PDF《PI7800MF 系列中频感应加热电源》

PI7800MF 系列中频感应加热电源 大连普传科技股份有限公司 深圳市普传科技有限公司 企划部/工程部 www.

powtran.com 第一部分 感应加热与变频电源 普传科技变频技术应用系列―中频电源 版权所有 请勿转载 第2页共10 页 企划部编制

一、基本原理

1、集肤效应及感应加热 1.1 集肤效应:当交流电流通过导线时,在导线周围产生交变的磁场,处在交变磁 场中的整块导体的内部会产生感应电流,由于这种感应电流在整块导体内部自成闭合回 路,形似水的旋涡,称做涡流. 在直流电路内,均匀导线的横截面上的电流密度是均匀的,而当交流电通过导线时, 由于交变磁场的作用,在导线截面上各处电流分布不均匀,中心处电流密度小,而越靠 近表面电流密度越大,这种电流分布不均匀的现象称为集肤效应(也称趋肤效应).交 流电的频率越高,则集肤深度越深,同时其交流阻抗也变大,因此在相同数值的电流作 用下,负载所获得的能量也越高,而电流及线路损耗相应地也会变小,从而提高了加热 效率, 同时还可起到节约电能的目的.变频 加热电源正是基于这一原理, 利用变频技术, 可将运行频率提高到工频的数倍,加热效果会明显提高. 1.2 感应加热:1831 年法拉第发现电磁感应规律、1868 年福考特提出涡流理论、

1840 年焦耳-楞茨确定了电阻发热的关系式 Q=I

2 Rt,构成感应加热之理论基础. 交变的电流产生交变的磁场,再利用交变磁场来产生涡流达到加热的效果.感应 加热的加热效率高、速度快、可控性好,易于实现高温和局部加热.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. 在金属加工上,感应 加热热处理用感应电流使工件局部加热的表面热处理工艺.这 种热处理工艺常用于表面淬火、局部退火或回火,有时也用于整体淬火和回火. 将工件放入感应器(线圈)内,当感应器中通入一定频率的交变电流时,周围即产生 交变磁场,交变磁场的电磁感应作用 使工件内产生封闭的感应电流,感应电流在 工件截 面上的分布很不均匀,工件表层电流密度很高,向内逐渐减小,工件表层高密度电流的 电能转变为热能,使表层的温度升高,即实现表面加热.电流频率越高,工件表层与内 部的电流密度差则越大,加热层越薄.在加热层温度超过钢的临界点温度后迅速冷却, 即可实现表面淬火.

2、感应加热的作用及应用 感应加热早期主要用于有色金属熔炼和热处理工艺,其加热效率高、速度快、可控 性好及易于实现自动化等优点,广泛应用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等工业生产 过程中,成为冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造业等不可 缺少的技术手段.如表

1 所列. 感应加热的广泛应用, 究其原因, 主要是它本身相对于别的加热方式所具有的一些 独特性. 1)加热速度快,可节能.感应加热是从金属内部,透入深度层开始加热,大大节 省了热传导时间.其它加热是从外到内,导热时间长.据实验,加热同一坯料到一定温 度,感应加热只需火焰炉加热时间的 1/10. 2)加热温度高,是非接触式的电磁感应加热. 3)可进行局部加热,容易控制加热部位.被加热产品质量稳定,加热工件的质量 再现性与重复性好,各种参数容易控制. 4)控制温度的精度高,可保证温差在±0.5%~1%范围内. 5) 感应加热的热效率高, 一般可达 50%-70%,而 火焰炉的热效率一般只有 30%左右. 6)容易实现自动化控制. 普传科技变频技术应用系列―中频电源 版权所有 请勿转载 第3页共10 页 企划部编制 7)作业环境好,环保,几乎无热、噪声、粉尘等污染.作业占地少,生产效率高. 8)能加热形状复杂的工件,加热或熔炼都能间歇工作. 9)熔炼中溶液有电磁搅拌作用.可以均匀地调整金属液成分,溶液温度均匀,不 会出现局部高温.金属烧损少,这一点,对熔炼稀有金属更为重要.

