節能型igbt串聯逆變中頻電源裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種節能型IGBT串聯逆變中頻電源裝置，屬于變頻變流技術及鑄造技術領域。
【背景技術】
[0002]隨著感應加熱應用領域日益不斷的擴大，以及電力半導體器技術的不斷發展，同時為響應國家節能減排政策的號召，中頻感應加熱電源正向節能、快速、無諧波干擾方向發展。在控制系統上，則是由模擬控制轉向數字化控制發展，以提高控制系統的集成度和穩定性；在智能控制方面，通過PLC及組態軟件等自動控制設備，逐步實現整套設備的智能化；在逆變形式方面，則由并聯逆變向串聯逆變方面發展，以提高輸出電壓，降低槽路電流，減少線路損耗。
[0003]目前國內鑄造業采用的熔化形式基本為兩種，一是采用焦炭沖天爐熔化，二是采用傳統的并聯可控硅中頻電源(KGPS)熔化；焦炭沖天爐熔化形式因工作效率低、能源浪費嚴重、對環境污染嚴重，以及難以控制鑄件質量等缺點，目前已被國家禁止使用；并聯可控硅中頻電源因其采用調壓調功，負載采用并聯諧振方式，所以其功率因數不能始終保持在
0.93以上，低功率運行時功率因數則較低，諧波污染嚴重，電流畸變較高，另外并聯逆變為一種電流型逆變，電壓低電流大線路損耗嚴重。這兩種加熱設備工作效率低，能源浪費嚴重，對電網及環境污染嚴重。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題是針對以上不足，提供一種功率因數高、諧波污染小、線路損耗小，耗電量低、熔化速度快的節能型IGBT串聯逆變中頻電源裝置，節約了能源，避免了對電網及環境的污染。
[0005]為解決以上技術問題，本發明采用以下技術方案:節能型IGBT串聯逆變中頻電源裝置，包括電連接的IGBT串聯逆變電路、整流主電路、驅動電源電路、壓控振蕩電路、整流脈沖形成電路和保護信號電路。
[0006]所述保護信號電路包括集成電路IC5、IC6和IC7，集成電路IC5包括IC5A和IC5B兩部分，集成電路IC6包括IC6A和IC6B兩部分，集成電路IC7包括IC7A和IC7B兩部分。
[0007]所述集成電路IC5的第5腳經串聯的電阻R20、R21和R22接集成電路IC5的第6腳，集成電路IC5的第6腳接電阻R22的一端，電阻R22的另一端經電阻R26接地，電阻R22的另一端經電阻R5接集成電路IC5的第2腳，集成電路IC5的第4腳接地，集成電路IC5的第8腳經電容C20接地，集成電路IC5的第8腳接VCC，集成電路IC5的第3腳經電阻R27接 VCC0
[0008]所述集成電路IC5的第7腳經串聯的電阻R23和二極管D12接三極管Q2的集電極，集成電路IC5的第7腳經串聯的電阻R23和電阻R24接集成電路IC6的第5腳。
[0009]所述集成電路IC6的第8腳接VCC，集成電路IC6的第4腳接地，集成電路IC6的第6腳經電阻R28接VCC，集成電路IC6的第6腳經電阻R29接地，集成電路IC6的第6腳接集成電路IC6的第2腳。
[0010]所述集成電路IC5的第I腳經串聯的電阻R30和電阻R31接集成電路IC6的第3腳，集成電路IC5的第I腳經串聯的電阻R30和二極管D17接三極管Q2的集電極。
[0011]所述集成電路IC6的第7腳經串聯的電阻R32和發光二極管D13接地，集成電路IC6的第7腳經串聯的二極管D14和電阻R34接地，集成電路IC6的第I腳經串聯的二極管D15和電阻R34接地，集成電路IC6的第I腳經串聯的電阻R33和發光二極管D16接地。
[0012]所述集成電路IC6的第7腳經串聯的二極管D14和電阻R35接集成電路IC7的第2腳，集成電路IC7的第3腳接集成電路IC7的第5腳，集成電路IC7的第I腳接電阻R36的一端，電阻R36的另一端接二極管D19的負極。
