电力电子在感应加热中的应用

电力电子技术在感应加热领域的应用一、前言上个世纪初，人们发明了真空电子管，它可以在玻璃真空泡里对电子流进行控制，人们把它应用在通信和无线电方面，开创了电子技术应用之先河。

随着电子技术应用功率的增大，人们又发明了汞弧整流器，闸流管，由它制造的变流设备广泛应用于电化学工业，轧钢工业，也应用在感应加热行业。

其中，以真空电子管振荡器为主组成的高频感应加热技术和设备一直沿用到现在。

在频率较低的中频感应加热方面，人们还采用旋转的电动机-发电机组进行电流和频率的转换。

相对于旋转变流机组，人们把汞弧整流器、真空管振荡器组成的变频设备称为静止变流器。

无论旋转变流器还是真空管等器件组成的静止变流器，在满足工业应用工艺要求的同时，其共同缺点是效率低，维护工作量大。

1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，1957年美国通用电气公司研制出了第一只晶体闸流管，由此引发了电子技术领域的一场革命，开创并确立了电力电子技术的基础，晶闸管出现后，由于其优越的电气性能和控制特性很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，其应用范围也迅速扩大。

例如电化学工业、铁道电气机车、钢铁工业的轧钢和感应加热、电力工业的直流输电和动态无功补偿等。

大量的工业应用也促进了半导体器件的技术发展和进步，在晶闸管发明之后，人们又发明了各种可以自行控制关断的全控型半导体器件。

有别于电子真空器件，人们把这些基于硅半导体晶体材料制造的电力电子器件统称为固态半导体器件或者叫固态器件。

晶闸管是通过对门极控制能够使其导通但不能使其关断的器件，因此称为半控型器件，它的关断是通过主电路电流过零完成的。

尽管如此，由于它的控制特性优越（以毫瓦级的功率控制兆瓦级的功率并且准确可靠）在交流可控整流、中频感应加热、交流调压和功率控制方面应用广泛。

电力场效应晶体管（power-MOSFET）、静电感应晶体管（SIT）是全控型多子型器件，其最突出的特点是开关速度快，因此主要应用在高频变流设备上。

但是它的通态压降大，单个元件的容量小，需要并联的数量较多。

1980年以后，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件发展飞速。

IGBT是MOSFET和BJT（双极晶体管）的复合器件，它把MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT的通态压降小、载流能力大的优点基于一身，性能十分优越，成为现代电力电子技术的主流器件。

它除了在变频器、开关电源和UPS等方面有大量应用以外，在感应加热方面也有上乘表现。

IGBT 目前已经应用于超音频感应加热设备，并在中频设备中有取代晶闸管的趋势，在高频大功率设备（200kHz）中有取代MOSFET的趋势。

在应用固态半导体器件制造的各种感应加热设备比较真空管器件的感应加热设备有更大的优点，它的电压较低，安全性好，效率高，省水，省电，寿命长，维修工作量小。

正在越来越多的地方获得应用和推广。

二、晶闸管在感应加热方面的应用晶闸管分为普通型晶闸管、快速型晶闸管、逆导型晶闸管和双向晶闸管。

普通型晶闸管主要应用在供电电源调节与控制方面，快速型晶闸管主要应用在中频感应加热电源逆变器上。

1、直接整流型的电源供给电路直接整流型的电源调节器主要用于中频设备、超音频感应加热设备和固态感应加热设备的直流电源供电。

根据电路要求可以分为电压源型和电流源型电路。

电压源型整流电路一般采用三相桥式全控整流电路，其主电路结构如图一所示。

图一三相桥式全控整流电路(电压源型)电压源型供电电路以大容量电容器作为滤波器件，电容器同时兼做高中频与工频的缓冲与隔离环节，L是充电限流电感。

这样的供电电路主要用于为串联谐振逆变器提供稳定的直流电压，同时也作为功率调节手段。

桥式全控整流电路的输出电压：U d=2.34UCOSα（U为输入相电压）电流源型供电电路以大容量电感作为滤波器件，它同时也作为工频与高频的隔离器件。

其主电路结构见图二所示。

由于电感的电流不能突变，大电感的电流在换流过程中基本不变，常将直流端视为电流源。

故称为电流源型供电电路。

它主要为并联型中高频提供电力驱动。

图二三相桥式全控整流电路(电流源型)2、间接整流型电源供给电路间接整流型电源供给电路如图三所示。

两只晶闸管反并联组成了交流调压器，由它进行交流电压的调节, 交流调压器在这里还起着交流电力开关的作用。

图三间接式调节整流电路使用电子管振荡器的高频电源都需要1万伏以上的阳极直流电压，由于电压高，电流小，采用间接式调节整流电路比较经济可行。

间接式调节整流电路一般都采用在交流低压电源侧装设三相晶闸管调压器，调压以后采用升压变压器进行升压，然后再用高压硅堆进行整流的供电方式。

这种方式可以避免采用大量可控器件串联造成的复杂技术和高投资，充分利用晶闸管的电流容量，因此比较经济实用。

由于晶闸管调压器后直接连接升压变压器，因此交流调压器的输出最重要的是正负半周对称，不能含有直流成分，否则会造成变压器直流磁化偏磁，轻则增大损耗，重则造成过流跳闸。

