CN101658066B - 用于电感应加热、熔化和搅拌的具有脉冲调节器的电流反馈逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明提供电流反馈逆变器，调节给逆变器的输入的直流电流的占空比以增大逆变器输出功率量同时使谐振负载在谐振频率运行。使调节器工作循环周期与逆变器输出电流的周期同步，使得对于逆变器的每一单一输出电流周期有两个调节器周期。占空比调节可通过调节器周期中的单一脉冲或调节器周期中的一系列脉冲实现。比满占空比时可获得的输出功率大的输出功率量可通过使逆变器在非谐振条件下运行而实现。多个电流反馈逆变器可连接到坩锅周围的各个线圈段及针对加热或熔化模式或搅拌模式有选择地互连。

Description

用于电感应加热、熔化和搅拌的具有脉冲调节器的电流反馈逆变器

技术领域

本发明涉及具有电流反馈逆变器的电源及前述逆变器的调节，及将前述电源用于电感应加热、熔化和搅拌应用。

背景技术

图1示出了连接到RLC谐振负载的典型电流反馈逆变器116。例如，谐振负载可以是与电阻元件R串联的感应线圈L_coil，连同工业电感应熔炉或加热设备使用，其表示当交流电流流过感应线圈及与感应线圈和电阻元件并联连接的振荡回路(谐振)电容器C_tank时磁耦合的工作负载(例如，熔炉中的金属或放在感应线圈中的金属齿轮)。典型的逆变器图示为具有开关器件S₁-S₄的H形桥，在交流电半周期期间通过开关对S₁和S₄及S₂和S₃依次向谐振负载提供电流。调节后的直流电流通过平滑电感器或扼流圈L_choke反馈给逆变器，电流自适当的源提供。在图1中，由硅控整流器SCR₁-SCR₆或其它类型的相控电开关形成的三相全波变压整流器112用于提供直流电流。整流器的输入来自适当的交流源，如50或60Hz三相公用事业电源(在图中指示为A、B和C)。

图2图示了图1中所示的逆变器的性能特征。参数为随频率而变的逆变器输出电流量I_out(INV)(安培)；随频率而变的逆变器输出功率量P_out(INV)(千瓦特)；随频率而变的逆变器输出电压量V_out(INV)(伏特)；最大直流电流I_max(安培)；最大逆变器输出功率P_max(千瓦特)；及最大逆变器输出电压V_max(伏特)。

额定(最大)工作条件由工作线路L₂标识的曲线的交叉点确定。谐振工作条件由工作线路L₁确定的逆变器输出电压、电流和功率的最小值确定。跨谐振负载的逆变器输出电压可表示为下面的公式：

其中V_inv为逆变器的输出电压，V_dc为所提供的直流电压，及φ为逆变器输出电流和电压之间的相移。

逆变器的输出功率(P_inv)与逆变器电压的平方成正比：

$P_{\mathrm{inv}}\≈V_{\mathrm{inv}}^2$

因此，为增大功率，谐振负载将按非谐振运行，随着功率水平增加，降低效率也增加。为将逆变器输出功率降低到低于谐振时的水平，整流器的直流输出通过整流器开关的相位控制进行降低。

本发明的目标之一在于通过不同于输入整流器的相位控制的手段实现电流反馈逆变器的功率控制同时保持负载谐振。本发明的另一目标是使逆变器中使用的电抗元件的大小最小化。

本发明的另一目标是实现放在感应熔炉内的导电材料如熔融金属浆均匀混合。

本发明的另一目标在于使熔浆暴露于周围环境的表面区域最大，尤其在环境实质上为真空时，以通过调节形成表面区域的凸起弯月面促进除气。

发明内容

一方面，本发明为通过调节逆变器输入直流电流的占空比对电流反馈逆变器的输出功率量进行控制的装置和方法，其中使调节器的工作循环的周期与逆变器输出电流的周期同步，使得对于逆变器的每一单一输出电流周期有两个调节器周期。占空比调节可通过调节器周期中的单一脉冲或调节器周期中的一系列脉冲实现。比满占空比(1)时可获得的输出功率大的输出功率量可通过使逆变器在非谐振条件下运行而实现。

