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高频感应加热电源的发展和趋势

高频感应加热电源的发展和趋势

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  1. 电力电子器件的发展
  1957年,美国研制出世界上第一之普通的(400HZ)反向阻断型可控硅,后来成为晶闸管(SCR)。经过60年代的工艺完善和应用开发,到了70年代,晶闸管已形成从低压小电流到高压大电流的系列产品。在这期间,世界各国还研制出一系列的派生器件,如不对称晶闸管(ASCR)、逆导晶闸管(RCT)、双向晶闸管门极辅助关断晶闸管(GATT)、光控晶闸管9LASCR)以及80年代迅速发展起来的可管段晶闸管(GTO)。由于晶闸管及其派生器件所构成大额各种电力电子装置在工业应用中主要解决了传统的电能变换装置中所在存在的能耗大和体积笨重的问题,因此电能的利用率大大地提高了,同时也是工业噪音得到一定的控制。目前在internet上可以查到的高压大电流晶闸管有POWEREX推出的用于高压交流开关和静止无功发生器用的1200V/1500V的晶闸管。
  1948年美国贝尔实验室发明了第一只晶体管以来,经过20多年的努力,到了70年代,用于电变化的晶体管(GTR)已进入工业应用领域,由于GTR自关断能力且开关速度可达20KHZ,在PWM技术中一度得到广泛的应用,并且促使装置性能进一步的提高和传统直流电源装置的革新,出现了所谓的“20前周革命”,但因功率晶体管的存在二次击穿、不易并联以及开关皮绿仍然低等问题,他的应用受到了限制。
  70年代后期电力半导器件在高频话进程中一个标志器件,功率场效应晶体管(power MOSFET)开动进入使用阶段,进入80年代,人们有在降低器件的导通电阻,消除寄生效应、扩大电压和电流容易以及驱动电路集成化等方面进行大量的研究,取得了很大的进展。功率场效应管应用最广的是电流垂直流动结构的器件(VDMOS)。它具有工作频率高(即使千赫兹、抵压管可达兆赫)、开关损耗小、安全工作区宽(不存在二次击穿的现象)、漏极电流为负极温度特性(易于并联)、输入阻抗高等优点,是一种场控型自关断器件,是目前电力电子技术发张的主要器件之一。100A/1000V的VDMOS已商业化,研制水平达250A/1000V,其电流的容量还有继续增大的趋势,尽管VDMOS器件的开关速度非常快,但其导通电阻与U2.5成正比,这就限制了他在高频中、大功率领域的应用。
  80年代电力电子器件较为引人瞩目孙湾成就之一九十开发出双击型符合器件,研制符合器件的主要目的是实现器件的高压、大电流参数同动态参数之间的最合理的折中,时使其谦有MOS器件和双极性器件的突出特点,从而产生初较为理想的高频、高压和大电流的器件,目前被认为最具有发展前途的符合器件是绝缘栅双极性晶体管IGBT和MOS栅控晶闸管MCT(MOS controlled thirstier)。
  IGBT于1982年在美国率先研制出样品,1985年开始投产使用,目前最高电压已经达到4500V,最大电流可为1800V,MCT是80年代后期出现的另一种比较理想的器件,目前研制的水平为300A/2000V,1000A/1000V最高电压可达3000V。
  80年代期间发展起来的静电感应器件SIT(static induction transistor)和静电感应晶闸管SITH( static induction thirstier )是利用门极电场改变空间电荷区宽度来开闭电流通道的原理研制成的器件。
  2.高频逆变电源的特点
  和传统的电源相比不同,高频逆变电源在电网侧直接整流为直流,然后经逆变桥变换为高频输出。逆变电源具有优越的性能指标,主要优点包括:
  一、重量轻、体积小、没有工频变压器,节约了铜铁等制造材料、提高了灵活机动性。
  二、高效节能,具有较低的损耗和较高的功率因数。
  三、性能优良,晌应周期为微妙级,可以实现对无名行为的控制,改善加热质量。
  四、一机多用,可以再不改变主电路的条件下,采用电子控制电路,实现多功能化。
  3. 高频逆变电路的发展趋势
  高频逆变电源的发展与电力电子技术和器件的发展密切相关,高频逆变式电源正是随着现代电力电子技术的发展而发展起来的。
  感应加热技术的从诞生至今,经过近百年的发展,取得了令人瞩目大成果,尤其是六十年代以后,固态电力电子器件的出现与发展,使感应加热技术和现代化生产方面密切相关,发挥了很大的作用,因此世界各国都十分的关注感应加热电源技术的发展,并投入了相当的经济支持和技术力量。目前传统的感应加热电源与固态感应加热电源取长补短,互补共存。
  目前逆变式电源鸡蛋户争朝以下方向发展:
  一、沿20KHZ的技术路线开发研制50KHZ、100KHZ级的逆变式电源。
  二、探索旨在降低电力电子器件开关功耗,提高开关频率的零电压,零电流开关(软开关)技术,其中包括电路拓扑结构和工程实现。高频(1~10MHZ,实验室已达数百瓦水平;在100KHZ级达几千瓦水平。高频谐振软开关技术只有在数百KHZ以上才能充分显示其巨大的优越型,由于器件、材料和技术上的原因,在今后较长德尔一段时间内,高频逆变式电源依然以硬开关技术为主,但软开关技术愈来愈多得到开发成果和样机【1】。
