问题。 现有大功率中频电源主要分为串联补偿中频电源和并联补偿中频电源。 并联补偿中频电源采用恒流源供电，补偿电容与炉体线圈并联，为电流谐 振。并联谐振型中频电源的优点是不会带来谐振高压，负载适应能力强。但是， 由于采用强迫换流方式，它在重负载下存在启动困难，且随着中频功率的增大 而加剧，使其不能做大。且它的输出功率随q 值的增大而降低，故其炉壁不能 做厚。 串联逆变中频电源采用恒压源供电，补偿电容与炉体线圈串联，为电压谐 振。它的优点是晶闸管采用自然换流方式，不存在启动困难，适用于需要频繁 启动的场合。但是它存在电压累加问题，会带来谐振高压，并随着输出功率及q 值的增大而增大，这一谐振高压加载在负载感应器上对设备本身和操作人员都 会带来危险。 针对以上两种电路的缺点，设计了一种电流源型半桥式谐振逆变电路。它 采用恒流源供电，电源零线引至谐振电容中点。与并联补偿相比，该电路采用 自然换流方式，没有启动困难。与串联补偿相比，该电路很好的抑制了谐振高 压问题。依据本电路，设计并制造完成一台1 2 0 0 k w 试验样机，该样机运行稳定， 并已熔化钢铁1 0 0 余炉。 文中详细分析了该电路虚功变实功的工作原理并介绍了1 2 0 0 k w 试验样机 各部分构成。在样机上进行了小功率实验，对电路的电气特性进行了测量并对 实验结果进行了详细分析。 实验数据表明此电路具有两个突出优点： 1 该电路具有q 值越高输出功率越大的反常功率特性。依据此特性，我们 可以将炉壁做厚，并由此设计了一种双层炉壁结构。 2 该电路打破了q 值规律的束缚，具有“半q 值”特性，炉体电压不到串 联补偿的1 4 ，不存在高压威胁。 摘要 第四章以微分方程为基础，对该电路从暂态到稳态工作的全过程做了数学 分析。理论计算波形、功率输出特性及计算数据与实验相符，证明了该理论分 析的正确性，也从理论上认证了该电路q 值越高输出功率越大的反常功率特性。 该理论分析对于该电路原理的分析以及将来样机的设计具有重要意义。 电流源型半桥式晶闸管中频电源以其独特优势必将在大功率中频领域发挥 其重要作用。 关键词：晶闸管；反常功率特性；虚功变实功；中频电源；感应加热；q 值 i l a b s t r a c t a b s t r a c t r e s c e n ty e a r s ，a sah i g h 。p o w e rr e s o n a n tp o w e r s u p p l yw i t hm a n ya d v a n t a g e s t h y r i s t o rm e d i u mf r e q u e n c yp o w e rs u p p l yi sw i d e l yu s e di nm e l t i n g ，i n d u c t i o n t h r o u g hh e a t i n g ，h e a tt r e a t m e n te r e b u ti t st o n n a g ei ss m a l la n di t sf u l t l a c ew a l li s t h i n t h e s et w o d i s a d v a n t a g e sr e s t r i c ti t sf u r t h e rd e v e l o p m e n t i t ss m a l lt o n n a g ec a n ，t m e e tt h en e e do fm a x i m i z a t i o na n dt h et h i nf u r n a c ew a l ll e a d st os e r i e sp r o b l e m s f o r t h et h i nf u r n a c ew a l l ，f u r n a c el i n i n gl i f ei s s h o r t ，o x y g e nb l o w i n ga n ds l a g g i n ga r e i m p o s s i b l e t h ee x i s t i n gh i g h - p o w e rm e d i u mf r e q u e n c yp o w e rs u p p l yc a nu s u a l l yb e d i v i d e di n t op a r a l l e lc o m p e n s a t i n gi n v e r t e ra n ds e r i e sc o m p e n s a t i n gi n v e r t e r p a r a l l e lc o m p e n s a t i n gi n v e r t e ri sc u r r e n ts o u r c em o d e ，w i t hi t sc o m p e n s a t i n g c a p a c i t o rp a r a l l e lt oi t sf u r n a c ec o i l p a