專利名稱：鍍錫工藝中軟熔用大功率中頻加熱電源的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種加熱電源，具體地，涉及一種鍍錫工藝中軟熔用大功率中頻加熱電源。
背景技術：
鍍錫板是在冷軋低碳薄鋼板的兩面鍍上純錫層，其具有良好的強度成型性及耐蝕性，表面富有光澤，易著色印刷，并且錫鍍層無毒等優點，因而被廣泛用于食品工業制罐、制盒、制瓶蓋及各種容器、包裝材料上。目前雖有塑料、玻璃、紙板、鋁板等包裝材與之競爭，但鍍錫板一直保持一定的市場份額。高溫消毒裝罐食品(包括不充碳酸氣的水果汁和其它液態食品)和飲料(啤酒和充碳酸氣的軟飲料)仍然以鍍錫板包裝為主。當前，世界鍍錫板年產量約4000多萬噸，每年約占涂鍍層鋼板總產量14%，占世界鋼材總生產量的1. 1. 75%。世界上美國、日本是鍍錫板生產大國，我國在進人21 世紀后，鍍錫板產量逐年增加，2004年鍍錫板產量為136萬噸，已經成為世界第3生產大國。軟熔是鋼板鍍錫工藝中十分重要的一個環節，其實質就是對錫層通過加熱電源進行加熱(一般加熱功率在1000KW(即1MW)以上稱為大功率加熱電源)，使鋼體與錫層之間產生一層薄薄的合金層，增強錫層的附著能力，并形成光亮的表面。通過軟熔工藝，可以改善鍍錫板的表面形態，提高鍍錫板的焊接性能和耐腐蝕性。目前主要有以下幾種軟熔鍍錫技術，但這些現有技術的缺點也是明顯的，具體分析如下第一，電阻加熱技術電阻加熱就是通過導電輥在帶鋼兩端施加交流電壓，從而在帶鋼內部形成交流電流，利用帶鋼本身的電阻產生熱量，對錫層進行加熱，因此電氣設備的控制對象就是導電輥的電壓，通過可控硅調壓電路實現電壓的線性調節。電阻加熱設備原理如圖1所示， CP-3500H為機組控制PLC，經其計算出電壓給定值，通過數模轉換傳遞給電阻加熱控制板。 電阻加熱控制板對電壓實行閉環PI調節器控制，實際值來自于對主回路母排電壓的檢測， PI調節器的輸出信號控制觸發脈沖的相移，從而改變可控硅的觸發角以達到調節主回路電壓的目的，電阻加熱技術典型地采用兩套可控硅調壓電路并聯的結構。電阻加熱電源的費用比較便宜，加熱效率較高，能夠達到80%以上。該種電阻加熱方法與帶鋼的規格無關，控制簡單，并且電阻加熱設備結構比較簡單，但是其也有明顯的缺點容易因板厚變動而產生加熱不均，同時對導電輥與帶鋼的接觸面要求十分嚴格，否則容易產生木紋、燒點等質量缺陷。另外，如果電壓控制不當，容易引起欠軟熔、過燒，甚至燒斷斷帶，木紋、燒點等缺陷多。例如，參見圖3，生產低鍍錫量鍍錫板時，由于軟熔后形成的錫鐵合金層厚度不均勻，并且由于是低鍍錫量鍍錫板，上方所電鍍的純錫層a又不足夠厚，不能完全遮蓋住這種凹凸不平的界面。因此，經過光的折射，從外觀反映上看就變成了明暗相間的條紋，稱之為木紋。由于電阻軟熔加熱速度慢，而且由于鋼帶c通入的是交流電，于是在每個電流周波中出現了兩次電流為零的狀態，因而產生的熱量不足，錫不能充分熔融，流動性變差，使得局部地區堆積，從而造成錫鐵合金層的厚度不均勻，這產生木紋缺陷。[0008]第二，感應加熱技術感應加熱就是在線圈中通以一定頻率的交流電，當帶鋼在線圈內運行時，通過電磁感應的作用，在帶鋼上產生感應電流(渦流)。一般而言，中頻感應加熱電源的頻率范圍為IKHZ至20KHZ左右，其典型值是8KHZ左右。由于交流電流有集膚效應，因此感應電流集中在帶鋼表面，使帶鋼表面的錫層發熱最大。