  三、研制和生产大容量的逆变式电源。为适应市场生物需求,大功率、高频率逆变式电源已经引起越来越多人的关注,大量研发工作正在进行,而且容量还在不断的增加。
  四、研制和生产大容量的逆变式电源。为适应高质量、高性能和加热工作的市场需要,愈来愈多的研究开发和生产智能控制的逆变式电源,其中包括了波形控制和模糊控制技术,人工神经网络技术、自动跟踪技术等等。采用波形控制和模糊控制技术的逆变式电源,在日本、美国、法国等国已有批量产品,我国已有研究开发成果和样机。
  五、研究功率因数校正和减少电网谐振干扰。没有钱串联逆变式电源的输入整流滤波单元均采用不可控二极管整流和大容量滤波电容,他会产生交变的严重非正弦化和窄脉冲电流,导致有的逆变器功率因数很低。输入电流波形和提高功率因数已成为重要的课题,特别是对三项相和中大功率的逆变式电源需要进一步开展功率因数校正干扰和减少电玩那个谐振波的研究。
  4.我国逆变式电源发展所存在问题
  在高频逆变式电源的发展过程中,国外是以企业为主体的商业化开发,因此产品导航市场而且技术报道少,在国内主要是高等院校等研究机构推动了逆变式电源的发展,如浙江大学等研究单位我做了很多的工作,已企业为主体的技术创新上有差距。
  从长远看,高频逆变式电源是发展的放向,但是由于高频逆变式电源发展时间不长,所以技术还带与完善,由于逆变频率高,高频逆变式电源的调节范围大,工作在空载、负载和短路等不同状态下,环境条件恶劣;对设计提出来很高的要求,当前高频逆变式电源面临生物主要问题是提高向能和改善可靠性。事实证明,产品可靠性是占领市场的关键。可靠性问题是系统工程问题,涉及许多技术因素,特别瑟吉是在大功率高频逆变式电源中,开关器件承受的电流大,电压高,需要优良的开关器件及其相应的驱动保护电路和控制电路。
  5. 国外感应加热技术现状
  低频感应加热的特点是透热深度深、工件景象温差小,因此热应力小,比较适合大型工件的整体透热、大容量炉的容来呢和保温。目前,在低频感应加热场合普遍使用创痛的工频感应加热炉。国外的工频感应加热装置可达数百兆瓦,用于数十吨生物大型工件的透热或百顿的刚睡保温,预计短期内,一股太器件构成的低频感应加热电源在功率容来那个、价格和可靠性方面海难以于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。
  在中频(150~10KHZ)范围内,晶闸管感应加热装置已完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器,国外的装置容量已达数十兆瓦。
  在超音频(10~100KHZ)范围内,早起基本是空白,晶闸管出现以后一度曾采用晶闸管已时间分割电路和倍频电路构成的超音频电源。八十年代开始,随着一系列新型功率器件的相继出现,已这些新型期间爱你(主要有GTO\GTR\MCT\IGBT\BSIT和SITH)构成的结构简单的全桥型超音频固态感应加热电源逐渐占据了主导地位,其中以IGBT应用最为普遍,爱河时因IGBT使用起来发行便可靠,很受电路设计者的欢迎。1994年日本采用IGBT研制出了1200KW/50KHZ的电流型感应加热电源,你逆变器工作于零电压开关状态,市现率微机控制。西班牙在1993年也已经报道了3—600KW/100KHZ的IGBT电流型感应加热电源,欧、美地区的其他一些国家,如英国、法国、瑞士等的系列化超音频感应加热电源也达数百千瓦。
  在高频(100KHZ以上)领域,国外目前正处于向固态电源的过渡阶段【2】。以日本为例其系列的电子管振荡器高频感应加热电源的水平可达5-1200KW/100-500KHZ,而其采用SIT的固态高频感应加热电源的水平可达400KW/400KHZ,并且在1987年已经开始研制1200KW/200KHZ的SIT电源。欧美各国采用MOSFET的高频感应加热电源的容量正在突飞猛进,例如西班牙采用MOSFET的电流型感应加热电源的制造水平可达600KW /200KHZ,德国的电子管高频电源水平约为10KW,而其在1989年研制生物电流型MOSFET感应加热电源的容量已达480KW/50-200KHZ。
  6.国内感应加热技术现状
  我国感应加热技术从50年代开始被广泛的应用于生产当中。60年代,末开始研制晶闸管中频电源,到目前已经形成了一定范围的系列化产品,并开拓了较为广泛的应用市场。
  在中频领域中,晶闸管中频电源装置基本上取代了旋转发电机,以激昂形成了500~8000赫兹、100~3000KW的系列化产品。但国产中频电源大多采用并联谐振逆变器结构,因此在研发更加大容量生物并联逆变中频电源的同时,尽快研制出结构简单、易于频繁启动的串联谐振逆变中频电源,也是中频领域有待解决得问题。
  在高频领域的研究工作八十年代已经开始。浙江大学采用晶闸管倍频50KW/50KHZ的高频电源,采用时间分割电路研制了30KHZ晶闸管高频电源。从九十年代开始,国内采用IGBT研制高频电源。浙江大学研制开发的50KW/50KHZ高频电源以及那个通过浙江省技术部的鉴定,总的来说,国内目前的高频电源研制水平大致在500KW/50KHZ,与国外饿水平相比还有很大的差距。

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