本发明的上述及其它方面将在本说明书及所附权利要求中提出。

附图说明

当结合附图阅读前面的概述及下面的详细描述时可更好地理解本发明。为说明本发明的目的，在附图中示出了本发明的目前优选的示例形式；然而，本发明不限于下述附图中公开的具体配置和手段：

图1为典型电流反馈电源的简化示意图。

图2为图1中所示电源的典型工作参数图。

图3为电源的一个例子的简化示意图，其中本发明的电流反馈逆变器连接到谐振负载。

图4为本发明电源的另一例子的简化示意图，其中多个电流反馈逆变器中的每一逆变器连接到不同的谐振负载及连接到单一整流器，每一电流反馈逆变器单独进行调节。

图5为本发明电源的另一例子的简化示意图，其中多个电流反馈逆变器中的每一逆变器连接到不同的谐振负载及连接到单一整流器，多个电流反馈逆变器由公共调节器进行调节。

图6(a)和图6(b)图示了对于本发明电流反馈逆变器电源的一个例子的单脉冲和多脉冲调节器性能。

图7(a)和图7(b)图示了在本发明电流反馈逆变器的一个例子的占空比为1/谐振和占空比为1/非谐振时的参数。

图8为具有本发明电流反馈逆变器的电源的另一例子的简化示意图。

图9(a)和图9(b)为使用图8中所示电源的电感应加热、熔化和搅拌方案的图解。

图10(a)和图10(b)为使用图8中所示电源的电感应加热、熔化和搅拌方案的简化示意性图示。

图10(c)为图9(a)、图9(b)、图10(a)和图10(b)所示方案中使用的二极管桥开关的一个例子。

图11(a)为本发明用于电感应搅拌的一个方案的图示。

图11(b)为本发明的一个例子的图示，其中对坩锅中的熔融金属材料的凸起弯月面进行调节。

图12(a)和图12(b)分别示出了绕线圈和反绕线圈结构的典型指示约定。

具体实施方式

本发明电源的一个例子10如图3中所示。电源包括三个有源部分即整流器12、功率调节器14和电流逆变器16。可选的间谐波减少元件，在图3中示为无源电感器(扼流圈)L_ihr，将整流器的直流输出连接到功率调节器。储能元件，在图1中示为无源电感器(扼流圈)L_i，将功率调节器的输出连接到逆变器的输入。

三相整流器12的输入来自适当的交流源，如50或60Hz公用事业电源(在图中指示为线路A、B和C)。整流器12包括全波相控整流器，该全波相控整流器包括六个开关器件，如该非限制性例子中的硅控整流器SCR₁-SCR₆。在本发明的其它例子中，整流器可属于半波相控设计或其它适当的类型。如下面进一步描述的，除电源平稳启动之外整流器运行为恒电压整流器以防止调节器的储能器件初始过充电，该储能器件在图3中由电容性元件C₀表示。

逆变器16包括四个开关器件，在该非限制性例子中构造为H形桥。每一开关器件象征性地图示为与二极管串联的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，尽管在本发明的其它例子中可使用其它类型的开关器件和桥构型。通常，在稳态运行时，逆变器开关对S₁和S₄导通电半周期(即正半周期)，逆变器开关对S₂和S₃导通下一电半周期(即负半周期)，以将交流电流传给谐振负载电路，该电路可包括与电阻元件R串联的电感应熔炉或加热线圈(由感应元件L_coil图示)，电阻元件R通常表示被熔化或加热的磁耦合负载的阻抗；该电路还包括与L_coil和R的串联组合并联连接的振荡回路(谐振)电容器C_tank以形成“RLC”谐振负载。随着谐振负载阻抗变化，逆变器16的输出频率通过控制器18进行调节以保持逆变器在谐振或接近谐振状态运行从而通过逆变器的开关器件的选通控制使传给谐振负载电路的功率最大。