二、变频电源

1、电源的分类 根据交变电流的频率高低,将电源分为超高频、高频、超音频、中频、工频. 1)工频(50 /60 Hz )感应加热电源这种电源比较实用,用于大型工件的整体透热、 大容量炉的熔炼和保温;

2)中频电源(50 Hz 或60 Hz 以上-10 kHz) 晶闸管感应加热电源已完全取代了传 统的中频发电机组和电磁倍频器.国外的单台容量已达数十 MW. 3)超音频电源(10kHz -100 kHz) 4)高频电源(100kHz 以上)正处在传统的电子管振荡器向固态电源的过度阶段.

2、构成 感应加热装置由两部分组成,一部分是提供能量的交流电源,也称变频电源;

另 一部分是完成电磁感应能量转换的感应线圈,称感应炉. 制约感应加热发展的主要原因是感应加热电源,而电源 又受制于高频或大功率的开 关器件.因此电力电子功率器件的发展,才真正促进了感应加热电源的发展.

3、原理 中频加热电源主电路为 AC-DC-AC 变频结构,由整流电路、滤波、逆变电路和保 护电路组成.其工作原理是将三相 50Hz 工频交流电经过三相全控整流桥 V1~V6 整流 成电压可调的脉动直流, 再通过电容将脉动的直流电滤波变成光滑平稳的直流电送到单 普传科技变频技术应用系列―中频电源 版权所有 请勿转载 第4页共10 页 企划部编制 相逆变桥 V7~V10,最后通过逆变桥将直流电变成单相频率可调的中频交流电供给 负载. 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. 逆变电路是由全控器件 IGBT 构成的串联谐振式逆变器:核 心部分逆变器由大功率 IGBT 半桥组成.由锁相环控制工作频率,自动跟踪负载固有频率及其它参数的变化, 保持 IGBT 工作在零电压开关状态,损耗小,安全区大.由SPWM 电路控制输出功率, 由功率检测电路组成闭环控制. 电解电容 Cd 主要起滤波、稳定电压和改善功率因数的作用

4、 国内感应加热电源技术发展与现状 我国感应加热技术的应用,起源于上世纪

50 年代,主要用于机床、纺机、汽车、 拖拉机等制造业,感应加热集中在工件表面淬火方面,熔炼和透热方面用的较少.60 年代,开始感应加热技术独立发展,直到改革开放后,由浙大开发了第一台并联式晶闸 管中频电源, 并向全国推广.有 关单位相继也生产了容量在几百 kW,频率500 Hz~8 kHz 的中频电源.电 子管式超音频电源也研制成功, 填补了我国 8~200 kHz 之间的频率缺口. 感应加热电源真正大量应用于工业生产则是

20 世纪

80 年代后.近20 多年间我国 在感应加热电源和感应加热领域发生了令人注目的变化,此阶段从德国、美国、英国、 法国、日本、意大利、西班牙、比利时和俄罗斯等工业发达国家引进了数百套感应加热 成套装置(含电源).粗分类有:各种淬火设备及电源;

透热设备及电源;

高频钎焊设 备;

熔炼设备及电源;

熔炼设备无心感应炉、有心感应炉.

20 世纪

90 年代,国外的一些感应电炉公司直接到中国来办厂,如美国的英达感应 加热公司,彼乐公司等,他们的产品技术含量高,电源功率大,炉子吨位大,生产线规 模大,占据了国内的很大一部分市场. 国内感应加热方面从地域上还分 南派 和 北派 技术和产品方面的竞争. 南派 以浙江大学为中心源,从技术和人事关系上衍生出浙江、上海、江苏一带的感应电 炉公司,其代表有振吴、四达、兆力等公司,主导着南方的熔炼炉市场. 北派 是 以西安交大、西安电炉研究所、西安重型电炉厂(现西安鹏远重型电炉厂)所在地西安 为中心,衍生出西安,洛阳,山东,河北,山西等地的电炉公司.仅西安市感应加热的 公司就达百家之多,是名副其实的中国电炉设计、制造中心.这些厂家中比较有影响的 有西安电炉研究所、西安鹏远重型电炉厂、西安机电研究所、陕西海意机电制造有限公 司、西安动化、博大、秦翔、华立等电炉公司. 感应加热的市场发展前景看好,据行内人士讲,西安的几个大的感应炉公司,在 普传科技变频技术应用系列―中频电源 版权所有 请勿转载 第5页共10 页 企划部编制

2006 年、2007 年的年产值均在几千万至一个亿之间,而且产值逐年度快速递增.其中 电炉所、海意公司、机电所、动化公司等有多台感应炉出口第三世界国家.

