（无线电物理专业论文）恒流源自然换流型中频电源若干技术问题的分析与研究.pdf

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：寮身乞 豸年r 月彩e t 摘要 摘要 中频电源主要分为并联逆变中频电源和串联逆变中频电源。并联逆变中频 电源的基本特征是恒流源供电，晶闸管的关断采用强迫换流方式。串联逆变中 频电源的基本特征是恒压源供电，晶闸管采用自然换流关断方式。 并联谐振型中频电源的优点是不会带来谐振高压，负载的适应能力强。但 是，由于采用强迫换流方式，它在重负载下存在启动困难，并随着中频功率的 增大而加剧。串联谐振型中频电源的优点是晶闸管自然换流，不存在启动困难。 其缺点是存在电压累加问题，会带来谐振高压，并随着中频功率的增大而增大， 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。 针对以上问题，设计了一种全新电路结构的中频电源，该电源采用恒流源 供电，以自然换流方式关断晶闸管，克服了中频电源的启动困难问题，同时很 好的抑制了谐振高压问题。该中频电源在大容量熔炼、冶炼、感应透热、钢水 中间包加热应用领域具有突出优势。 对于这种全新电路结构的中频电源，存在一些传统结构中频电源所没有遇 到过的特殊问题。我们用脉冲变压器与光耦相结合的办法，消除了自身干扰对 晶闸管的误触发的影响。对于异常出现的逆变颠覆问题，我们采用在续流支路 串联电感的方法，取得了很好的效果。续流二极管的异常导通来源于电路的特 殊构造和特性，采用可控电力半导体器件代替不可控电力半导体器件的方法， 成功克服了该问题。 恒流源自然换流型中频电源的成功研制不仅开发出一种性能优异的中频电 源主电路，同时，该电源在研制过程中遇到的一系列问题的成功解决也将对其 他变流装置的设计起到很好的借鉴作用。 关键词：中频电源；感应加热；电磁冶金 a b s t r a c t a b s t r a c t i n t e r - m e d i a t ef r e q u e n c yp o w e rs u p p l yc a l lb ed i v i d e di n t o p a r a l l e l i n v e r t e r p o w e rs u p p l ya n ds e r i e si n v e r t e rp o w e rs u p p l y t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp a r a l l e li n v e r t e r a r ec u r r e n ts o u r c ep o w e rm o d ea n dt h y r i s t o rt u r n o f fb yt h em e t h o do ff o r c e d c o m m u t a t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e r i e si n v e r t e ra r ev o l t a g es o u r c ep o w e rm o d e a n dt h y r i s t o rt u r n - o f fb yt h em e t h o do fn a t u r a lc o m m u t a t i o n t h ea d v a n t a g e so ft h ep a r a l l e li n v e r t e rp o w e rs u p p l ya r ea v o i d i n gt h eh i g h r e s o n a n c ev o l t a g ea n dg o o da d a p t a b i l i t yf o rl o a dc h a n g i n g o nt h eo t h e rh a n d ， b e c a u s et h et h y r i s t o ri sw o r k i n go nf o r c e dc o m m u t a t i o nt u r n o f fm o d e ，t h ei n v e r t e r h a sd i f f i c u l ti ns t a r t - u ph 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 e a g g r a v a t i o nt h ed i f f i c u l ti s s e r i e si n v e r t e rw o n tm e e tt h ep r o b l e ma b o u