感應加熱電源設備的電氣原理例如參見圖2， IOkV的三相交流電經過變壓器轉換成225V的交流電，經過三相二極管全波整流，然后由 8組并聯的MOSFET (金氧半場效晶體管)逆變回路逆變成0 360V、80 150kHz的電，再經變壓器提高電壓等級后提供給由感應線圈與電容組構成的頻率為IOOHz的LC振蕩回路。 感應加熱電源設備由一臺單獨的PLC進行控制，其接受來自機組PLC的功率給定值，然后傳遞至變頻控制板，通過改變觸發脈沖角度來改變MOSFET變頻回路的輸出電壓，從而改變輸出功率。感應加熱的主回路電壓和電流通過變頻控制板反饋至PLC，計算出實際功率值后上傳至機組PLC，參與相應的控制和顯示。感應加熱的優點是熔錫的距離比較短，可以在很短的距離內大幅度地升高帶鋼溫度，這對于控制錫層熔化的位置是十分有意的，并且由于與帶鋼不接觸，不會直接造成帶鋼表面的質量缺陷。但是感應加熱的缺點是費用較高，加熱效率較低，約為45%，一般無法單獨使用。第三，電阻加熱與感應加熱的配合控制技術該方式增加了感應加熱設備后，帶鋼軟熔需要的熱量就由感應加熱設備和電阻加熱設備共同提供。感應軟熔設備按不同的控制方式提供相應的熱量后，余下的熱量由電阻軟熔提供。通過電阻加熱與感應加熱的配合控制，在將設備費用控制在合理范圍內的基礎上，一方面降低了電阻加熱的電壓，極大減少了過燒、燒點等質量缺陷，另一方面通過精確控制錫熔化(軟熔線)的位置，顯著提高了錫層質量；同時，軟熔能力得到大幅度的提高，解決了因軟熔能力對機組速度的限制問題。但是上述三類軟熔加熱方式，均會帶來較為顯著的電能質量問題，比如電阻加熱方式中的晶閘管整流調壓裝置造成的諧波問題，以及感應加熱由于采用單相交流供電時的不對稱負序問題等。鑒于現有技術的上述缺陷，需要提供一種新型的鍍錫工藝中軟熔用加熱電源。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種新型的鍍錫工藝中軟熔用大功率中頻加熱電源，以克服現有技術的上述缺陷，該大功率中頻加熱電源不僅鍍錫質量好，而且能夠顯著改善加熱電源的電能質量。上述目的通過如下技術方案實現鍍錫工藝中軟熔用大功率中頻加熱電源，包括相互配套的輸入輸出柜、變壓器柜、功率柜以及控制柜，其中，所述輸入輸出柜中裝有進線開關和出線開關，所述變壓器柜中裝有移相多繞組整流變壓器和降壓變壓器，所述功率柜中裝有多個功率單元，所述控制柜中裝有控制器，所述控制器通過控制線分別連接于所述進線開關、出線開關、移相多繞組整流變壓器和所述多個功率單元，每個所述功率單元包括輸入側的二極管三相全波整流橋、穩壓電容以及輸出側的IGBT逆變橋，所述二極管三相全波整流橋、穩壓電容和IGBT逆變橋相互并聯，所述移相多繞組整流變壓器電連接于各個所述功率單元的輸入側，并且各個所述功率單元的輸出側依次串聯，并電連接于所述降壓變壓器。優選地，所述控制器包括32位DSP處理器和32位ARM處理器。優選地，個所述功率單元的輸出側還分別連接有旁路單元，該旁路單元包括依次串聯的兩個二極管，該兩個二極管并聯有依次串聯的另兩個二極管，該另兩個二極管并聯有單向晶閘管。通過本實用新型的上述技術方案，本實用新型的大功率中頻加熱電源突破了關鍵技術，提高軟熔鍍錫工藝的整體技術水平，本項目采用功率單元串聯多電平結構，生成低壓大功率電源(例如200Hz/200V)，直接加熱鋼帶，將電阻加熱和感應加熱的優點相結合，既有電阻加熱的較高加熱效率，同時又是一定頻率(例如200Hz)的交流電，不會有工頻加熱時產生的木紋問題等等。