基于IGBT中频加热电源的研究

基于IGBT中频加热电源的研究李文江，李雷（辽宁工程技术大学电气工程系，辽宁，阜新，123000）摘要：中频电源已广泛应用于工业加热领域。结合实际讨论了一种新型晶闸管感应加热电源主电路结构及工作原理，该电源采用成熟的变频技术，由全控型器件构成串联谐振式逆变电路，解决了工频加热效果差和浪费电能等问题。中频感应加热电源采用IGBT作为开关器件，可工作在10HZ～10KHZ，具有功率调节范围宽、频率变化小的优点，适用于中小功率系统。关键词：中频电源；感应加热；逆变；串联谐振Theresearchofamid-frequencyheatingpowersupplybasedonIGBTLiWen-jiang，LiLei(DepartmentofElectricalEngineering，LiaoningTechnicalUniversity，Fuxin123000，China)Abstract：Medium-frequencypowersupplyhasbeenwidelyusedinindustrialheating.Thestructureandworkingprincipleofthemaincircurtinanovelintermediatefrequencyinductionheatingsupplyarediscussedaccordingtopractice.Thispowersupplymakesuseofthefrequencychangeabletechnique,andseriesresonantinvertercircuithasbeenmadeupbyfullcontrolleddevice.Itresolvesthelowefficiencyandwastingpowerinthework-frequencyheating.TheIGBT,astheswitchingdevice,canworkbetween10HZto10KHZfrequencychannel.Thismethodhastheadvantagesofwideareaofpowermodulationandlittlechangeoffrequency,itadaptstomediumpowerandsupplyfrequencysystem.Keywords：intermediatefrequencysupply；inductionheating；inversion；seriesresonant中图分类号：TP273文献标识码：A0引言工频加热技术与其它各种物理加热技术相比，确实具有较高的效率，但存在一些明显的不足。在现代工业的金属熔炼、热处理、焊接等过程中，感应加热被广泛应用。感应加热是根据电磁感应原理，利用工件中涡流产生的热量进行加热的，它加热效率高、速度快、可控性好，易于实现高温和局部加热[1]。随着电力电子技术的不断成熟，感应加热技术得到了迅速发展。本文设计的70KW/500HZ中频感应加热电源采用IGBT串联谐振式逆变电路，能够实现频率自动，电路结构简单，高效节能。作者简介：李文江（1950—），男，教授，主要从事电力电子及自动化的研究。1主电路结构主电路由整流电路、逆变电路、保护电路组成，其结构如图1。2主要器件的设计2.1整流电路的设计中频电源采用三相全控桥式整流电路，它的输出电压调节范围大而移相控制角的变化范围小，有利于系统的自动调节，输出电压的脉动频率较高可以减轻直流滤波环节的负担[2]。根据设计要求：额定输出功率P=70KW，输出频率f=500HZ，进线电压UIN=380V，取逆变器的变换效率=0.9。1）确定电压额定值URRM考虑到其峰值、波动、雷击等因123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:3-Aug-2006SheetofFile:C:\ProgramFiles\DesignExplorer99SE\Examples\MyDesign1.ddbDrawnBy:R驱动驱动驱动驱动380V负载CVVVV01324dCCss图1主电路结构图Fig.1maincircuitstructure素，取波动系数为1.1，安全系数=2，选取电压为：URRM≥UIN×2×1.1=1179V根据实际二极管电压等级，取URRM=1600V。2）确定电流额定值IT(AV)IT(AV)=0.368×Id=0.368×dUP=0.368×INU35.19.010703=56A考虑冲击电流和安全系数，实取额定电压1600V，额定电流200A的整流模块。