ts t a r t - u p ， b e c a u s eo ft h et h y r i s t o rn a t u r a lc o m m u t a t i o nt u r n - o f fm o d e t h ed i s a d v a n t a g eo f s e r i e si n v e r t e ri st h eh i g hr e s o n a n c ev o l t a g e ，w h i c hi sg r o w i n gw h e nt h ei n v e r t e r p o w e rg r o w s t h eh i 【g hr e s o n a n c ev o l t a g el o a d i n go nt h ee q u i p m e n tn o to n l yc a u s e t h ee q u i p m e n td a m a g eb u ta l s od 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 mm e n t i o n e da b o v e ，d e s i g n e dan o v e lm a i nc i r c u i t i n t e r - m e d i a t ef r e q u e n c yp o w e rs u p p l y t h ei n v e r t e ri sc u r r e n ts o u r c ep o w e rm o d ea n d t h et h y r i s t o rt u r n - o f fb yt h em e t h o do fn a t u r a lc o m m u t a t i o n t h ep o w e rs u p p l y o v e r c o m e st h es t a r t - u pp r o b l e ma n dt h eh i g hr e s o n a n c ev o l t a g ep r o b l e mi sa l s o i n h i b i t e d i th a so u t s t a n d i n ga d v a n t a g e si ng r e a tc a p a c i t ym e l t i n g , s m e l t i n g ，i n d u c t i o n h e a tt r e a t m e n t ，a n dt u n d i s hh e a t i n ga p p l i c a t i o n s f o ran e wm a i nc i r c u i to fi n t e r - m e d i a t ef r e q u e n c yp o w e rs u p p l y , w ee n c o u n t e r e d s o m es e r i o u sp r o b l e m sw h i c ha r en o ta p p e a r i n gi nn o r m a lc o n s t r u c t i o ni n v e r t e r w e u s i n gp u l s et r a n s f o r m e rc o m b i n e dw i t ho p t i c a lc o u p l e rt oe l i m i n a t i o nt h ee f f e c t i n go f t h em i s st r i g g e rw h i c hi sc a u s e db ys e l f - i n t e r f e r e n c e f o rt h ea b n o r m a li n v e r t e r s u b v e r s i o n ，w ea d da ni n d u c t o ri nt h ec u r r e n t - r e f l o w i n gb r a n c h ，r e c e i v e da ne x c e l l e n t e f f e c t t h ep r o b l e ma b o u tc u r r e n t r e f l o w i n gd i o d e sa b n o r m a lc u r r e n tf l o wi sf r o m t h ec h a r a c t e ro fm a i nc i r c u i t ，u s i n gc o n t r o l l e dp o w e re l e c t r o n i ce l