控制器18控制逆变器的开关器件和调节器开关器件S₀的持续时间和频率，其也被象征性地图示为IGBT，但可以是任何其它适当类型的开关器件。在本发明的电源中，调节器14通过控制器18与逆变器的输出频率同步，使得调节器14的周期(调节器周期)保持在逆变器16的交流输出频率的周期的一半。通常，对于与用于电加热导电材料的工业电感应熔炉或感应加热线圈的使用有关的应用，逆变器16将大约在100Hz到1000Hz的频率范围运行。因此，调节器14将以大约在5ms(1/100Hz)到0.5ms(1/1000Hz)范围的周期运行。

在调节器14在逆变器16的周期的一半运行的同时，在稳态运行时，调节器14在调节器周期内以可变占空比运行。例如，调节器开关S₀可仅在调节器周期的80％导通(0.8占空比)，在该时间期间，调节器储能器件(在该非限制性例子中由储能电感器(扼流圈)L_i表示)从电容性元件C₀充电，电容性元件C₀由整流后的公用事业功率持续充电。在调节器周期期间，当S₀不导通时(开关器件S₀断开)，电流由扼流圈L_i中储存的能量提供给逆变器。输出功率量由开关S₀的占空比控制；也就是说，开关S₀处于开或导通状态的时间段与开关处于关或非导通状态的时间段的比。随着占空比降低，从扼流圈L_i提供的直流逆变器输入电流的交流电流纹波分量增加；因此，如果在每一调节器周期中使用单一调节器脉冲，扼流圈L_i必须设计为具有大的电感值的高存储容量扼流圈，因而具有大物理尺寸。为使扼流圈的尺寸最小，在本发明的一些例子中，在较低的占空比时，在调节器周期中提供多个开/关调节器脉冲。

在低占空比时流过调节器开关S₀的电流量大大低于在高占空比时流过调节器开关S₀的电流量。因此，开关S₀中的通断损耗在低占空比时将较低。在本发明中，在低占空比时通断损耗较低通过在调节器的调节周期内在多个开/关脉冲中向逆变器提供电流进行利用以提供与用单一低占空比脉冲提供的电流纹波一样的电流纹波量。该方案使能大大降低所需要的扼流圈L_i电额定值，因为在低占空比时更频繁的脉冲要求扼流圈L_i中的储能容量大大减少，这是因为当开关器件S₀不导通较短时间间隔时所储存的能量将是逆变器的电流源。适当的但非限制性的控制算法如下：

$N=\frac{W_{\max }-W_{\mathrm{cond}}}{W_{\mathrm{sw}}}$

其中N等于调节器周期中允许的调节器脉冲的数量；

W_max等于所选调节器开关S₀的规定最大允许功率耗散；

W_cond等于所选调节器开关S₀的规定传导损耗；及

W_sw等于在调节器周期中单一调节器开/关占空比脉冲时计算的通断损耗。

因此，例如，对于在要求0.3的单一调节器开/关占空比的谐振时所希望的逆变器输出功率量，对0.3占空比时的开关S₀电流计算W_sw，及0.3占空比时的最大N使用所选开关S₀的规定W_max和W_cond从上述等式进行计算。

作为图解但非限制，图6(a)和图6(b)图示了单脉冲对多脉冲调节，例如在0.3占空比时。在两个图中，t_inv表示逆变器的输出频率的周期，及t_reg表示调节器的周期，其为逆变器输出频率的周期的一半。在图6(a)中，如上所述，在每一调节器周期t_reg中单一调节器脉冲并非首选；如图6(b)中的调节器脉冲所示，多个调节器脉冲为首选。调节器周期中的脉冲数量将随应用中使用的特定调节器开关所要求的逆变器电流和开关损耗的范围改变。为清晰起见，在图6(b)中使用五个规则脉冲。通常，每调节器周期的脉冲数量在从小于1到大于0的占空比范围中可在2到几百之间变化。

