IGBT電源技術說明

IGBT電源技術說明主要優(yōu)點：采用三回路振蕩電路，輸出效率高、性能穩(wěn)定、負載適應性強；微機控制調(diào)壓電源，輸出功率可平滑調(diào)節(jié)，并隨時檢測、顯示設備運行情況；設有三級過電流保護及水流保護等保護裝置。功率可以平滑調(diào)整，頻率可以分段調(diào)整。1、設備組成部分：感應加熱電源主要由主機柜、電容器柜、水電保護系統(tǒng)、淬火變壓器等部分組成。2、電源的主要技術參數(shù)振蕩功率：1200KW；振蕩頻率：5?20KHz；分段控制使用電源：三相380V(±10%)50Hz；直流電壓穩(wěn)定精度：±1％;3、電源的工作原理及主要電路的說明3.1、IGBT晶體管電源工作原理的說明本設備采用了大功率晶體管式(IGBT)振蕩器，將50Hz工頻電流變?yōu)??20KHZ的中頻/超音頻電流。工作原理感應加熱電源采用交——直——交變頻原理，三相50Hz輸入電壓經(jīng)過整流器成為脈動的直流電壓，再經(jīng)過濾波器成為平滑直流電壓，而逆變器則由于開關器件的開關作用將直流電壓變成不同頻率的交流電壓供負載使用。其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

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~L電壓電施-忖號日譜停加訶卡一-I電壓反留占應押”一|壓拄甌器_“g~pid.世墾示宀豆耳肌奚注』T7^LP~_詁值圖1超音頻感應加熱系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖圖中以Ud為中心分為整流電源和逆變振蕩兩部分，整流部分通過電流PI調(diào)節(jié)器和電壓PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)了電壓穩(wěn)定調(diào)節(jié)和電流限制調(diào)節(jié)，并有故障檢測及顯示。逆變振蕩部分利用單片機實現(xiàn)他激/自激轉(zhuǎn)換及產(chǎn)生逆變驅(qū)動信號。逆變器正常工作時，逆變觸發(fā)脈沖的控制信號取自負載槽路，工作于自激狀態(tài)，然而當逆變器尚未投入運行時，無法從槽路取得控制信號。此外，逆變器在起動以后，工作于自激狀態(tài)，均能適應實際負載。一般逆變器的起動采用兩種方法，一種為他激起動，其原理是先讓逆變觸發(fā)器發(fā)出頻率與負載振蕩回路的諧振頻率相近的脈沖，去觸發(fā)逆變橋功率元件，使負載回路逐漸建立起振蕩后，再由他激轉(zhuǎn)成自激工作。采用此法所需設備簡單，可大大降低裝置的造價。但是，必須預先知道負載的諧振頻率，并且在更換負載時，要重新校正起動頻率，使之和負載頻率相近。因此此法適用于負載穩(wěn)定的情況，而不適宜于負載變動大的場合。另一種起動方法為自激起動，其工作原理為預先給負載諧振回路中的貯能元件（電容器或電感）充上能量，然后在諧振電路中產(chǎn)生阻尼振蕩，從而使逆變器起動。此法線路復雜，起動設備較龐大，由于是從振蕩衰減中取得諧振頻率，因此對于品質(zhì)因數(shù)Q值較低的情況下，預充電的能量消耗太快，振蕩衰減太快，起動就很困難。為此我們設計了一種零壓起動限幅的他激轉(zhuǎn)自激的方案，切換電路框圖2。該方案的原理是將整流器直流輸出電壓從零開始逐漸升高到一定值，并輔之以他激方式觸發(fā)逆變器，當檢測槽路電壓電流信號達到某一值（閾值）時，表明槽路電壓已正常建立，取回的是自激頻率，這時，轉(zhuǎn)換成自激信號，頻率自動跟蹤系統(tǒng)工作，設備正常運行。如果檢測槽路電壓電流信號一直達不到所設定的閾值，則整流器的直流輸出電壓將一直限制在某一比較低的值，不會隨外部調(diào)節(jié)給定的增加而加大?？梢姡谶@種方式下，與自激起動法不同，負載回路不再需要預先用外加直流電源提供能量激起振蕩，而是直接由逆變器提供能量，當起動完成之后，逆變器輸入端直流電壓才會隨外部給定的增加而上升。當然，他激頻率不能是一成不變的，要隨負載的變化作相應改變，否則起動便不易成功。經(jīng)過多次實驗證明這種起動方式起動方便、成功率高，即使起動失敗由于電壓是從零逐漸升高且到一相對低的值，因此也不會引起大的沖擊電流，不會損壞元器件。圖2他激轉(zhuǎn)自激切換電路框圖IGBT驅(qū)動電路由于IGBT是電壓控制型器件，應用頻率高，功率大，而目前市場所購IGBT的容量有限，為此每個橋臂均采用了雙管并聯(lián)結(jié)構(gòu)。這樣就要求有較大的驅(qū)動功率，而目前市場上驅(qū)動芯片很難滿足要求。為此，我們專門設計了驅(qū)動電路，不僅滿足驅(qū)動基本要求，而且驅(qū)動頻率最高可達上百千赫茲。由于并聯(lián)逆變器實質(zhì)是電流型逆變器，為防止逆變橋開路引起過電壓，上、下橋臂功率模塊驅(qū)動信號需一重疊導通時間。我們將這一重疊時間設計在驅(qū)動電路中，并且重疊時間做成可調(diào)整方式，最大限度地解決了驅(qū)動信號時間補償問題。