e m e n t sr e p l a c et h e u i l c o n t m l l e dd i o d ec a ns o l v et h ep r o b l e ms u c c e s s f u l l y t h es u c c e s s f u ld e v e l o p m e n to fc u r r e n ts o u r c ep o w e rm o d e n a t u r a lc o m m u t a t i o n t u m o f fi n t e r - m e d i a t ef r e q u e n c yp o w e rs u p p l yn o to n l yp r o v i d e s a l le x c e l l e n t p r o p e r t i e si n v e r t e rm a i nc i r c u i t ，b u ta l s op l a y sr e f e r e n c ee f f e c t t ot h ed e s i g no fo t h e r c o n v e r t e rd e v i c eb yt h es u c c e s s f u ls o l v i n gt h ep r o b l e m sm e ti n t h er e s e a r c h i n g p r o c e s s k e yw o r d s ：i n t e r m e d i a t e - f 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 n h e a t i n g ； e l e c t r o m a g n e t i cm e t a l l u r g y i i 目录 目录 第一章引言：1 第一节感应加热原理。1 1 1 1 电磁感应与感应加热1 1 1 2 趋肤效应与趋肤深度2 第二节感应加热装置的发展3 1 2 1 感应加热装置与半导体器件3 1 2 2 感应加热装置的分类一5 第三节感应加热中频电源所面临的问题。7 1 3 1 感应加热的优势7 1 3 2 感应炉容量小的问题。8 1 3 3 感应炉炉衬薄的弊病9 1 3 4 恒流源自然换流型中频电源l o 第二章中频电源综述1 1 第一节晶闸管1 1 2 1 1 晶闸管的结构特性1l 2 1 2 晶闸管的开关过程及损耗1 3 2 1 3 晶闸管的主要参数1 5 第二节负载感应器1 6 2 2 1 负载感应器的等效电路1 6 2 2 2 加热过程中负载电路参数的变化1 9 目录 第三节整流器2 0 2 3 1 整流电路2 1 2 3 2 滤波器”2 5 第四节逆变器2 6 2 4 1 并联逆变电路2 6 2 4 2 串联逆变电路3 3 2 4 3 串联和并联逆变电路的比较4 0 第三章恒流源自然换流型中频电源4 2 第一节电源的设计4 4 3 1 1 整流部分4 4 3 1 2 逆变器部分设计4 6 3 1 3 负载电路设计5 8 第二节恒流源自然换流型中频电源的基本特性5 9 3 2 1 一般中频电源特性5 9 3 2 2 恒流源自然换流型中频电源特性5 9 第四章主要技术难题及其解决方法6 3 第一节自身干扰6 3 4 1 1 普通中频电源的d u d t 误导通问题”6 3 4 1 2 传统砒肋误导通的解决办法”6 6 4 1 3 恒流源自然换流型中频电源的自身干扰问题6 6 4 1 4 自身干扰问题的解决方法6 9 第二节异常逆变颠覆7 1 4 2 1 电路的异常逆变颠覆现象7 l i i 目录 4 2 2 异常逆变颠覆现象的理论分析7 3 4 2 3 异常逆爻颠覆l 司越的解决方法7 9 第三节续流电流异常增倍81 4 3 1 续流电流异常增倍问题8 l 4 3 2 续流电流异常增倍问题的解决8 3 第五章应用前景的探讨8 6 第一节低电压、大吨位的感应炉8 6 第二节双层结构厚炉壁的感应冶炼炉8 6 第三节连铸设备中间包加热装置8 8 第四节高性能短长度的感应透热装置8 9 第六章结论9 1 参考文献9 2 致谢9 4 附录a 并联逆变中频电源阻尼问题的分析9 5 附录b 串联逆变中频电源电压累加问题的分析9 8 附录c 功率输出特性的测量试验1 0 9 个人简历l l2 i i i 第一章引言 第一章引言 自工业上开始应用感应加热以来，已过去将近一个世纪。在这期间，感应 加热理论和感应加热装置都有很大发展，感应加热的应用领域亦随之扩大，其 应用范围越来越广。 第一节感应加热原理 1 1 1 电磁感应与感应加热 在金属导体里，自由电子在电场力的推动下做定向运动形成电流。电流通 过一段回路，电场力对自由电子做功，在这个过程中，电位能转化成其他形式 的能量。