此外，電源輸入采用移相多繞組整流變壓器，具有較高的功率因數以及很低的諧波含量，并且三相供電對稱，無顯著的電能質量問題，無需電能質量問題的治理和補償裝置。本項目屬于智能型完美無諧波中頻電源，在加熱全過程中無廢氣、廢液、廢渣排放以及無對電網電能質量的污染。本實用新型的大功率加熱電源不會對環境產生任何地影響，使得軟熔鍍錫生產線其噪聲、能耗和安全將達到國際先進水平，將為用戶提供理想的環保新產品。
圖1為現有技術的鍍錫工藝中軟熔用電阻加熱電源設備的電路原理圖；圖2為現有技術的鍍錫工藝中軟熔用感應加熱電源設備的電路原理圖；圖3為采用電阻加熱方法因鐵錫合金層不均勻而產生木紋現象的示意圖；圖4為本實用新型具體實施方式
的鍍錫工藝中軟熔用大功率中頻加熱電源的柜體結構的示意圖；圖5為本實用新型具體實施方式
的鍍錫工藝中軟熔用大功率中頻加熱電源的系統原理圖；圖6為本本實用新型具體實施方式
的鍍錫工藝中軟熔用大功率中頻加熱電源的電路原理圖；圖7為本實用新型優選方式的功率單元的電路圖，其中帶有旁路單元。圖中1輸入輸出柜；2變壓器柜；3功率柜；4控制柜具體實施方式
以下結合附圖描述本實用新型鍍錫工藝中軟熔用大功率中頻加熱電源的具體實施方式
。參見圖4所示，本實用新型的大功率中頻加熱電源包括相互配套的輸入輸出柜1、 變壓器柜2、功率柜3以及控制柜4，其中，所述輸入輸出柜1中裝有進線開關和出線開關， 所述變壓器柜2中裝有移相多繞組整流變壓器Tl (圖5中簡稱移相變壓器)和降壓變壓器 T2，所述功率柜3中裝有多個功率單元Al A7、B1 B7、C1 C7，所述控制柜4中裝有控制器，所述控制器通過控制線分別連接于所述進線開關、出線開關、移相多繞組整流變壓器 Tl和所述多個功率單元，每個所述功率單元包括輸入側的二極管三相全波整流橋、穩壓電容Ca，Cb以及輸出側的IGBT逆變橋，所述二極管三相全波整流橋、穩壓電容Ca，Cb和IGBT逆變橋相互并聯，所述移相多繞組整流變壓器Tl電連接于各個所述功率單元的輸入側并且各個所述功率單元的輸出側依次串聯，并電連接于所述降壓變壓器T2。以下參照附圖更具體地描述本實用新型的大功率中頻加熱電源的結構與原理參見圖5至圖7，本實用新型的大功率中頻加熱電源采用功率單元串聯多電平結構，生成例如200Hz/200V低壓大功率電源，直接加熱鋼帶，將電阻加熱和感應加熱的優點相結合，既有電阻加熱的較高加熱效率，同時又是例如200Hz交流電，因此不會有工頻加熱時產生的木紋問題等。此外，電源輸入采用移相多繞組變壓器Tl，具有較高的功率因數以及很低的諧波含量，并且三相供電對稱，無顯著的電能質量問題，無需投運電能質量問題的治理和補償裝置。所述大功率中頻加熱電源采用單元串聯多電平技術，其主要包括移相多繞組整流變壓器Tl、功率單元Al A7、Bl B7、Cl C7、降壓變壓器T2和控制器。輸入側由移相多繞組整流變壓器Tl給每個功率單元供電，移相多繞組整流變壓器Tl的結構是公知的，例如可以參見圖6中的左側所示。根據電壓等級和模塊串聯級數，移相多繞組整流變壓器Tl 可以由36、42和48脈沖系列等構成多級相疊加的整流方式，從而可以大大改善網側的電流波形，使得網側電壓電流諧波指標滿足IEEE519-1992和GB/T14M9-93的要求，使其負載下的網側功率因數接近1，無需任何功率因數補償、諧波抑制裝置。