r a l l e li n v e r t e ri sc u r r e n tr e s o n a n c e w 1 1 i c h o w n st h ea d v a n t a g e ss u c h 嬲t h ea v o i d i n go ft h eh i g hr e s o n a n tv o l t a g ea n ds t r o n g l o a da d a p t a b i l i t y o nm eo t h e rh a n d ，t h ef o r c e dc o m m u t a t e dt h y r i s t o rh a ss t a r t i n g p r o b l e mu n d e rh e a v yl o a d ，a n dt h el a r g e rt h ei n v e r t e rp o w e ri s ，t h em o r ed i f f i c u l tt o s t a r t ，s oi t st o n n a g ei ss m a l l i t so u t p u tp o w e rd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h eq f a c t o r , s oi t sl i n i n gc a n tb en l i c k s e r i e sc o m p e n s a t i n gi n v e r t e ri s v o l t a g es o u r c em o d e ，w i t hi t sc o m p e n s a t i n g c a p a c i t o rs e r i e st oi t sf u r n a c ec o i l ，i ti sv o l t a g er e s o n a n c e s e r i e si n v e r t e ri sn a t u r a l c o m m u t a t i o nm o d ea n dh a sn os t a r t - u pp r o b l e m ，s oi ti ss u i t a b l et ot h es i t u a t i o nw i t c h n e e dt os t a r tu pf r e q u e n t l y o nm eo t h e rh a n d t h ed i s a d v a n t a g eo ft h es e r i e si n v e r t e r i st h eh i 曲r e s o n a n tv o l t a g el o a d i n go nt h ee q u i p m e n t ，w i t c hi n c r e a s e sw h e nt h e i n v e r t e rp o w e rg r o w sa n dn o t o n l yc a u s e st h ee q u i p m e n td a m a g eb u ta l s oi s d a n g e r o u sf o rt h eo p e r a t o r s a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e ，ac u r r e n ts o u r c em o d eh a l f - b r i d g e t h y r i s t o ri n v e r t e ri sd e s i g n e d i ti sc u r r e n ts o u r c em o d e ，w i t ht h ez e r ow i r eo ft h e p o w e rs u p p l yc o n n e c tt ot h em i d d l ep o i n to ft h et w or e s o n a n tc a p a c i t o r s c o m p a r e d t op a r a l l e li n v e r t e r , t h i sc i r c u i ti sn a t u r a lc o m m u t a t i o nm o d ea n dh a sn os t a r t i n 2 p r o b l e m c o m p a r e dt os e r i e si n v e r t e r , i th a sn oh i g hr e s o n a n tv o l t a g ed a n g e r b a s e d i i i 一一 垒! ! 