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锻造用中频感应加热设备几种电路形式的能耗比较

文章来源:本站     发布时间:2014-6-12    浏览次数:1518

                                                      

                       锻造用中频感应加热设备几种电路形式的能耗比较

摘要:

  目前国内使用的锻造用中频感应加热设备主要有三种电路形式,其中使用量最大的是上世纪80年代初发展起来的由可控硅变频的中频感应设备,主体电路如下图:                  (图一)

 

 

  整流部分由6只可控硅完成将三相交流电变成直流,同时担任设备的功率调节。此整流电路的缺点是:功率调节是通过调节可控硅的导通角实现的,导通角减小电网的功率因数就会降低,用户不得不另配功率因数补偿柜,增加新的投入,(如果用户不另配功率因数补偿柜,将会导致用户配电室的功率因数补偿柜电容损坏或供电变压器发热)。整流后的直流滤波由大的直流电抗器完成,此部分带来1%~3%的损耗,变频电路由4只可控硅完成,变频电路的损耗大约为5%。受可控硅关断的制约,变频回路的功率因数只能达到0.8~0.85。输出电路是由感应线圈(炉体)和补偿电容组成的并联谐振电路。受可控硅耐压的限制,中频电压≤750V,因此,感应线圈上的电流通常是直流电流的5~10倍,(5~10是振荡回路的品质因数俗称Q值,并联谐振电路的特征是振荡电流是直流电流的Q倍)所以并联谐振输出电路通常有较大的损耗,约占整机功率的25%-30%。因此可控硅变频中频感应加热设备的整机效率大约只有60%-70%左右。

  上世纪90年代初国际上诞生了一种新的功率器件IGBT,它具有功率大、开关损耗低、工作频率高(可达100Khz),由IGBT变频的中频感应加热设备有两种线路:一种为并联谐振;另一种为串联谐振。

  并联谐振的主电路如下图:     (图二)

 

 

 


  从主电路上可以看出,此线路与(图一)唯一的差别就是用IGBT和快速二极管替代了可控硅。IGBT和快速二极管的组合其导通损耗大于可控硅的导通损耗,但IGBT是一种可以工作在较高频率的功率器件,其开关损耗比可控硅低。因此此线路的变频损耗与可控硅的变频损耗大致相当,大约5%,功率调节仍然是通过改变整流可控硅的导通角实现的,因此电网的功率因数会受到影响。IGBT是一种全控型半导体器件,所以变频回路的功率因数可以近为1,受快速二极管的耐压限制,IGBT并联型变频的中频电压≤550V,由此可见,IGBT并联型变频电路的振荡电流将比可控硅变频的振荡电流还大。因此,IGBT并联中频感应加热设备的总效率不会超过可控硅并联谐振感应加热设备的总效率,大约也在60%-70%之间。

  IGBT变频的中频感应加热设备的另外一种线路为串联谐振,主电路如下图:               (图三)

 

 

  整流部分由6只二极管担任,直接整流不斩波,不会导致电网的功率因数下降。串联谐振电路去掉了庞大而笨重的滤波电抗器,减小了损耗,滤波由电容C1担任。可控硅T1在这里只作开关用,当电容C1上的电被充到一定电压后即开通,变频电路由4IGBT构成,IGBT的导通损耗与可控硅相当,而开关损耗低于可控硅的开关损耗,因此变频电流的损耗大约在3%。该电路的功率调节有两种方式:1、改变变频电路的工作频率(变频),2、改变IGBT的导通时间(调宽)。输出电路的特征是感应线圈与补偿电容串联构成串联谐振电路。此电路的特征是流过IGBT的电流与流过感应线圈及补偿电容的电流相等,而感应线圈上的电压是整流后直流电压的3~10倍,(串联谐振电路的特征是振荡线圈的电压是直流电压的Q倍)。感应线圈上的功率P=感应线圈上的电压(V)×流过感应线圈的电流(I)。现在我们来比较并联谐振与串联谐振,感应线圈的损耗。假设感应线圈上的功率都是P

并联谐振:P=V×IP=750×I I= P/750

串联谐振:P=V×IP=1500×I I= P/1500

V 以最小3倍直流电压计算3×500=1500

;我们知道感应线圈的损耗只与线圈的电阻相关,假设线圈的电阻为R,则损耗功率为:

    

  因此可见在相同的功率与相同的感应线圈的情况下,串联谐振感应线圈的损耗最多只有并联谐振感应线圈的1/4。因此,串联谐振输出电路的损耗约占整机功率的5%-10%,所以串联谐振变频的中频感应加热设备的整机效率为80%-90%

  在串联谐振电路中,感应线圈上中频电压的高低与变频功率器件的耐压无关,只要感应线圈的绝缘允许,提高中频电压就可以进一步降低感应线圈的损耗,整机效率就会进一步提高,这和输电为什么要用高压输送是一个道理。

  目前在锻造用中频感应加热设备的生产厂家,采用串联谐振变频技术。

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