如果这段回路只包含电阻，而不包含电动机、电解槽等其他转换能量 的装置，那么电场所做的功就全部转化成热量，根据能量转化和守恒定律，电 流通过这段回路所产生的热量为 q = 1 2 r t = u i t ( 1 1 ) 回路中流过交变电流时，其周围形成交变磁场。根据楞次定律和法拉第电 磁感因定律，当穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变化时，回路中就产生感 应电流，就会建立起感应电动势，且此感应电动势正比于磁通量对时间变化率 的负值。当采用国际单位制，比例系数为1 时，其数学表达式为： g ：一塑 ( 1 2 ) 班 。 若回路是多匝线圈，那么当磁通变化时，每匝线圈中都将产生感应电动势。 由于匝与匝之间是互相串联的，整个线圈的总电动势就等于各匝线圈所产生的 电动势之和，则 一警一警 ( 1 3 ) 占= 一= 一 l1 3 l d td t 、 其中甲代表全磁通，n 代表匝数。 感应加热装置主要由电源、感应线圈和被加热金属构成，如图1 1 所示。当 线圈通入交流电时，感应线圈内产生交变磁场，由于电磁感应的作用，在被加 一 笙二皇呈! 童 一 热金属中产生涡流，释放出大量的焦耳热，结果使自身熔化，达到感应加热的 目的。 交流磁通 电源 1 1 2 趋肤效应与趋肤深度 图1 1 感应加热装置 在直流电路里，均匀导线横截面上的电流密度是均匀的。但在交流电路里， 随着频率的增加，在导线截面上的电流分布越来越向导线表面集中，这种现象 叫做趋肤效应【1 1 。 定量描述趋肤效应的大小，通常引用趋肤深度的概念。令d 代表从导体表 面算起的深度，则电流密度随深度d 的增加按指数率衰减： j = 矗p 一似5 ( 1 4 ) ，。代表导体表面的电流密度，d s 是一个具有长度纲量的量。它代表电流密 度_ ，已减小到 的1 粥7 时的深度，叫做趋肤深度。理论计算表明，趋肤深度 可以表示为： 如i2 万2 嚣 ( 1 5 ) 第一章引言 式1 5 表明，趋肤深度与频率f 、电导率。和磁导率“的平方根成反比。 当导体为圆柱形( 如炉衬内的金属炉料) 时，导体内电流的总和可以认为等于 在d 。层内均流过与表面电流同样的小的电流密度时的电流总和。在d 。层内的能 量为全部能量的8 6 5 。可见，感应加热的焦耳发热主要集中在工件表面，工件 内部的加热必须依靠热传导等方式。频率越高，工件表面的功率密度越大，发 热越集中于表面薄层内。因此，电源的频率决定了感应加热的应用类别。 第二节感应加热装置的发展 1 2 1 感应加热装置与半导体器件 感应加热技术于2 0 世纪初开始应用于工业部门，由于它具有加热速度快、 物料内部发热和热效率高、加热均匀且有选择性、产品质量好、几乎无环境污 染、易于实现生产自动化等一系列优点，而得到迅速发展f 2 】【3 】。感应加热技术现 已在国民经济各部门中广泛应用于金属的熔炼、铸造、焊接、热处理、热锻造， 以及半导体的区熔提纯、单晶生长、外延加热等工艺。 感应加热装置的核心部分是逆变电源，其中应用最广泛的中频电源的频率 范围一般从6 0 h z 至1 0 k h z 。逆变电源技术的关键内容就是变流技术，在功率半 导体器件出现以前，变流技术主要依靠变频发电机和闸流管、引燃管、汞弧整 流器等大功率电子器件。 功率半导体器件的出现，对感应加热装置产生了极大的影响。1 9 5 8 年，美 国通用电气公司( g e ) 开发成功了一种大功率半导体可控器件晶闸管( s c r ) 。 采用这种半导体器件的感应加热装置，无论是外观上还是在内部的电路结构上 都更加简单和单一化。与中频发电机和电子式高频加热装置相比，功率半导体 式感应加热装置具有效率高和节能、节约原材料、体积小、重量轻、噪音小、 安全、寿命长、维护简单等一系列优点，因此迅速获得了广泛的应用和发展。 7 0 年代后，自关断半导体器件，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 rm 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 、静电感应式晶闸管s i t h 、m o s 控制晶体管m c t 、m o s 控制晶闸管m c t h 开始陆续出现。功率半导体器件种类繁多，各具特点【4 】【5 1 。 实践中，应根据感应加热装置的频率、容量，价格等因素综合考虑。常用 3 第一章引言 的功率半导体器件性能特点和关键参数如下： ( 1 ) 开关速度与容量。 主要半导体厂商最大容量功率半导体器件参数【6 】- 【8 1 见表1 1 。 