塑竺 o nt h ec i r c u i t ，a12 0 0 k we x p e r i m e n t a l p r o t o t y p ei sd e s i g n e d t h ee x p e r i m e n t a l p r o t o t y p eh a ss t a b l eo p e r a t i o np e r f o r m a n c e a n a l y s i so ft h e r e a c t i v ep o w e rc o n v e r t e dt or e a lp o w e r o p e r a t i n gp r i n c i p l ei s m a d ei nd e t a i la n dt h ec o m p o n e n t so ft h ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p ea r ei n t r o d u c e d o n t h ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e ，s m a l lp o w e re x p e r i m e n ti sd o n e e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c o ft h ec i r c u i ti sm e a s u r e da n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r e a n a l y s i s e di nd e t a i l t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec i r c u i th a st w oo b v i o u s a d v a n t a g e s ： 1 t h ei n v e r t e rh a st h ea b n o r m a lc h a r a c t e r i s t i c - t h eh i g h e rq v a l u e ，t h eh i g h e r o u t p u tp o w e r9 9 9b a s e do nw i t c ht h ed o u b l e - l a y e r - l i n i n gi n d u c t i o nf i l l t l a c eb o d yi s d e s i g n e d 2 i ti ss h o w nt h a tt h ei n v e r t e rb r e a k st h el a wo f q f a c t o ra n dh a s “h a l fq v a l u e c h a r a c t e r i s t i c ”t h ev o l t a g eo ft h ef u m a c ei so n ef o u r t ho ft h a to ns e r i e si n v e r t e r , s oi t h a sn oh i g hv o l t a g ed a n g e r i nc h a p t e r4 ，b a s e do nt h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o n s ，m a t h e m a t i c a la n a l y s i so ft h e f u l lp r o c e d u r eo ft h ei n v e r t e rf r o mt r a n s i e n tt o s t e a ds t a t ei sd o n e t h e o r e t i c a l w a v e f o r m ，o u t p u tp o w e rc h a r a c t e r i s t i ca n dc a l c u l a t i o nd a t aa r ec o m p a t i b l ew i t ht h e e x p e r i m e n t i ti sp r o v e df r o mt h e o r e t i c a lt h a tt h ei n v e r t e rh a st h ec h a r a c t e r i s t i c ：“t h e h i g h e l o ft h er e s o n a n c ec i r c u i tq u a l i t yf a c t o r , t h eh i g h e ro ft h eo u t p u tp o w e ri s t h e m a t h e m a t i c a la n a l y s i si si m p o r t a n tf o rt h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h ec i r c u i ta n dt h e d e s i g no ft h ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e w i t hi t s u n i q u ea d v a n t a g e s ，t h ec u r r e n ts o u r c em o d eh a l f - b r i d g et h y r i s t o r i n v e r t e rw i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nh i g h p o w e rm e d i u m f r e q u e n c yf i e l d k e yw o r d s ：t h y r i s t o r ；a n o m a l o u s p o w e rc h a r a c t e r i s t i c s ；r e a c t i v ep o w e r c o n v e r t e di n t or e a lp o w e r ；m e d i u mf r e q u e n c yp o w e rs u p p l y ；i n d u c t i o nh e a t i n g ；q f a c t o r i v 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文储签名：周钽 如吵年岁月2 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：猫全 旆j 月2 日 ， 南9 t 大学学位论文电子版授权使用协议 ( 请将此协议书装订于论文首页) 论文电渝多触半析式晶f 习管垆旋窀艰 系本人在 南开大学工作和学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系本作品的唯一作者( 第一作者) ，即著作权人。现本人同意将本作品收 录于“南开大学博硕士学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子 版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全了解直珏太堂图立垡差王堡在：焦旦堂鱼途塞的笪堡塑选! 同意 南开大学图书馆在下述范围内免费使用本人作品的电子版： 本作品呈交当年，在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及论文全文部分 浏览服务( 论文前1 6 页) 。公开级学位论文全文电子版于提交1 年后，在校园网上允 许读者浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系所名称：学科群阮 作者签名：雅 学号：2 0 0 葫0 0 6 o ， 日期：砂产箩月2 日 第一章引言 第一章引言 第一节感应加热技术综述 1 1 1 感应加热的基本原理 感应炉类似于一个变压器，变压器的初级为感应线圈，次级为炉膛内的炉 料，它的次级比较特殊，只有一匝。当线圈通以交变的电流时，便会在炉膛内 产生交变的磁场，在金属块内便会产生感生电流，由于炉膛内的炉料电阻极小， 相当于一个大短路，所以电流很大，大的电流将会产生大量的热量来加热金属。 电磁感应加热是法拉第电磁感应定律、电流热效应的焦耳楞次定律、集肤 效应等共同作用的结果【l j 。 图1 1 炉体感应加热示意图 1 电磁感应定律 1 8 3 1 年法拉第发现电磁感应现象：当通过导电回路所包围的面积的磁场发 生变化时，此回路中就会产生感应电动势，当回路闭合时，则产生电流。 在法拉第实验的基础上，麦克斯韦提出电磁感应定律的数学表达式： s ：一坐( 1 1 ) d f 式中：占为闭合回路中感应电动势瞬时值，v ； 矽为磁通量，w b ： t 为时间，s ： 第一章引言 这表明回路中感应电动势s 的大小与通过回路的磁通量的变化率华成正 d f 比。若为多匝线圈， s ：一丝 ( 1 2 ) 出 其中n 为线圈匝数。 当线圈通以交变电流，便会在炉体内产生交变的磁场，从而在金属块内产 生感应电流。 2 焦耳楞次定律 产生的感应电流在回路中流动，使一部分电能转化为热能，来加热金属。 根据焦耳楞次定律可知电流通过导体所散发的热量与电流的平方，导体的电阻 及通电时间成正比，即 式中： q = 1 2 r t ( 1 3 ) p 热量，j ； i 感应电流，a ； r 金属表面层电阻，q ： t _ 加热时间，s ； 3 电流在炉料中的分布 电流在炉料中的分布主要有三种效应：( 1 ) 集肤效应( 2 ) 邻近效应( 3 ) 圆环效应。 ( 1 ) 集肤效应 当交流电流流过导体时，电流的分布不是均匀的，越靠近导体表面的地方， 电流密度越大，越靠近导体中心的地方，电流密度越小，这就是趋肤效应。因 为感应电炉在交变磁场中产生的感应电流是交变的，因而感应炉中的炉料也存 在趋肤效应。感应电流绝大部分集中于表面，电流密度在径向从外到里按指数 函数方式减小。 