這樣也簡化了控制電路，大大提高了系統(tǒng)抗干擾能力。實驗證明驅(qū)動脈沖性能良好，保證了驅(qū)動信號的一致性，順利解決了驅(qū)動信號時間補償問題。圖3為驅(qū)動板重疊時間波形圖，圖4為驅(qū)動電路輸出的實驗波形。圖4驅(qū)動電路實驗波形3.2、晶體管電源的特點整機設備的特點整流側(cè)控制電路采用以MCS-51系列的89C51單片機為控制核心，構(gòu)成全數(shù)字觸發(fā)器，充分利用單片機的智能化功能，構(gòu)成功能齊全的保護措施，并且由于89C51單片機控制程序內(nèi)置，抗干擾能力大大提高。全數(shù)字觸發(fā)器確保脈沖等間距觸發(fā)，最大限度地降低了非特征諧波，減少了電網(wǎng)污染。采用直流電壓調(diào)節(jié)為外環(huán)，電流調(diào)節(jié)為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器，克服傳統(tǒng)比例控制方式輸出功率受電網(wǎng)電壓波動及負載變化影響，保證恒功率輸出，這對提高加熱效果，保證加熱一致性具有重要意義。另外從自動控制理論角度來說，采用什么物理量作為反饋就能自動穩(wěn)定該物理量，因此雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器對實現(xiàn)穩(wěn)壓、穩(wěn)流功能是唯一真正準確有效的方法，其他諸如比例調(diào)節(jié)器加限壓、限流措施都是不能比擬的。由于晶閘管屬于相控技術，電網(wǎng)電壓相序與觸發(fā)脈沖之間的同步問題是至關重要的。采用單片機技術成功地解決了自動認相功能，即對三相電源輸入線不需要任何調(diào)整，控制電路會自動認相，完成整流觸發(fā)功能。采用大板結(jié)構(gòu)，將控制電源和控制電路集中在一塊板上，大大簡化外部聯(lián)線，減少故障點，極大地便于維護。并且整流側(cè)與逆變側(cè)不共地，大大提高了抗干擾能力。所有故障保護措施均有微機檢測強制拉逆變控制和調(diào)節(jié)器封環(huán)拉逆變控制兩種方式。確保所有故障現(xiàn)象均能得到有效快速處理，不會由于其中一種保護措施失效而導致設備損壞。微機完成的自檢功能可以檢測電路的異?，F(xiàn)象并通過數(shù)碼管顯示，防止控制電路帶病工作，導致保護電路動作不準確，同時能完成水壓、他激/自激切換、自動/手動切換、加熱啟/停檢測、主回路上電檢測、快熔熔斷檢測、故障復位狀態(tài)檢測、過流保護、過壓保護等，相當于一臺PLC功能?？刂齐娐肪哂熊泦?、軟停止功能，防止在啟動/停止過程中電流電壓上升率太大，引起過壓和過流。調(diào)節(jié)器輸出的控制信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器后，由中斷信號完成讀取啟動轉(zhuǎn)換過程，因此最大調(diào)節(jié)延時時間為A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間（約80口S）,這種快速響應的能力與模擬調(diào)節(jié)的快速性非常接近。IGBT固態(tài)加熱電源逆變側(cè)控制技術特點充分發(fā)揮并聯(lián)型逆變器的優(yōu)點，具有優(yōu)良的頻率自動跟蹤能力，逆變器效率高。傳統(tǒng)的槽路電壓、電流取交角電路都是采用兩個電位器分別調(diào)節(jié)槽路電壓和槽路電流變換幅角大小，從而控制逆變觸發(fā)脈沖引前角大小，這種電路需要兩個電位器配合調(diào)節(jié)，需要經(jīng)驗且調(diào)節(jié)十分繁瑣，通過對該電路的深入分析和改進，大大簡化負載更換后引前角調(diào)節(jié)工作，只需調(diào)節(jié)一個電位器就能決定引前角大小，并且調(diào)節(jié)是線性單調(diào)遞增，極大地適應了現(xiàn)場調(diào)節(jié)。采用大板結(jié)構(gòu)，將控制電源和控制電路集中在一塊板上，大大簡化外部聯(lián)線，減少故障點，極大地便于維護。并且整流側(cè)與逆變側(cè)不共地，大大提高了抗干擾能力。自激信號取樣取消傳統(tǒng)的電壓比較器LM339,用速度更快、更靈敏的高速電壓比較器LM319代替（軍品），保證自激信號取樣的可靠性。他激/自激切換由電子開關完成，即減小傳統(tǒng)由外部開關控制導致弱電信號外引導致的干擾，又保證他激頻率穩(wěn)定和過壓保護可靠動作。逆變控制電路采用以MCS-51系列的89C51單片機為控制核心，完成他激/自激轉(zhuǎn)換、他激頻率修正、頻率顯示等逆變控制功能。逆變控制具有他激頻率自動跟蹤能力，在加熱過程中能控制他激頻率跟蹤自激頻率的變化，保證在停機過程中不會進入感性工作狀態(tài)，提高設備頻繁起動性能和可靠性。具有他激頻率和自激頻率顯示功能，頻率顯示精度為土50Hz，大大方便了調(diào)試和維修。IGBT驅(qū)動信號