表1 1 主要半导体厂商最人容量功率半导体器件参数 公司名称器件种类 电压容量 电流容量其他参数 单管1 2 0 0 v9 1 0 a最大丌关频率2 0 k h z i g b t1 7 0 0 v8 3 0 a t o n = 2 4 0 n s ，t o n = 12 9 0 n s 西门康 单管2 0 0 v1 8 0 a t o = 3 0 0 n s ，t o 萨1 l2 0 n s p m o s f e t1 0 0 v2 0 0 a t o = 2 8 0 n s ，t o n = 4 7 0 n s 三管并联 1 7 0 0 v2 4 0 0 a t o = 5 7 0 n s ，t o n = 12 5 0 n s 3 3 0 0 v1 5 0 0 a t 0 i i = 1 2 0 0 n s ，t o n = 1 8 6 0 n s i g b t 6 5 0 0 v6 0 0 a t o n = 9 1 0 n s ，t o n = 2 1 6 0 n s a b b1 8 0 0 v6 1 0 0 a t o n = 3 9 s ，t o f f 5 0 0 l x s 普通 4 4 0 0 v 4 1 2 0 a t o = 3 1 x s ，t o f f 7 0 0 p , s 晶闸管5 6 0 0 v3 4 6 0 a 狞3 p , s ，t o n = 8 0 0 9 s 8 5 0 0 v1 2 0 0 a t o n = 3 i t s ，t o n = 6 0 0 9 s 三管并联 1 7 0 02 4 0 0 t o , = 2 8 1 x s ，t o n = 3 5 p s 3 3 0 0 v1 2 0 0 a t o = 2 6 1 x s , t o n = 3 5 s 三菱 i g b t 4 5 0 0 v9 0 0 a t o = 4 8 p , s ，t o n = 7 2 斗s g t 06 0 0 0 v 6 0 0 0 a t o n = 10 9 s ，t o n = 3 0 t s 西整所快速晶闸管 3 0 0 0 v4 0 0 0 a鼯l p , s ，t o n = 8 0 p s ( 2 ) 通态压降。 晶闸管的通态压降普遍低于晶体管，因此，导通损耗也小。 ( 3 ) 驱动电路。 总的来说，晶体管中除大功率双极型晶体管g t r 属于电流驱动，驱动功率 大外，其他晶体管都属于电压驱动，驱动功率小。晶闸管的驱动功率相对较大， 而且门极可关断晶闸管g t o 和静电感应式晶闸管s i t h 的驱动电路复杂，以门 极可关断晶闸管g t o 的驱动功率最大。 ( 4 ) 有无自关断能力。 一般快速晶闸管虽然没有自关断能力，但在感应加热装置中，由于有改善 功率因数用大容量补偿电容器，逆变晶闸管可以利用谐振能量进行换流，无需 设置换流关断电路。具有自关断能力的晶闸管或晶体管，除在关断能力上有一 4 第一章引言 定优势，有可能使逆变效率增加外，在其他方面均不如快速晶闸管。 ( 5 ) 价格。 同容量的可关断器件价格是晶闸管的3 5 倍以上，在中频电源的大功率低频 率应用中，晶闸管仍然是首选变流器件。 可见，新的功率半导体器件的出现并不意味着老的器件被淘汰，世界上s c r 产量仍占全部电力电子器件总数的一半，仍然是目前高压、大电流感应加热装 置中不可替代的元件，本文所提到的中频电源均指采用晶闸管为变流开关元件 的中频电源。 1 2 2 感应加热装置的分类 感应加热装置按用途基本可分为熔炼、透热和淬火三类。决定感应加热装 置用途的主要参数是电源频率和感应线圈的构造。淬火要求的电源频率最高， 感应熔炼的频率需要综合考虑电效率和热效率问题，感应透热用途的电源要求 频率低。 1 2 2 1 感应熔炼 感应加热熔炼炉按感应线圈结构一般分为有心感应炉和无心感应炉。 有心感应炉( i n d u c t i o nc h a n n e lf u r n a c e ) ，是以变压器原理工作的感应熔炼炉 或感应保温炉，变压器的二次回路包括位于耐火材料制成的溶沟中的熔融金属， 其溶沟与也盛放熔融金属的具有耐火炉衬的炉膛相连，料块放入炉膛中加热。 有心感应炉主要用于铜、铝、锌等有色金属的熔炼、保温，铸铁的保温，以及 浇注线上用作浇注炉。特点是炉子电效率和功率因数高。缺点是溶沟部分耐火 材料不易检查和修补，不生产时也需要通电保温，变换金属品种困难，较适用 于单一品种的生产。 无心感应炉( i n d u c t i o nc r u c i b l ef u r n a c e ) ，是由一个或数个环绕在炉衬周围的 感应线圈在炉料中或盛有炉料的炉衬内直接产生热的感应熔炼炉或保温炉。其 特点是炉衬形状简单，筑炉方便，易于检查和修补炉衬，可随开随停。 感应熔炼炉按频率又分为工频( 5 0 h z ) 感应炉和中频( 6 0 1 0 4 h z ) 感应炉。 工频感应炉不需要整流及逆变装置，利用大型变压器直接将市电用于感应 加热，主要用于铸铁和有色金属的熔炼。