2 第一章引言 图1 2 集肤效应示意图 在距离表面x 处的电流密度为 一三 l = l o e j ( 1 4 ) 式中 ：离导体表面垂直距离为x 处的电流密度( a c l l l 2 ) ； 厶：导体表面的电流密度( a t i n 2 ) ； x ：表面到测量处的距离( c m ) ： 万：渗透深度( 锄) ； 电流渗透深度万的计算公式为： 。 1 d = 2 n 一岳 m 5 ， 式中p ：工件电阻率( q c l l l ) ； 以：工件的相对磁导率； 厂：电流频率( h z ) ； 当x = 6 时，x = e - i i o = 0 3 6 8 1 0 。 功率正比于电流的平方，所以有8 6 5 的功率在离表面万的地方转化为热 能。 ( 2 ) 邻近效应： 当两根有交流电的导体相互靠近时，两导体中的电流要重新分布。这种现 象即为邻近效应。当两个导体中流的电流方向相同时，两导体内侧的电流密度 比外侧小；当两个导体中流的电流方向相反时，导体内测的电流比外侧大。 功 必h t 吆 第一章引言 ( 3 ) 圆环效应：当交流电通过螺线管线圈时，最大电流密度出现在线圈导 体的内侧。 感应加热是以上三种效应的综合，感应器本身为圆环效应，感应器与金属 同为邻近效应，被加热的金属表现为趋肤效应。 了解这些电流分布对电源频率的选择，加热工件尺寸的选择，感应器铜管 线圈的设计等有重要意义。电源的频率决定了感应加热的应用类别。 1 1 2 感应加热电源的发展状况与趋势 感应加热是通过电磁感应原理即利用涡流对被加热工件进行加热。由于电 磁感应加热具有加热效率高、速度快、可控性好及易于实现机械化和自动化等 优点，已在熔炼、铸造、弯管、热锻、焊接和表面热处理等行业得到广泛的应用 2 】 o 2 0 世纪5 0 年代，感应加热电源主要有：工频感应熔炼炉、电磁倍频器、中 频发电机组、电子管振荡式高频电源。这类传统电源装置效率低、热惯性大、 寿命短、工作频率可调范围小，不能满足不同工艺、负载的要求【3 】。 十九世纪5 0 年代末，世界上第一只晶闸管( s c r ) 问世，由于这类功率半 导体器件有效率高、控制性能好、寿命长、体积小等优点，而迅速得到广泛的 应用与发展，因此它的出现也标志着近代电力电子学发展的开端。欧洲各国相 继开始研制晶闸管静止式变频器，1 9 6 6 年瑞士布朗鲍佛里( b b c ) 公司采用 并联逆变线路研制出第一台7 5 0 k w 1 0 0 0 h z ，工作电压为1 4 0 0 v 的晶闸管中频电 源装置。与此同时，西德通用电器公司( a e g ) 也采用串联逆变线路研制出 8 4 0 k w 5 0 0 h z ，工作电压为3 0 0 0 v 的晶闸管中频电源装置。从此，晶闸管中频 电源很快取代了传统的中频发电机组，成为中频感应加热电源设备发展的主流。 到了七十年代初期，一些国家已完成晶闸管中频装置的系列化工作。至今，频 率为1 5 0 - 1 0 0 0 0 h z 的各种功率晶闸管中频装置已投入实际使用，正在研制更高 频率的晶闸管中频装置，在功率方面，国外单机最大容量达到了8 0 0 0 k w ，多台 并联运行最大容量为1 0 m w 。在中频( 1 5 0 h z - l o k h z ) 范围内，晶闸管中频感 应加热装置己完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器。 7 0 年代末和8 0 年代初，相继开发出一大批全控型电力电子半导体器件，如 门极可关断晶闸管( g t o ) 、大功率双极型晶体管( g t r ) 、半导体场效应管( p o w e r m o s f e t ) 、绝缘栅极双极型晶体管( i g b t ) 、静电感应式晶体管( s i t ) 、静电感应 4 第一章引言 式晶闸管( s i t h ) 、m o s 控制晶体管( m c t ) 矛hm o s 控制晶闸管( m c t h ) 、集成门 极换流晶闸管( i g c t ) 、电子注入增强栅晶体管( i e g t ) 和碳化硅( s i c ) 等。 全控型电力电子半导体器件的出现为全固态超音频电源的研制提供了坚实 的基础。1 9 9 4 年，日本采用i g b t 研制出了1 2 0 0 k w ，5 0 k h z 的电流型并联逆 变感应加热电源。西班牙在1 9 9 3 年也已报道了3 0 6 0 0 k w ，5 0 1 0 0 k h z 电流型并 联逆变感应加热电源。欧、美地区的其他一些国家如英国、法国、瑞士等国的 系列化超音频感应加热电源目前最大容量也达数百千瓦【2 】。 在高频( 1 0 0 k h z 以上) 领域，国外目前正处于从传统的电子管振荡器向固态 电源的过渡阶段。以模块化，大容量化的m o s f e t 功率器件为主，其中西班牙 采用m o s f e t 的电流型感应加热电源的制造水平可达6 0 0 k w 2 0 0 k h z ，德国1 9 8 9 年研制的电流型m o s f e t 感应加热电源容量已达4 8 0 k w 5 0 - 2 0 0 k h z ，比利时 的i n d u c t oe l p h i a c 公司生产的电流型m o s f e t 感应加热电源的水平可达 1 0 0 0 k w 1 6 6 0 0 k h 。