另一方面要求调压以后的交流电压波形三相对称。

使用分立元件控制的晶闸管交流相控式调压器, 控制精度低，这些要求不容易达到，使用微机控制的晶闸管交流调压器就可以满足这些要求。

微机控制的晶闸管交流调压电路，在控制方法上采用了单相交流信号锁相同步方式和等间隔触发脉冲控制以及高精度延迟角数字控制方式。

这样的控制方式具备了可靠性高、抗谐波干扰能力强，控制精确的特点。

同步电路原理框图见图四。

图四同步电路原理框图交流系统电路是容易受到干扰的，例如谐波可以使交流电压波形产生换相齿和干扰毛刺，远方的电机起动或短路会造成电压凹陷。

使用单相同步信号，其受到这些干扰的机会能够比三相同步方式减少三分之二，经过变压器降压隔离后的单相电压同步信号经过较大参数的RC滤波就可以排除各种高频信号和谐波的干扰，使用单相信号的锁相同步方式可以获得满意的同步跟踪效果。

交流同步电压信号经过整形电路整形为方波后和锁相反馈信号输入到90°鉴相器中, 鉴相器的输出为两路信号的异或值。

当两路信号同为高电平或低电平时，鉴相器为低，当两路信号为不同电平时输出为高。

这种经过鉴相器的输出信号为100Hz方波信号，经过低通滤波器滤波后的电压去控制压控振荡器，压控振荡器输出的高频同步脉冲信号作为微机计量晶闸管触发角的基准量值信号。

另外，高频同步脉冲经过分频后的300Hz信号代替交流线电压的过零点作为调压电路的自然换相点信号，启动微机冲断计量触发延迟角а。

这样用来产生的触发脉冲间隔在无调节量发生时是严格按照60°电角度分布的，保证了相电压正负半波对称和没有直流分量，也保证了三相对称性和六只晶闸管中的电流相等。

这样做还有一个好处就是产生的高次谐波电流较小，只有理论上不可避免的特征次谐波电流，没有因为控制误差而产生的非特征谐波电流。

按照图四中90°锁相电路工作原理和低通滤波器参数的设置，可以在46Hz--53Hz范围内跟踪系统电压的频率和相位，这种工作范围是足够宽的，因为系统频率变化一般±±1Hz范围内变化。

不会超过50Hz0.5Hz，极少情况下有可能在50Hz微机控制触发电路的一个优点是控制精度高，一般最低精度在0.5°电角度，有的可达到0.125°电角度。

这样高的精度对于高频设备和其它形式的调压整流电源是足够的。

触发电路的另外一个特点是采用了带有陡前沿、强触发的脉冲列去触发晶闸管，强触发脉冲可保证晶闸管的可靠开通并且在开通初始时刻就有比较大的导通结面积（硅片面积），能承担较大的电流上升率，而不易过流损坏晶闸管。

宽脉冲列则有利于进行调试，不会因为双窄脉冲方式常发生的调节过了头而产生脉冲“丢失”的现象。

现在晶闸管微机控制调压电源作为高频设备的可调稳压电源已经广泛地应用在生产中，发挥了功率调节、软起动和无触点开关的作用，成为高中频设备中的一个优秀配套部件应用在大功率高频设备的供电电源中，对于高频加热技术的推广和普及发挥了有益的作用。

3、电源功率因数与高次谐波的控制目前，不论直接型可控整流电路还是间接型整流电路,它们都有一个共同的缺点，这就是在工作时产生高次谐波电流，并有滞后的功率因数。

高次谐波电流流入电网会产生谐波污染，影响系统的工作效率，严重时会产生谐波不稳定或高次谐波谐振，危及电力用户的使用电能安全。

而滞后的功率因数会使无功功率增加，降低了设备的用电效率。

功率因数低还可能被电力部门罚款，影响用户的生产成本。

因此，大功率高中频电源都有无功功率补偿的要求。

在大功率高频设备使用场合或者是电源内阻抗较大的末端用户，功率因数低和高次谐波常常会成为用电不稳定的主要原因，有必要采用一些措施来改善功率因数和谐波。

常见的技术措施有：①增加整流电路的相数②实行触发角的错位控制③滤波器和无功补偿对于大功率的交流调压或整流电路，增加整流电路的相数是改善交流电流和直流电压波形的一个有效方法。

常用的方法是采用双重化的12相脉动整流电路。

间接供电的12相脉动整流电路见图五所示。

变压器采用三卷变压器，其中副边绕组的线电压为两个5000V，整流以后的直流电压是12相脉动的，交流脉动成分得到了改善。

高压硅堆整流器基本上不增加造价，只是多了三个引出线。

它的交流电流波形也有较大的改善，6相脉动整流的交流电流含有6K±1次高次谐波，而12相脉动整流电路的交流电流波形含有的高次谐波为12K±1次，由于高次谐波的幅值与它的次数成倒数关系，因此后者的交流高次谐波电流比前者要小得多。

另外，功率因数也与脉动数相关，12相脉动整流电路也有较高的功率因数。

电力电子电路的功率因数与波形畸变和波形滞后有关，增加脉动数对电压源型电路的功率因数有较大的改进，对电流型电路改进不大。

图五三卷变压器双桥整流电路为了进一步改进电路的无功功率消耗和功率因数，可以采用触发角的错位控制。

图六表示采用双台变压器的12相脉动整流电路的情况。

图六 双变压器12相脉动整流电路 图六中的变压器两台线电压是相同的都是400V/5000V ，但是接线方法有区别。

交流端分别由两个三相交流调压器供电。

进行相位角的错位控制可以减少无功功率的消耗。

当第一组三相交流调压器不工作时，其直流硅堆自动形成通路，第二组三相调压器在工作范围内可以调节0---50%的电压输出，这时最大的无功功率是单组调压电路最大无功功率的一半，在50%---100%的电压输出调节时，固定第二组调压器为最大输出，第一组调压器开始工作，这时第二组调压器为最大输出，其功率因数达到最高，第一组调压器消耗的最大的无功功率是单组调压电路最大无功功率的一半。

这样，两组调压器分时工作可以有效的消减无功功率的最大值，这就是错位控制的优点。

这种方法可以有效的减小无功功率，但是不利于谐波的减小。