工频炉由于电磁搅拌力大，功率密度 小、电效率低等缺点，现已越来越多的被中频感应炉取代。 5 第一章引言 一一 中频感应炉适用于钢铁及有色金属的熔炼和保温。与工频感应炉相比，中 频电源的优点是功率密度大，起熔方便，不需要三相平衡装置，在同等生产率 条件下，炉体尺寸小。如图1 2 所示为阿贾克斯磁热公司无心中频感应熔炼炉。 图1 2 阿贾克斯磁热公司感应熔炼炉 1 2 2 2 感应透热 金属的透热主要应用于锻造、热冲压，热轧，弯管的加工前处理以及各种 板材、管材、线材的退火处理等。 相比天热气火焰加热的透热方式，感应透热可以大幅减小金属的烧损，透 热效果也优于火焰加热。感应透热要求电源频率低，透热深度深，并且功率密 度高。 感应透热装置通常制造成长度不一的透热生产线，透热工件连续的通过感 应线圈，达到连续生产的目的。如图1 3 所示为感应透热退火生产线。 【一 6 第一章引言 图1 3 感应透热退火生产线 1 2 2 3 感应淬火 表面淬火是一种重要的热处理工艺，仅将金属工件表面加热到一定程度后 再放入油或其他液体中快速冷却，使金属表面的金相组织发生变化，以此增加 金属表面的硬度和耐磨性，而内部金属的韧性却没有降低。 感应加热从原理上决定了它是表面淬火最理想的加热方式。采用适当频率 的感应加热装置可以在很短时间内将金属表面透入深度加热到指定温度，而内 部仅获得由热传导传递的少量热量。 感应淬火电源的频率较高，线圈通常只有一匝，如图1 4 所示为阿贾克斯磁 热公司感应淬火系统【9 1 。 图1 4 阿贾克斯磁热公司感应淬火系统 第三节感应加热中频电源所面临的问题 1 3 1 感应加热的优势 感应加热是对金属进行加热的最理想方式，对比于电弧加热，感应加热的 优点有： 1 、效率高，感应加热直接加热金属，而电弧加热需要将电弧能量通过辐射 等方式传递给钢铁的过程； 2 、污染小，电弧加热时，弧区温度约3 0 0 0 4 0 0 0 度，大量元素被烧损，变 7 第一章引言 成烟气，电弧炉必须加装庞大的除尘设备； 3 、温度控制好； 4 、合金元素烧损少，不仅节省材料费用，更重要的是能够精确控制合金元 素含量，产品质量高。 1 3 2 感应炉容量小的问题 感应加热装置的核心是中频电源，而中频电源的容量无法大型化。现有国 内中频电源，单机容量最大做到6 0 0 0 - 8 0 0 0 k w ，相当于1 2 1 6 吨炉，国外最 高2 0 吨。而最大的电弧炉吨位可以超过4 0 0 吨，经济的电弧炉吨位大约在1 5 0 吨。只有将中频电源的吨位提高到5 0 , - 一1 0 0 吨以上，感应加热的优势才能全面 体现。 中频电源容量小的缺点源于现有中频电源的主电路存在着固有弊病。中频 电源主要由整流器、逆变器和负载组成。整流器将三相工频交流电变换为单相 直流电，再通过逆变器转换为单相中频交流电流，最后输出至负载感应加热线 圈。感应加热的负载均为功率因数很低的感性负载( 一般为0 0 5 - 0 3 ) ，需要用电 容器来补偿感应器的无功功率，提高其功率因数，使电源仅供给有功功率。这 样按照补偿电容和感应线圈的不同组合，中频电源主电路主要分为并联逆变型 和串联逆变型。 对于并联逆变中频电源，采用强迫换流方式，存在“临界阻尼”问题，造成逆 变电源起振困难。由于并联逆变中频电源必须依靠并联负载处于振荡状态时在 补偿电容上积累的一定电量，为相应晶闸管提供反压强迫其关断，才能完成换 流。当感应炉容重较小，即所需中频电源容量较小时，反映实功功率的等效电 阻r 较大，并联负载阻尼较小，处于“欠阻尼”状态，能够振荡；当感应炉容重 较大，即所需中频电源容量较大时，等效电阻r 较小，并联负载阻尼较大，就 可能处于“临界阻尼”状态或“过阻尼状态”，不能够振荡，导致设备无法起振，这 是并联逆变中频电源的固有弊病。 对于串联逆变中频电源，采用恒压源供电，存在“电压累加”问题，造成谐振 电容和炉体线圈电压过高。串联逆变中频电源采用自然换流方式，不存在起振 困难，但是无法摆脱“电压累加”过程，经过几十至几百个振荡周期以后，加在谐 振电容和炉体线圈上的电压等于其输入直流电压的q 倍，其中q 为谐振电路的 8 第一章引言 品质因数，而熔炼负载衅3 1 5 ，所以会带来极高的电压。高压容易使炉体线 圈匝间放炮，可能导致线圈和炉衬被炸开，致使钢水和线圈中的冷却水相遇发 生爆炸；高压还容易击穿谐振电容器，若选用高耐压电热电容器会大大提高成 本；有些制造商为避免高压危险，而刻意压低输入的直流电压，结果降低了输 出功率，延长了熔炼时间，增加了炼钢电耗。因此，要提高实功功率，必须加 大直流电压，提高谐振电容和炉体线圈上的电压，而这样又受到设备成本，电 容器参数，设备运行的安全性，熔炼时间，炼钢电耗等各方面限制，这是串联 逆变中频电源的固有弊病。 