美国应达公司目前已推出2 0 0 0 k w 4 0 0 k hm o s f e t 高频感 应加热逆变电源。 以上为中高频领域感应加热电源的发展，低频感应加热的特点是透热深度 大、工件径向温差小，因此热应力小，工件变形小，比较适合大型工件的整体 透热、大容量炉的熔炼和保温。目前，在低频感应加热场合普遍采用传统的工 频感应炉。国外的感应加热装置可达数百兆瓦，用于数十吨的大型工件的透热 或数百吨的钢水保温。预计短期内，以固态器件构成的低频感应加热电源在功 率容量、价格和可靠性方面还难以与简单的工频感应炉竞争，虽然其效率、体 积和性能均优于工频炉 4 】。 在功率器件上，虽然如前所述，一些全控型器件相继出现，但是晶闸管以 其耐压高、耐流高，价格便宜，不易毁坏等优点，在大功率，中、低频领域仍 为首选器件。 随着功率器件的大容量化、高频化等性能上的不断完善，感应加热电源的 发展趋势呈现出以下几个方面的特点【5 j ： 一、高频化 目前，感应加热电源在中频频段主要采用晶闸管，超音频频段主要采用 i g b t ，而高频频段，由于s i t 存在高导通损耗等缺陷，主要发展m o s f e t 电源。 感应加热电源谐振逆变器中采用的功率器件利于实现软开关，但是，感应加热 电源通常功率较大，对功率器件、无源器件、电缆、布线、接地、屏蔽等均有 第一章引言 许多特殊要求，尤其是高频电源。因此，实现感应加热电源高频化仍有许多技 术需进一步探讨，特别是新型高频大功率器件的问世将进一步促进高频感应加 热电源的发展。 二、大容量化 从电路的角度来考虑感应加热电源的大容量化，可将大容量化技术分为二 大类：一类是器件的串、并联，另一类是多台电源的串、并联。在器件的串、并 联方式中，必须认真处理串联器件的均压问题和并联器件的均流问题，由于器 件制造工艺和参数的离散性，限制了器件的串、并联数目，且串、并联数越多， 装置的可靠性越差。多台电源的串、并联技术是在器件串、并联技术基础上进 一步大容量化的有效手段，借助于可靠的电源串、并联技术，在单机容量适当 的情况下，可简单地通过串、并联运行方式得到大容量装置，每台单机只是装 置的一个单元或一个模块。 感应加热电源逆变器主要有并联逆变器和串联逆变器，串联逆变器输出可 等效为一低阻抗的电压源，当两电压源并联时，相互间的幅值、相位和频率不 同或波动时将导致很大的环流，以致逆变器件的电流产生严重不均，因此串联 逆变器存在并机扩容困难；而对并联逆变器，逆变器输入端的直流大电抗器可 充当各并联器之间的电流缓冲环节，使得输入端的a c d c 或d c d c 环节有足 够的时间来纠正直流电流的偏差，达到多机并联扩容。晶体管超音频、高频电 源多采用并联逆变器结构，并联逆变器易于模块化、大容量化是其中的一个主 要原因。 三、负载匹配 感应加热电源多应用于工业现场，其运行情况比较复杂，它与钢铁、冶金 和金属热处理行业具有十分密切的联系，它的负载对象各式各样，而电源逆变 器与负载是一有机的整体，负载直接影响到电源的运行效率和可靠性。对焊接、 表面热处理等负载，一般采用匹配变压器连接电源和负载感应器，对高频、超 音频电源用的匹配变压器要求漏抗很小，如何实现匹配变压器的高输入效率， 从磁性材料选择到绕组结构的设计己成为一个重要课题；另外，从电路拓扑上， 负载结构以三个无源元件代替原来的二个无源元件以取消匹配变压器，实现高 效、低成本隔离匹配。 四、智能化控制 随着感应加热对自动化控制程度及电源可靠性要求的提高，感应加热电源 6 第一章引言 正向智能化控制的方向发展。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。 五、高功率因数、低谐波电源 因为感应加热电源一般功率都很大，目前对它的功率因数、谐波污染指标 还没有严格要求，但随着对整个电网无功及谐波污染要求的提高，具有高功率 因数( 采用大功率三相功率因数校正技术) 低谐波污染电源必将成为今后发展趋 势。 1 1 3 感应加热技术的特点及应用 在应用领域方面，感应加热已广泛应用于金属熔炼、透热、热处理和焊接 等过程，已经成为冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻、和船舶、飞机、汽 车制造等不可缺少的能源。感应加热的应用领域不断扩大，应用范围越来越广， 究其原因，主要是感应加热具有如下一些优点【6 】： 1 - 力日热温度高，而且是非接触式加热： 2 力口热效率高，可以节能： 3 加热速度快，被加热物的表面氧化少： 4 温度容易控制，产品质量稳定，省能： 5 可以局部加热，产品质量好，节能： 6 容易实现自动控制，省力； 7 作业环境好，几乎没有热、噪声、和灰尘： 8 作业占地少，生产效率高； 9 台邑加热形状复杂的工件； 1 0 工件容易加热均匀，产品质量好。 以下对其主要应用熔炼、透热、热处理等进行详细介绍。 