由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，類似常規低壓變頻器，便于采用現有的成熟技術。每個功率單元Al A7、B1 B7、C1 C7為基本的交-直-交單相逆變電路，三相交流電a、b、c電連接到輸入側的二極管三相全波整流橋，直流側的穩壓電容Ca，Cb具有穩壓、濾紋波和儲能的作用，通過對輸出側的IGBT逆變橋(IGBT即絕緣柵雙極型晶體管) 進行正弦PWM控制(PWM即脈沖寬度調制)，可得到單相交流輸出。每個功率單元結構及電氣性能上完全一致，可以互換。所述功率單元的作用是將經由移相多繞組整流變壓器Tl輸出的交流電(例如 740V/50HZ交流電)變換至工況所需電壓和頻率的交流電。輸出側由每個單元的U、V輸出端子相互串接成單相電源并經降壓變壓器T2降壓至220V單相交流電，給軟熔生產線供電，通過對每個單元的PWM波形進行載波移相重組，可得到接近于正弦多電平PWM波形。這種波形正弦度好，du/dt小，對電纜和電機的絕緣無損壞，無須輸出濾波器，就可以延長輸出電纜長度，可直接變壓器和生產線。優選地，每個功率單元的輸出側還可以連接有旁路單元，參見圖7所示，該旁路單元包括依次串聯的兩個二極管，該兩個二極管并聯有依次串聯的另兩個二極管，該另兩個二極管并聯有單向晶閘管， 該單向晶閘管的控制級可以連接于控制器。當某一個功率單元出現故障時，通過控制旁路單元使輸出端子短路，可將此單元旁路退出系統，變亞器可降額機械運行；由此可避免很多場合下停機造成的損失。優選地，所述控制器可以采用先進的32位DSP處理器(即數字信號處理器)和32 位ARM處理器(即一種公知類型的處理器)，基于上述處理器的控制平臺能夠完成各種算法的快速運行，其可以采用n+3的冗余技術以提高設備整體運行的可靠性；利用基于故障樹的故障檢測技術來準確判斷設備故障的位置、嚴重程度并給出是否適合于繼續運行的決策；采用基于網絡的實時監控技術，通過網絡來監控設備的各種運行狀態和數據通過統一管理平臺來對其進行管理；為了提高設備連續續工作時問，采用裝置熱備用及功率單元插拔技術來增加設備的可維護性和可靠性。以下參照附圖描述本實用新型的大功率中頻加熱電源的工作過程。具體地，如圖5和圖6所示，將典型為IOkV的工業用電通過移相多繞組整流變壓器Tl降壓至多個例如740V的三相交流電，并相互隔離；多個功率單元Al A7、Bl B7、 Cl C7將上述三相交流電進行AC-DC-AC (即交流-直流-交流)變換，并將各個所述功率單元出口串聯至IOkV左右的高壓電；再通過降壓變壓器T2將其降至單相220V交流電，以用于軟熔鍍錫工況。由上描述可見，本實用新型的大功率中頻加熱電源結合了電阻加熱和感應加熱的優點，加熱效率效率，又不會產生因為工頻50Hz交流電導致的鍍錫木紋質量問題。也就是說，本實用新型的大功率中頻加熱電源突破了關鍵技術，提高軟熔鍍錫工藝的整體技術水平，其采用功率單元串聯多電平結構，生成低壓大功率電源(例如200Hz/200V)，直接加熱鋼帶，將電阻加熱和感應加熱的優點相結合，既有電阻加熱的較高加熱效率，同時又是一定頻率(例如200Hz)的交流電，不會有工頻加熱時產生的木紋問題等等。此外，電源輸入采用移相多繞組整流變壓器，具有較高的功率因數以及很低的諧波含量，并且三相供電對稱， 無顯著的電能質量問題，無需電能質量問題的治理和補償裝置。本項目屬于智能型完美無諧波中頻電源，在加熱全過程中無廢氣、廢液、廢渣排放以及無對電網電能質量的污染。本實用新型的大功率加熱電源不會對環境產生任何地影響，使得軟熔鍍錫生產線其噪聲、能耗和安全將達到國際先進水平，將為用戶提供理想的環保新產品。在上述具體實施方式