1 3 3 感应炉炉衬薄的弊病 传统中频电源只能熔炼，不能冶炼。世界钢产量的1 3 来自废钢铁的重新冶 炼，对于废钢铁的重新加热，除了电能加热，其他更为经济的加热方式如煤、 重油、天然气等火焰加热方法都无法达到熔化钢铁需要的温度。利用电能生产 的钢铁称为电炉炼钢，这与通过随高炉铁水进行处理得到钢铁的转炉炼钢相区 别。电炉炼钢基本指的就是电弧炉炼钢，通过电炉精炼废钢铁，可以使钢铁的 成分得到很好的控制。电炉钢的质量明显优于转炉钢，在市场上，电炉钢的价 格也要高于转炉钢。 感应加热理论上可以使钢铁达到任意温度，并且加热效率高于电弧炉，但 是感应炉无法大规模应用于废钢冶炼，除了容量大小问题，其直接原因是现有 中频电源炉衬较薄，不能达到冶炼要求。对于废钢铁的循环利用，关键是控制 其成分。只熔炼，不冶炼，炼出的是不合格的“地条钢”。钢铁冶炼中最重要的一 道工序是造渣，通过造渣可以去除钢铁中最主要的有害元素磷和硫。磷硫本身 是酸性，去除磷硫必须使用碱性材料，形成碱性渣。造碱性渣的基本前提是炉 衬材料必须也是碱性的，否者碱性的造渣材料将与酸性炉衬反应，不仅造渣反 应无法进行，炉衬也将因此而遭到破坏，造成事故。采用碱性炉衬材料对于炉 衬厚度任意的电弧炉来说，不存在问题，但是对于炉衬厚度有限的感应炉来说 存在实际应用的困难。 钢铁冶炼中，实用的炉衬材料分为两种，酸性的石英砂和碱性的镁砂。一 台普通的4 吨感应炉炉衬只有7 0 m m 一- 9 0 m m 厚，若采用镁砂，只能捣结而成。 镁砂热传导系数高，一炉即会烧结成为一个刚性整体，而且镁砂的膨胀系数很 9 第一章引言 太k 尘数垃次即豇能枯牛破裂造成“穿炉”事故。同时，大量实践表明，如此薄 的镁砂炉衬根本无法承受冶炼过程中造渣和吹氧的侵蚀，这样就无法保证冶炼 生产的连续性和安全性。采用镁砂炉衬的感应炉只有在具有极高附加值的冶炼 过程中得以应用，即可以承受用几炉便更换炉衬的巨大成本。 石英砂的热传导系数小，做捣结的炉衬材料时，不会被整体烧结，仅接触 钢水的薄层部分被烧结成为一个整体，其它大部分仍为捣结的散沙。石英砂的 膨胀系数小，烧结层不易破裂，即使破裂钢水也会被裂缝后的散沙阻挡，而不 影响正常使用。因此，中频电源绝大多数都是采用酸性石英砂作为炉衬材料， 这也就导致了中频电源无法造渣，除磷硫，无法完成冶炼的任务。 10 3 4 恒流源自然换流型中频电源 针对以上问题，设计了一种恒流源自然换流型中频电源，它从根本上克服 了逆变器的启动困难问题并有效解决了高电压问题。本文第三章将具体介绍该 新型中频电源的设计以及其特性。 全新的电路结构也带来一系列特殊的困难，本文第四章将详细说明在设备 研制过程中所遇到的强烈自身干扰问题，异常逆变颠覆问题，续流二极管异常 导通问题的产生及其解决办法。 恒流源自然换流型中频电源特殊的主回路结构能够将部分虚功转变成实 功，大大降低虚功带来的电压谐振和电流谐振危害，并使感应炉炉衬厚度大为 增加。本文第五章将针对其特性在大容量熔炼、冶炼、感应透热、钢水中间包 加热领域的应用做简要分析和探讨。 l o 第二章中频电源概述 第二章中频电源综述 中频电源主要由整流器、滤波器、逆变器及其控制电路组成。工作时，三 相工频交流电通过整流器、滤波器后，变成平滑的直流电，再输送给逆变器。 逆变器采用功率半导体器件作为电子开关，将直流电转变成单相中频交流电供 给负载。 第一节晶闸管 对于中频电源应用领域，晶闸管是首选的功率半导体器件。晶闸管是典型 的半控型功率半导体器件，门极( 控制极) 的电压只能控制元件的开通，已导 通晶闸管需要依靠外部换流电路使阳极电流下降至零才能恢复阻断。晶闸管一 般特指普通整流晶闸管和快速晶闸管，晶闸管的衍生器件包括逆导晶闸管、双 向晶闸管和光控晶闸管等。门极可关断晶闸管( g t o ) 以及场控晶闸管( i g c t ) 一般不归类为普通晶闸管范畴。 2 1 1 晶闸管的结构特性 按功率等级的不同，晶闸管分为螺栓型和平板型，如图2 1 所示。除了阳极 a ，阴极k 之外，还有一个门极( 控制级) g 。 a k k ( a ) 螺栓型( b ) 平板型 图2 1 晶闸管外型 第二章中频电源概述 小功率晶闸管一般采用自冷或风冷方式散热，大功率晶闸管一般需要采用 水冷方式散热，如图2 ，2 所示。 c a ) 自冷 c o ) 风冷 ( c ) 7 l g 令 图2 2 晶闸管散热器 晶闸管内部结构有3 个p n 结，可等效为双晶体管结构，如图2 3 所示。在 晶闸管阳极与阴极之间加上正向电压时，其等效晶体管t l 、t 2 都承受正向电压。 这时，如果门极与阴极之间不加电压或加负压，则t l 、t 2 均处于截止状态，即 晶闸管处于截止状态。如果此时在门极与阴极之间加上正压，则t l 的基极与发 射极之间产生电流尼，该电流经t l 放大后成为t 2 的基极电流，再经t 2 放大后 成为t l 的基极电流，如此周而复始。