5、感应加热领域技术先进性标志主要表现 1)高频电源采用半导体功率器件,一般是输出功率越大,技术越先进. 2)感应熔炼中频炉,电源功率越大,整流的脉波数较多,如

18、24 脉波,配置 的炉体越大,说明技术越先进. 3)真空感应炉,一般是吨位越大技术越先进. 4)特种感应加热,被加热金属温度越高或温度控制的精度误差越小,其技术含量 越高. 5)感应加热的双供电电源(一拖二)和多供电电源(一拖多),一般是功率越大, 拖的炉子越多,技术含量越高. 6)感应加热、熔炼、淬火过程的计算机软件对其系统的检测、控制、管理的简单 化、傻瓜化、智能化、网络化和故障自诊断,加上触摸屏技术的采用,都是感应加热技 术先进性的标志. 【参考文献】田志明 感应加热电源综述 普传科技变频技术应用系列―中频电源 版权所有 请勿转载 第6页共10 页 企划部编制 第二部分:普传科技 PI7800MF 中频感应加热电源 【前言】 普传科技股份有限公司根据冶金和石油行业特殊用途,基于公司产品研发战略, 在成功开发冶金行业电磁搅拌器专用电源 基础上,开发生产了新一代数字化控制高性 能特殊电源――PI7800MF 中频感应加热电源,主要应用领域有:金属熔炼、透热、钎焊、晶体生长、稀有金属加工及石油工业的感应电加热采油(稠油井的空心抽油杆电加 热)、石油集输管道的感应加热等设备,还 可以应用于集输管道加热和其它类型的中频 电源相比,在结构、性能及可靠性方面,具有非常明显的优势,控制电路采用高性能专 用32 位DSP 及大规模数字专用集成电路,IGBT/IPM 功率器件,整流控制、逆变控制、 功率调节、操作接口、保护等部分均集成在一块控制板上,调试、维护方便,可靠性提 高,节能效果好. 在石油工业应用上, 由于中频电源涡流感应加强,导致集肤效应更强,漏磁减少, 因此电加热效果大大好于工频电源.该 设备可替代现有的工频加热电源, 节能效果达到 30%以上,大大地降低了采油生产能源的消耗.本专用电源对电网没有污染,与同类产 品相比,提高了电源的可靠性,减少了因停机造成的生产损失.

一、 电源基本框图 电路基本构成如下:

二、 性能特点 u 采用

32 位美国德州仪器 TI 公司专用控制芯片 DSP, 控制系统性能增强,电 路简化,负载适应性强.实现电源控制的全数字化,智能化. u 采用先进的大功率绝缘栅双极性晶体管(IGBT)作为功率开关器件,逆变 频率可调. u 具有相序自适应功能,无需鉴别进线相序. u 输出可进行恒功率、恒电压、恒电流控制. TI DSP 普传科技变频技术应用系列―中频电源 版权所有 请勿转载 第7页共10 页 企划部编制 u 采用零压软启动,启动成功率高无冲击.完全能够满足广大热加工行业用户 的需求. u 采用扫描式零压启动方式和自动重复启动 电路,启动成功率可达 100%.采用中频电压作为 取样信号, 无中频电流互感器, 输出部分和负载的 连接不需区分极性. u 控制电路采用电压、电流双闭环系统,并 设有阻抗调节器, 逆变角调节器, 使电源的运行更 加稳定可靠. u 人机对话的显示界面,可通过键盘的选择 显示工作频率及电流, 输出脉冲的占空比、 电流变 比等,并可显示故障状态及原因,使显示更直观, 更易于操作. 显示与主控板共用一个线路板, 排列 更紧凑, 避免了信号传输过程中的干扰, 工作更稳 定. u 保护功能齐全:具有过压、过流、缺相、 控制电源欠压、水压低等故障报警功能. u 输出电压、电流连续可调,可以使加热系统处于最佳工作状态,能源利用 率高,节能效果明显恒输出电压/恒输出功率控制选择功能. u 高效节能,全功率范围内,极高的功率因数和电源效率.

三、 主要技术参数及产品型谱 型号 PI7800MF 输出功率范围 60-700KVA 相数/电压/频率 三相/380V-1140V/50Hz 输入电源 允许波动 电压 ±15% 频率± 2% 工作频率 在260-1500Hz ................