中所描述的各個具體技術特征，可以通過任何合適的方式進行任意組合，其同樣落入本實用新型所公開的范圍之內。同時，本實用新型的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本實用新型的思想，其同樣應當視為本實用新型所公開的內容。此外，本實用新型并不限于上述實施方式中的具體細節，在本實用新型的技術構思范圍內，可以對本實用新型的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本實用新型的保護范圍。本實用新型的保護范圍由權利要求限定。
權利要求1.鍍錫工藝中軟熔用大功率中頻加熱電源，包括相互配套的輸入輸出柜(1)、變壓器柜O)、功率柜(3)以及控制柜G)，其特征是，所述輸入輸出柜(1)中裝有進線開關和出線開關，所述變壓器柜O)中裝有移相多繞組整流變壓器(Tl)和降壓變壓器(T2)，所述功率柜(3)中裝有多個功率單元(Al A7、Bl B7、Cl C7)，所述控制柜中裝有控制器，所述控制器通過控制線分別連接于所述進線開關、出線開關、移相多繞組整流變壓器 (Tl)和所述多個功率單元，每個所述功率單元包括輸入側的二極管三相全波整流橋、穩壓電容(Ca，Cb)以及輸出側的IGBT逆變橋，所述二極管三相全波整流橋、穩壓電容(Ca，Cb) 和IGBT逆變橋相互并聯，所述移相多繞組整流變壓器(Tl)電連接于各個所述功率單元的輸入側，并且各個所述功率單元的輸出側依次串聯，并電連接于所述降壓變壓器(T2)。
2.根據權利要求1所述的鍍錫工藝中軟熔用大功率中頻加熱電源，其特征是，所述控制器包括32位DSP處理器和32位ARM處理器。
3.根據權利要求1所述的鍍錫工藝中軟熔用大功率中頻加熱電源，其特征是，各個所述功率單元的輸出側還分別連接有旁路單元，該旁路單元包括依次串聯的兩個二極管，該兩個二極管并聯有依次串聯的另兩個二極管，該另兩個二極管并聯有單向晶閘管。
專利摘要鍍錫工藝中軟熔用大功率中頻加熱電源，包括進線開關、出線開關、移相多繞組整流變壓器、降壓變壓器、多個功率單元、控制器，控制器通過控制線連接于進線開關、出線開關、移相多繞組整流變壓器和多個功率單元，每個功率單元包括二極管三相全波整流橋、穩壓電容和IGBT逆變橋，移相多繞組整流變壓器電連接于各個功率單元的輸入側，并且各功率單元的輸出側依次串聯并連接于降壓變壓器。本實用新型將電阻加熱和感應加熱的優點相結合，既有電阻加熱的較高加熱效率，同時又是一定頻率的交流電，不會產生木紋問題等。此外，電源輸入采用移相多繞組整流變壓器，具有較高的功率因數以及很低的諧波含量，并且三相供電對稱，無顯著的電能質量問題。
文檔編號H05B6/06GK202005001SQ20102069805
公開日2011年10月5日 申請日期2010年12月28日 優先權日2010年12月28日
發明者戴明生, 楊振宇, 許勝 申請人:揚州博爾特電氣技術有限公司