从而，t l 与t 2 之间形成强烈的正反馈，使 晶闸管迅速进入饱和导通状态。门极只能控制晶闸管的导通。一旦导通后，即 使门极信号消失，也会由于t l 与t 2 间的电流正反馈作用而继续保持导通状态。 只有在阳极电流下降到维持电流以下或阳极电压变负，晶闸管处于截止状态后， 门极才能恢复其控制作用。 图2 3 晶闸管等效电路 晶闸管伏安特性曲线如图2 4 所示。当阳极和阴极之间加上不太大的反向电 1 2 第二苹中频电源概述 压时，晶闸管中只有很小的反向漏电流通过。当反向电压增加到反向不重复峰 值电压m 时，反向电流加剧，晶闸管将被反向击穿，所以加在晶闸管上的反 向电压只能小于反向重复峰值电压u r r m 。研删一般等于8 0 的u p s m ，“重复， 表示这个电压可以以每秒5 0 次，每次持续时间不大于l o r e s 的重复方式施加在 元件e 。 厶 魄m 砩础 妇 l 若。 f 图2 4 晶闸管伏安特性曲线 当阳极和阴极之间加上正向电压魄，门极控制电流尼等于零时，在晶闸管 内只有很小的正向漏电流通过，处于正向阻断状态。若向阳极电压u a 逐渐增大 到正向转折电压u b o 时，则晶闸管从阻断状态跳变到正向导通状态。但正常工 作时，正向阳极电压“不能超过，只能由门极电流昆来控制晶闸管的导通。 图中尼3 如 z g ! = 0 ，说明门极电流昆越大，使晶闸管导通所需的阳极电压巩 越低。u o s m 称为断态不重复峰值电压，u o r m 称为断态重复峰值电压，u d r m 一 般等于8 0 的s m 。 当晶闸管导通，阳极电流a 小于维持电流届时，晶闸管会突然从导通状态 转向阻断状态。因此，在正常导通时，阳极电流必须大于维持电流。 2 1 2 晶闸管的开关过程及损耗 ( 1 ) 开通过程 当晶闸管承受正向阳极电压和正向门极电压时，晶闸管开始由阻断状态进 入导通状态。这个开通的过程不是立即完成的，需要经历一定的时间，使得阳 极电压逐渐下降，阳极电流不断上升，如图2 5 所示。 1 3 笙三兰主塑垒塑塑堕一 一一一 良 而弋一 0 t dk ；入 ” ：i t r a 。i 。一 l j l 丌 弋 l y l l i 0 ；、矗 t i 桴lk i i l ! 小h 叫一爿 l 0 1 。 。t 图2 5 晶闸管的开关过程及其损耗 延迟时间t d ：从门极电流厶阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的1 0 的时间。 上升时间t r ：阳极电流从l o k 升到稳态值的9 0 所需的时问。 门极控制开通时间铲计岛，普通晶闸管的开通时间约6 1 , t s ，快速晶闸管的开 通时间约1 p s 以下。开通时间与门极触发脉冲前沿上升的陡度和幅值的大小、元 件的结温、开通前的电压、开通后的电流大小、负载电路的时间常数均有关。 为了缩短开通时间以确保元件触发导通时间的准确性，常采用比规定门极触发 电流大3 5 倍的窄脉冲来进行强触发。 ( 2 ) 关断过程 晶闸管导通时，半导体各层区内有大量载流子存在。晶闸管的关断就是各 层区内载流子消失的过程，最终使元件对正向阳极电压恢复阻断能力，这个过 程需要一定的时间来完成。 反向阻断恢复时间f r r ：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时 间。 1 4 第二二章中频电源概述 正向阻断恢复时间f 一晶闸管要恢复其对j 下向电压的阻断能力还需要一段 时间。在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新 正向导通。 关断时间岛= 绀岛。普通晶闸管的关断时间约几百微秒，快速晶闸管为数十 微秒。实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使载流子充分复 合而消失，电路才能可靠工作。 2 1 3 晶闸管的主要参数 1 通态平均电流斤 在规定的散热条件和环境温度及全导通的条件下，晶闸管可以连续通过的 工频正弦半波电流在一个周期内的平均值，称为正向平均电流矗。实际工作中晶 闸管允许通过的最大工作电流还受冷却条件、环境温度、元件导通角、元件每 个周期的导电次数等因素的影响。 2 通态平均电压昕 在稳定结温下，通过正弦半波的额定通态平均电流时的阳极电压平均值。 3 维持电流尾 在规定的环境温度和门极开路情况下，维持晶闸管导通状态的最小电流称 维持电流抽。在产品中，即使同一型号的晶闸管，维持电流也各不相同，通常 由实测决定。当正向工作电流小于届时，晶闸管自动关断。 4 门极触发电流h 和门极触发电压u g x 室温下，在晶闸管的阳极和阴极之间加6 v 直流正向电压后，能使晶闸管完 全导通所必须的最小门极电流和对应的