1 熔炼 熔炼是将炉中的炉料加热熔化，并加热到需要的温度。感应熔炼炉可分为 7 第一章引言 工频感应熔炼炉，中频感应熔炼炉和熔炼特种金属及半导体材料的高频( 7 0 - - - 2 0 0 k h z ) 熔炼炉。感应炉为非接触加热，具有合金元素烧损少，成分容易控制 等优点。特别适合一些合金钢、特种金属的熔炼，尤其在铸造方面发挥了重要 作用。 2 淬火 淬火热处理工艺是将工件加热到一定的温度再快速冷却下来，使工件的金 相组织得到一定的变化，以此增加工件的硬度和耐磨性。但淬火后工件变脆， 抗疲劳变差。为解决这个矛盾，出现了表面淬火，即只将金属表面加热( 内部 不加热) ，在快速冷却下来，这样，金属表面淬了火，增加了工件的硬度和耐磨 性，而内部没有淬火，仍保持一定的强度。 感应加热可以说是是表面淬火最理想的一种加热方式。由于邻近效应和集 肤效应的影响，感应加热时只是工件中靠近外表面透入深度为6 的一层直接发 热，内部发热很少；如果控制加热时间，增大加热功率，使直接加热层的热量 来不及传到工件内部，这就可以满足表面淬火的要求。 淬火层的深度主要决定于加热电源的频率，频率越高，则透入深度就越小， 直接加热层及淬火深度也越浅。淬火加热电源的频率分为中频( 2 5 和8 k h z ) 和 高频( 7 0 , 3 0 0 k h z ) 两大类【7 j 。 3 透热 透热是在加热过程中使整个工件的内部和表面温度大致相等。感应炉以加 热速度快，金属表面氧化层薄，金属烧损少，控制温度的精度高，工人劳动条 件好等优点得到越来越广泛的应用，因为感应加热为表面加热，而透热要求的 为内外温度一致，所以感应透热要求的频率比较低，频率过高会使直接加热层 太浅，有可能热量还没传递到内部，表面就已经熔化。低的频率有利于增加渗 透深度，但电效率会下降，所以频率的选择是一个综合的结果。由于透热需要 的功率大、频率低，所以现在广泛用于透热的还主要是工频感应炉。 感应加热还主要用于钎焊和烧结等方面。 虽然现在感应加热电源有很多优点并已经广泛用于工业生产，但同时我们 也要清楚的意识到，感应加热电源存在一些缺点影响了它的进一步推广。在铸 造领域，感应炉已为大家所接受并得到了广泛的应用。但是在炼钢领域，它的 第一章引言 应用极少，目前，世界上主要的炼钢方法为氧气顶吹转炉，电弧炉炼钢，目前 转炉钢的产量已达世界总产钢量的7 0 左右，电弧炉炼钢的产量已超过钢的总 产量的2 0 t 8 1 ，而感应炉在整个冶炼领域中所占比例极小，并不为冶金界所接受。 感应炉有两个致命的缺点：吨位小和炉壁薄【啦! 1 】。 目前，电弧炉的容量已达到四百吨，而感应炉最大不过几十吨，十吨以上 的感应炉已属少见，所以感应炉满足不了大型化生产的需要。 感应炉的炉壁很薄，一般仅为炉膛直径的十分之一左右【l 列，几十吨的感应 炉，其炉壁厚度也不过2 0 0 m m 左右，感应炉炉衬的工作条件十分恶劣，尽管人 们一直在采取措施增加炉衬的寿命，但一直到现在，感应炉炉衬的寿命依然很 低，需要不断的打炉衬，破坏了生产的连续性，增加了生产成本。且炉壁薄导 致不能吹氧，不能造渣等一系列弊端，有感应炉只能熔炼不能冶炼的说法。 这两个缺点制约了感应炉的进一步推广，其原因在以下述章节中详细描述。 第二节晶闸管中频电源技术综述 1 2 1负载感应器的等效电路【7 】 中频电源的负载形式多种多样，但是，从电学的角度出发，这些负载都是 一个感应线圈。为了得到一个具有集中参数元件的负载等效电路，需要研究图 1 3 所示的典型负载，它虽然与某些负载略有差异，但分析结果仍不失其一般性。 为了便于讨论，假定感应线圈的匝数为一匝。 圣j 多a 蛋? 图1 3 典型负载示意图 ( 1 为感应线圈，2 为被加热工件，3 为炉衬) 当线圈1 中通入频率为缈的交变电流，时，感应器两端的电压为： 9 第一章引言 u = 等= 等( 。+ c d 。+ 吲 ( 1 6 ) 其中，是电流产生的总磁通，。为穿过感应线圈内部的磁通，。为穿 过工件与线圈之间的磁通，：为穿过工件的磁通。各磁通量的计算式为 中2i i = 丽i ( 1 7 ) 抗。 ：上： ! z m lr m 2 七j xm 2 。= 瓦i = i i ( 1 8 ) ( 1 9 ) 式中，z ，为线圈的复磁阻抗，z 脚为空气隙磁阻，z 吖：为工件的复磁阻 将式( 1 7 ) 、( 1 8 ) 、( 1 9 ) 代入式( 1 6 ) 整理得： u= ，c 老彘+ 等彘+ 盏 + 老彘+ 芳焘， m 埘 。芗尺丢2 + x 三2 。厄r 三2 + x 三2 7u h w = ， ( 1 + 吃) + ( x 。+ x 。+ x ：) = kr n s + j x h s ) = i z s 1 0 ( 1 1 1 ) ( 1 1 2 ) ( 1 1 3 ) ( 1 1 4 ) 一隅 一 泐一一巩 一榭 一一 一一弘一风 一一 旦压 旦压 轳 塑压 = = = 1 吃 五 第一章引言 x 2 = 一j c o r m 2 r l + x l ( 1 1 5 ) x 22 ( 1 式中吒、而为感应器电阻和电抗，r 2 、工：为工件的电阻和电抗，吒为空气 隙磁通。