[0013]所述二極管D19的正極經電容C21接地，二極管D19的正極經電阻R37接VCC，集成電路IC7的第3腳經電阻R39接地，集成電路IC7的第3腳接電阻R38的一端，電阻R38的另一端接電阻R40的一端和二極管D18的負極，電阻R40的另一端和二極管D18的正極經電阻R41接集成電路IC7的第6腳，二極管D18的正極經電容C23接地，所述集成電路IC7的第4腳接地，集成電路IC7的第8腳經電容C22接地，集成電路IC7的第7腳經電阻R42接三極管Q2的基極，三極管Q2的發射極極地。
[0014]所述集成電路IC5、IC6和IC7均為雙運算放大器LM358。
[0015]本發明采用以上技術方案后，與現有技術相比，具有以下優點:
1、功率因數高，諧波污染小:節能型IGBT串聯逆變中頻電源裝置的功率因數始終大于0.95，諧波含量小，低于國家“奇次諧波和偶次諧波之和小于5%”的要求，偶次諧波均小于2%，奇次諧波和偶次諧波之和小于5%，符合國家標準(GB/T14549-93)《電能質量公用電網諧波》的要求。
[0016]2、線路損耗小，耗電量低，比同類產品節能25%_30%:本項發明中輸出部分中頻電壓高(2800V)，輸出電流小(直流電流的2.5-3倍)，而目前其它中頻電源的輸出電壓最高為1500V，輸出電流為直流電流的5-6倍，以600KW設備為例，節能型IGBT串聯逆變中頻電源裝置的中頻電壓為2800V，中頻電流為3600A,而普通可控硅設備的中頻電壓為1500V,中頻電流為6800A，假設輸出部分的內阻為r，則線路損耗分別為:節能型IGBT串聯逆變中頻電源裝置的線路損耗Pl=I2r= (3600) 2*r，普通可控硅中頻電源的線路損耗P2=I2r=(6800)2*r,普通可控硅中頻電源的線路損耗遠遠大于節能型IGBT串聯逆變中頻電源裝配的線路損耗。
[0017]耗電量方面，節能型IGBT串聯逆變中頻電源裝置的噸耗電量為520-550度，而目前國內外先進可控硅熔煉設備的耗電量為650-680度，可節能25%-30%。
[0018]3、恒功率輸出，熔化速度快:本項發明中的節能型IGBT串聯逆變中頻電源裝置，是目前唯一能實現恒功率輸出的設備，以600KW設備為例，熔化一爐總共需要55分鐘，其中有53分鐘的時間工作在恒功率狀態，恒功率時間達到96%，這是其它設備無法達到的；
一方面由于節能型IGBT串聯逆變中頻電源裝置實現了恒功率，達到96%，另外由于節能型IGBT串聯逆變中頻電源裝置中頻電源中頻電壓高，電磁耦合效率高，達到98%，兩方面原因使得節能型IGBT串聯逆變中頻電源裝置熔化速度特別快，150KG/300KW設備僅20分鐘一爐，噸耗電量:550度，1000KG/700KW設備45分鐘一爐，噸耗電量520度，其它設備均無法達到此種速度。
[0019]下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。
【附圖說明】
[0020]附圖1是本發明實施例中節能型IGBT串聯逆變中頻電源裝置的IGBT串聯逆變電路原理圖；
附圖2是本發明實施例中節能型IGBT串聯逆變中頻電源裝置的整流主電路原理圖； 附圖3是本發明實施例中節能型IGBT串聯逆變中頻電源裝置的驅動電源電路原理圖；
附圖4是本發明實施例中節能型IGBT串聯逆變中頻電源裝置的壓控振蕩電路原理圖；
附圖5是本發明實施例中節能型IGBT串聯逆變中頻電源裝置的整流脈沖形成電路原理圖；
附圖6是本發明實施例中節能型IGBT串聯逆變中頻電源裝置的保護信號電路原理圖；