如果需要比占空比为1.0的谐振时更多的逆变器输出功率，可通过增加逆变器的输出频率提供另外的输出功率，这将提供更多的功率但不处于谐振。图7(a)和图7(b)分别图示了当可提供更大的逆变器输出功率时占空比为1/谐振和占空比为1/非谐振情形的逆变器参数。图7(a)示出了逆变器谐振输出功率量P₂，其大于功率量P₁，占空比等于1.0并谐振。图7(b)示出了逆变器非谐振输出功率量P₃，其大于功率量P₂，占空比等于1.0及相移

在逆变器的输出电流和电压之间。

对于非真空电感应熔炉应用，具有本发明电流反馈逆变器的电源的组件通常为非谐振功率范围中的最大功率输出进行充分设定；对于真空电感应熔炉应用，具有本发明电流反馈逆变器的电源的组件通常为谐振、占空比为1情形时的最大功率进行充分设定。

在具有本发明电流反馈逆变器的电源的另一例子中，如图4中所示，多个逆变器16和16’可从单一整流器12和储能器件(电容器)C₀供电，电容器C₀连接到整流器的输出，其中每一逆变器具有专用调节器开关(S₀和S₀’)及二极管(D₀和D₀’)。在该方案中，功率在多个谐振负载LOAD1和LOAD2之间的受控、按比例分配可通过逆变器16和16’的各个脉冲调节实现，如上所述，逆变器16和16’承受整流器12的额定值建立的最大总功率输出。在图4中示出两个逆变器/负载电路的同时，可使用任何数量的逆变器/负载电路。

在具有本发明电流反馈逆变器的电源的另一例子中，如图5中所示，多个逆变器16和16’可从单一调节器14有选择地供电，调节器14连接到在全波输出运行的整流器的输出，其中每一逆变器服务于专用谐振负载LOAD1和LOAD2。在开关S₁、S₃、S₁’和S₄’导通及开关S₂、S₄、S₂’和S₃’不导通时，电流提供给LOAD2但不提供给LOAD1，例如持续电半周期；同时，在下一电半周期，开关S₂、S₄、S₂’和S₃’导通及开关S₁、S₃、S₁’和S₄’不导通以继续向LOAD2提供电流。

在通断方案在上面总体上针对感应加热和熔化进行描述的同时，在本发明的其它例子中，当用作感应熔炉应用中的逆变器时，通断方案可用于影响感应搅拌模式。这样的应用在图8、图9(a)和图9(b)中所示的非限制性例子中图解。图8为用于向三个感应线圈即下部线圈22a、中部线圈22b和上部线圈22c中的每一线圈提供功率的交流电源20a、20b和20c的一个例子，前述三个线圈包围坩锅90。振荡回路电容器C_T1、C_T2和C_T3提供在每一电源的输出处。每一电容器可具有不同的电容值。电阻元件R₁、R₂和R₃代表每一线圈段包围的坩锅90中所加热、熔化或搅拌的磁耦合负载的电阻。开关SW₁和SW₂用于在这些开关在图9(a)中所示的熔化模式下闭合时平衡线圈电流。随着SW₁和SW₂闭合，所建立的磁通方向如典型磁通线94所示。该方案的一个优点在于每一开关可具有大约为坩锅的整个电流(功率)额定值的10％的连续电流额定值，因为熔炉的感应线圈段的阻抗值类似，线圈之间的典型偏差小于10％。开关SW₁和SW₂可以是机械或电气类型开关。开关SW₁和SW₂可结合为一个适当安排的通断器件。典型但非限制性的电子开关在图10(c)中示为二极管桥SCR开关。线圈段之间的电流相当低，这支持电子通断器件应用。对于上述工作条件，感应电磁搅拌模式可由图9(a)中的示例性流线92a表示，其为双涡环，或在坩锅的下半和上半部分中具有单独涡环的环形涡流图案。