的电抗。 我们可以把负载看成一个电阻与电抗x 册相串联的等效电路，如图1 4 所 示。 倍 x 嚣 图1 4 负载串联等效电路 串联等效电路的输入阻抗为 z n s = r n s + x 册 ( 1 1 6 ) 负载功率因数为 c o s 唬2 丽r h 露s 2 f h s ( 1 1 7 ) 负载无功功率与有功功率之比称为负载感应器的品质因数q o q o ：x h s ：( o l h s ( 1 1 8 ) 有 c 0 s 丸2 丽1 ( 1 1 9 ) 我们也可以把负载看成一个电阻与电抗石胛并联的等效电路，如图1 5 所示。 第一章引言 z m p2 图1 5 负载并联等效电路 r h p j x h p r h p + j x n e 两种等效电路的对应关系为 当工邯) ) 时，可简化为 电阻中电流 感抗x 胛中电流 负载的功率因数 ：堑兰丕 r 晶+ x 0 x h p 2 c o s 九= r 2 牟r 2 h sl “h s r 2 士r 2 h so “h s x h s 。一2 r h p x h s r h s x h p x h $ 一u 1 ，2 r h p t ：三 x h p i r ir + i l 1 2 + 糍2 x h p ( 1 2 0 ) ( 1 2 1 ) ( 1 2 2 ) ( 1 2 3 ) ( 1 2 4 ) ( 1 2 5 ) ( 1 2 6 ) ( 1 2 7 ) 第一章引言 负载线圈的品质因数 绕2 旁5 等 负载等效电路参数( 、，2 、x l 、x ：和x 。) 的大小在一般条件下有 1 3 】： ( 1 2 8 ) 懈= 警，眨屯= 警，吒华川毋2 9 ， 其中, o i 铜线圈的密度，p 2 钢铁的密度，l 铜线圈中电流的透入深度，2 钢铁中电流的透入深度。d 1 为感应线圈直径，d 2 为钢铁直径，垒 堡即为炉 衬厚度。 q ：芏盥 ( 1 3 0 ) ，i + r 2 设毛= 罢，岛= 卺，包= 等1 0 喇有： p ：苎羔兰1 + 丝! 垡二垄2( 1 3 1 ) ，i + r 2岛d l + 如d 2 可见随d e 的减小( 即炉衬厚度的增加) ，q 值将增大。炉壁越厚， 吒竺攀1 0 _ 9 越大，而其只引入虚功分量，所以炉壁越厚，q 值越大。 1 2 2 功率因数补偿电路 由于感应加热负载的功率因数很低，比如熔炼负载约为0 0 9 9 - 0 0 5 ，所以 要输出一份的实功，需要1 0 2 0 倍的电源能量，所以感应加热中对炉体感应线 圈的功率因数要进行补偿，将其功率因数提高到1 ，从而使电源只输出有功功率。 根据补偿电容跟炉体线圈连接方式的不同，可分为串联补偿和并联补偿两种基 本方式。 1 3 第一章引言 1 2 2 1 串联补偿电路分析 + u 图1 6 串联补偿负载等效电路 串联。等效电路如图1 6 所示。将角频率为6 0 的正弦电压u 加到串联补偿负载电 路时，流过c 、l 和r 的电流均等于电源电流i 。电路中电感的电压相位超前 于电阻上的电压9 0 度，电容的电压相位滞后于电阻上的电压9 0 度。 由此，我们可得： u ：u c + ul + u r ：s ( - j + r + j b ：( r + 彩三一- ，j 【) ：i z 其中， z ：等：尺+ j ( c o l 一土) ( 1 3 3 ) i僦。 i z = 肌( 础一去) 2 ( 1 3 4 ) 功率因数 c 0 s 驴2 阿r ( 1 3 5 ) 在c o l = 时，z 的值最小，回路中的电流最大。同时，在该状态下，串 巩 1 4 第一章引言 联电路的电压与电流同相位，即负载此时呈纯电阻性，电源电压全部加在电阻 r 上。我们称电路此时的状态为谐振态。 谐振角频率为： 谐振时的负载阻抗z 为： 谐振时的电路电流厶为： 1 2 面 z = r 如= 妥 谐振时电路的功率因数c o s 为：c o s c , o = ( 1 3 6 ) ( 1 3 7 ) ( 1 3 8 ) = 1( 1 3 9 ) 串联谐振电路的品质因数( q 值) 的定义为： q = 去c o = 堂r r 信c ( 1 4 。) o 衄 f 当输入电压角频率( ) 小于。时，容抗大于感抗，此时，电压落后于电 流，整个电路呈容性。当角频率大于6 0 。时，感抗大于容抗，此时总电压超前 电流，整个电路呈感性。 1 2 2 1 1 q 值与串联谐振电路电压的关系： 电路谐振时，电阻上的电压u r 为 u 月= i o r = u ( 1 4 1 ) 电路谐振时，电容上的电压u c 为 驴赤如= 赤j q u ( 1 4 2 ) 电路谐振时，电感上的电压观为 u l - 觑= 警肚j q u ( 1 4 3 ) i l = i 吮i = q i u i ( 1 4 4 ) 第一章引言 因此，在谐振状态下，电容和电感上的电压大小均为电源电压( 即电阻电 压) 大小的q 倍( 电压极性相反) 。因此，串联谐振电路常称为电压谐振电路。 1 2 2 1 2q 值与串联谐振电路能量关系： 在该串联电路中，只有电阻是耗能元件，它把电磁能转化为