附圖7是本發明實施例中節能型IGBT串聯逆變中頻電源裝置的功率因數變化圖； 附圖8是本發明實施例中節能型IGBT串聯逆變中頻電源裝置的5次諧波含量圖； 附圖9是本發明實施例中節能型IGBT串聯逆變中頻電源裝置的7次諧波含量圖； 附圖10是本發明實施例中節能型IGBT串聯逆變中頻電源裝置的功率變化曲線圖。
【具體實施方式】
[0021]實施例，節能型IGBT串聯逆變中頻電源裝置包括電連接的IGBT串聯逆變電路、整流主電路、驅動電源電路、壓控振蕩電路、整流脈沖形成電路和保護信號電路。
[0022]如附圖1所示，IGBT串聯逆變電路包括IGBT模塊T1、T2、T3、T4和電容器C1、C2，逆變器由IGBT模塊T1、T2、T3、T4和電容器C1，C2組成單相逆變橋，IGBT模塊Tl的門極接電容CFl的正極，電容CFl的負極接電容CF2的正極，電容CF2的負極接IGBT模塊T2的發射極，IGBT模塊T2的集電極接IGBT模塊Tl的發射極，IGBT模塊Tl的集電極分別接IGBT模塊T3的集電極和電容Cl的一端，IGBT模塊T3的發射極接IGBT模塊Tl的發射極，IGBT模塊T3的發射極經感應爐的等效電感和電阻L、R接電容Cl的另一端，電容Cl的另一端接電容C2的一端，電容C2的另一端接IGBT模塊T4的發射極。
[0023]Cl，C2的規格相同，L、R為感應爐的等效電感和電阻。
[0024]其工作過程如下:恒定的直流電壓加在正極和負極母排之間，被電容Cl，C2平分，它們都充有上正下負電壓，此時，觸發Tl，T3，則流過感應爐的電流由兩部分組成。一是Cl的放電流:C1上端-T1、T3-L、R-C1下端，另一路是C2的充電電流:CF上端T1、T3_L、R_C ?下端。這兩路都是同一諧振電路的一部分，前者有Cl、L、R組成，后者由C2、L、R組成。由于C1=C2，因而兩電路工作頻率相同，等于由C=C1+C2、L、R組成電路的諧振頻率。當Cl放電結束，其上電壓為0，C2上充電電壓必定為UD，因為(^兩端電壓U D恒定，其值等于C1、C2上電壓之和。這時流過L、R的電流最大，在L中儲存的磁場能量作用下，維持上述兩路電流繼續流通，使Cl反向充電成下正上負，而C2則從Ud值繼續升高，直到磁場能量降至O。這時，Cl上反壓和C2上電壓都達到最大值，到此流過感應爐L的電流正好為半個正玄波。接著在電容電壓的作用下，形成兩路和前述兩路路徑基本相同(只是模塊中的續流二管代替Tl、T3流電流)、方向完全相反的電流，此電流仍按正玄規律變化，直到Cl又正向充電到1/2Ud，C2的電壓也恢復為1/2Ud，電流降至O，流過感應爐的電流正好為一正玄負半波。接著觸發T2、T4，即C2經L、R、T2、T4放電，Cl經L、R、T2、T4被充電，流過感應爐的電流同樣是由兩部分組成，其頻率等于L、R、C(=C1+C2)組成電路的諧振頻率。所以，流過感應爐的電流頻率必定相同。
[0025]上述工作過程，負載按電路固有振蕩半周期從電源獲取能量，另一半周期又將能量送回電源。因此，負載取得的功率很小，為使負載獲得最大功率，必須使觸發頻率接近電路的固有振蕩頻率。
[0026]串聯逆變是電壓型諧振，電源工作時，爐體線圈L上的壓降和電容C上的壓降量值相等而方向相反它們的值較電源電壓高3-5倍，而可控硅并聯諧振，感應圈上的電壓只有電源電壓的1.5倍左右，而線圈的損耗功率P=I2R,由于IGBT串聯諧振中是電壓高而電流小，可控硅并聯諧振是電壓低而電流大，所以，IGBT串聯諧振線路損耗小。
[0027]如附圖2所示，整流主電路包括電感TA、電感TB和電感TC，電感TA、電感TB和電感TC的一端接斷路器，電感TA的另一端分別接整流二極管D7的正極、電容C7的一端和二極管Dl的正極，電容C7的另一端經電阻Rl接整流二極管D7的負極，二極管Dl的負極經電阻Ra接整流二極管D7的負極，電感TA的另一端分別接二極管D4的負極和電容C4的一端，電容C4的另一端經電阻R4接二極管D4的正極；