更一般地，图9(a)和图9(b)中的每一线圈可形成为具有第一或“开始”端和第二或“结束”端。例如，在图12(a)中，如果感应线圈70表示绕向(在坩锅90周围右向左上升)感应线圈，及在图12(b)中感应线圈72表示反绕(在坩锅90周围左向右上升)向感应线圈，每一线圈的开始和结束端可按图中所示进行指示。或者，如图9(a)和图9(b)中所示，感应线圈22a、22b和22c的开始端可用图中所示的“圈星”符号指示，例如在本发明的该非限制性例子中，表明线圈22a和22c为绕向，及线圈22b为反绕向，反之亦然。使用该约定，所有三个感应线圈的开始端仅在开关SW₁和SW₂闭合时有选择地连接在一起，而所有三个感应线圈的结束端总是共同连接在一起。在本发明的其它例子中，可使用三个以上感应线圈，所有感应线圈的开始端通过一个或多个通断器件有选择地连接在一起，及所有感应线圈的结束端总是共同连接在一起，反之亦然。

在搅拌模式下，三个电源中的任何两个可设定为静态，该两个电源的输出为零，使得与每一静态电源相关联的振荡回路电容器、电阻和线圈段形成并联RLC电路。在搅拌模式下，SW₁和SW₂均断开。在图9(b)和图10(b)中，电源20a选择为现用电源，及电源20b和20c处于关或静态(在图中这两个电源用虚线标明)。因此，来自电源20a的流过线圈22a的输出电流产生由典型磁通线98a表示的磁场。该磁场与线圈22b、电阻R₂和电容器C_T2形成的RLC电路耦合(由“M”图示)，进而导致感应电流流过线圈22b，这产生由典型磁通线98b表示的次级磁场。次级磁场与线圈22c、电阻R₃和电容器C_T3形成的RLC电路耦合，进而导致感应电流流过线圈22c，这产生由典型磁通线98c表示的次级磁场。这些磁场的组合将在坩锅中的熔融导电材料中感应如图9(b)中所示的电磁流图案。感应的电磁搅拌模式可由图9(b)中的示例性流线92b表示以在坩锅中产生单一涡环流图，在涡环的极向(圆)轴Z周围向下流的图案，或反时针方向极向旋转。当向熔化物添加另外的炉料如金属屑94时，如图11(a)中所示，该搅拌方案特别有用，使得所添加的炉料被快速吸入熔化物中。极向旋转可通过启动电源20c和停用电源20a及20b而反转为顺时针方向。在本发明的一些例子中，使上部电源20c的输出功率电平交替或改变方向可用于搅动(调节)凸起弯月面80的高度以将更大的熔化金属表面区域暴露给周围大气，其中凸起弯月面形成熔化金属液的表面，例如图11(b)中所示的弯月面80-80a。当应用为真空熔炉及周围大气为真空时这属于特殊值。增大暴露给表面上方的真空的熔化金属表面区域，则增加除气的效率。

图9(a)和图9(b)中所示的本发明的例子可用在真空及非真空感应熔炉应用中，及用于批料工艺，其中坩锅初始用固态和/或半固态导电材料填充；或用在留料(heel)工艺，其中导电固态或半固态炉料逐步添加到坩锅底部的现有留料。通常，熔化和加热模式(图9(a)和图10(a))用于初始熔化坩锅中的所有导电材料。之后，例如，搅拌模式(图9(b)和图10(b))用于增强熔化液的传导加热；和/或通过循环熔化液除去熔化液中的气体，使得熔化液的表面持续改变以促进气体从熔化物传到周围大气或真空；和/或通过将添加到熔化液中的另外的炉料吸入图9(b)中Z轴标识的向下的中心旋涡而有助于溶解这些炉料。

尽管在本发明的上面例子中示出三个感应线圈段，但在本发明的其它例子中可使用其它数量的线圈段。

提供以上本发明实施例是为了说明的目的，绝不应视为限制本发明。在参考不同实施例描述本发明的同时，在此使用的词句是描述和说明性的词句，而不是限制性的词句。虽然已经结合具体装置、材料和实施例描述了本发明，但本发明不受在此公开的具体细节的限制，本发明延伸到权利要求范围内的所有功能等效的结构、方法和用途。受益于本说明书的教示的本领域技术人员可以实现对本发明的多种修改，这些变化不脱离本发明的精神和实质。