2.2逆变电路的设计逆变电路是由全控器件IGBT构成的串联谐振式逆变器，两组全控器件V1、V4和V2、V3交替导通，输出所需要的交流电压。IGBT的主要参数有最高集射极电压（额定电压）、集射极电流等[3]。1）确定电压额定值UCEPIGBT的输入端与电容相并联，起到了缓冲波动和干扰的作用，因此安全系数不必取得很大，一般取安全系数=1.1平波后的直流电压：Ed=380V×2×=590V关断时的峰值电压：UCESP=(590×1.15+150)×=912V式中1.15为电压保护系数，150为Ltidd引起的尖峰电压。令UCEP≥UCESP,并向上靠拢IGBT等级，取UCEP=1200V。2）确定电流额定值IcIc=(2×1.5)Id=INUP9.05.12≈374A式中，2为Id的峰值，1.5为允许1min过载容量，0.9为变换效率。由于电路采用桥式结构，4只IGBT轮流导通，根据IGBT等级，选用西门子BSM200GB120两单元并联。3）电解电容Cd的计算Cd主要起滤波、稳定电压和改善功率因数的作用，在串联谐振电路中相当于电压源。Cd可用下式计算：Cd=(40～50)×Id≈(40～50)×150A≈6000～7500F选用6800/400VDC电解电容，三只并联后再串联，在每只电解电容两端并联上放电电阻100K/2W,两只并联。由于串联谐振式逆变器的直流电源回路还必须流过无功电流，该无功电流随逆变器的输出功率因数减小而增大，而电解电容Cd中不能流通高频无功电流，否则会发热损坏[4]。高频电容的选择一般根据逆变器的工作频率和容量大小来确定，电路中选用两只2F/1200V的薄膜电容直接并在IGBT的两侧。2.3逆变电路的保护IGBT采用缓冲保护电路，它以上下桥臂为单元进行设置，这种电路缓冲元件的功耗小，降低了IGBT的关断损耗。通常采用计算和实验相结合的方法，确定缓冲元件的参数。CS选取3～5F/1200V的电解电容，RS选用62/150W的无感电阻。在开关电源中，逆变电路中二极管除整流作用外，还起电压嵌位和续流作用，二极管在正向偏置时，呈低阻状态，近似短路，在反向偏置时，呈高阻状态，近似开路。二极管从低阻转变成高阻或从高阻转变成低阻并不是瞬间完成的，普通二极管的反向恢复时间较长，不适应高频开关电路的要求，需要使用快速恢复二极管[5]。系统阻容吸收电路中采用IXYS公司的DSE12X快速恢复二极管模块，其恢复时间在60ns左右。由电路产生的PWM脉冲，不能直接驱动大功率器件，为确保功率管的开关准确可靠，IGBT驱动放大电路采用三菱公司的M57962L，它采用+15V\-15V双电源供电，外围元件少，具有较强的驱动能力，又能有效的限制短路电流值和由此产生的应力，实现软关断。3负载电路的计算中频电源用于加热时，负载主要是由集肤效应、涡流效应、滞后效应产生的阻抗和感抗，虽然还存在着其他作用引起的额外电感和电容，但它们的等效电感量和电容量很小，所以，在频率不太高的情况下，负载可以等效为感抗和阻抗串联。如图2。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:10-Aug-2006SheetofFile:C:\ProgramFiles\DesignExplorer99SE\Examples\等效.ddbDrawnBy:LR图2负载等效电路Fig.2equivalentcircuitofload由实验可得负载的等效电阻为10，等效电感为100mH。负载的品质因数：Q=RfL2=101010050023≈31.4功率因数：cos()=211Q=0.001可见，该电源负载是功率因数非常低的感性负载，为了提高功率因数，有效利用电源容量，采用中频电容补偿无功功率，这样便组成了振荡电路。则串联补偿谐振电容C0=31.25F。4结论上述方法设计的中频电源采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT），其单管容量超过GTR,中频特性优于SCR，电路结构简单。作为感应加热电源有利于改进加热质量，提高装置的加热效率。参考文献：[1]潘天明.现代感应加热装置[M].北京：冶金工业出版社，1996.[2]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2003.[3]康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2000.[4]张仲超.基于新型移相控制的感应加热电源的研究[J].电力电子技术，2001，35（1）：3-5.[5]杨润，赵秦延，李勇，王庆.感应加热用IGBT电流源逆变器[J].电力电子技术，2004，38（1）：90-91