Claims (8)

1.用于至少一RLC谐振负载的电源，该电源包括：

交流到直流整流器，具有连接到交流源的整流器输入及具有整流器直流输出；

至少一连接到整流器直流输出的电荷存储器件；

至少一调节器，所述至少一调节器中的每一调节器具有调节器输出，该调节器输出具有调节器直流输出周期及调节器直流输出周期内的可变输出占空比，所述至少一调节器中的每一调节器连接到所述至少一电荷存储器件；

至少一电流存储器件，所述至少一电流存储器件中的每一个唯一连接到所述至少一调节器之一的调节器输出；及

至少一逆变器，所述至少一逆变器中的每一个具有唯一连接到所述至少一电流存储器件之一的逆变器输入，所述至少一逆变器中的每一个具有唯一连接到所述至少一RLC谐振负载之一的逆变器交流输出，所述至少一逆变器中的每一个的逆变器交流输出周期等于连接到所述至少一电流存储器件的所述至少一调节器的调节器输出周期的两倍，所述至少一电流存储器件连接到所述至少一逆变器中的每一个的逆变器输入，其中所述至少一RLC谐振负载包括至少三个RLC谐振负载，所述至少三个RLC谐振负载中的每一个具有感应元件，所述感应元件包括布置在包含导电材料的坩锅周围的至少一感应线圈；所述至少三个RLC谐振负载中的每一个均唯一连接到所述至少一逆变器之一的逆变器交流输出，所述至少一逆变器中的每一个的逆变器输入唯一连接到所述至少一电流存储器件之一，所述至少一电流存储器件中的每一个唯一连接到所述至少一调节器之一的输出，所述至少一调节器中的每一个唯一连接到电荷存储器件，所述电荷存储器件唯一连接到所述交流到直流整流器的整流器直流输出；所述至少三个感应线圈中的所有感应线圈使它们的结束端共同连接在一起及使它们的开始端通过至少一通断器件有选择地连接在一起以从所述至少三个RLC谐振负载中的每一个形成组合并联RLC电路。

2.根据权利要求1的电源，其中所述至少一逆变器之一在所述至少一通断器件断开时处于静态。

3.向至少一RLC谐振负载提供功率的方法，该方法包括步骤：

向电荷存储器件提供直流功率；

调节从所述电荷存储器件到电流存储器件的直流电流供应，所述电流存储器件向逆变器提供直流电流，所述逆变器的交流逆变器输出连接到所述至少一RLC谐振负载；

使所述逆变器以具有逆变器周期的逆变器输出频率运行；

在等于逆变器周期的一半的时间段改变电荷存储器件的直流电流供应的占空比；及

在电荷存储器件的直流电流供应的工作循环期间产生多个脉冲，其中在所述工作循环期间的所述多个脉冲等于开关器件的最大允许功率耗散减去该开关器件的传导损耗后除以所述工作循环期间等效单一脉冲情形的通断损耗所得到的数量，其中所述开关器件用于调节电荷存储器件的直流电流供应。

4.向至少一RLC谐振负载提供功率的方法，该方法包括步骤：

向电荷存储器件提供直流功率；

调节从所述电荷存储器件到电流存储器件的直流电流供应，所述电流存储器件向逆变器提供直流电流，所述逆变器的交流逆变器输出连接到所述至少一RLC谐振负载；

使所述逆变器以具有逆变器周期的逆变器输出频率运行；

在等于逆变器周期的一半的时间段改变电荷存储器件的直流电流供应的占空比；及

在电荷存储器件的直流电流感应的占空比为1的情况下增大逆变器的逆变器输出频率。

5.向至少一RLC谐振负载提供功率的方法，该方法包括步骤：

向电荷存储器件提供直流功率；

调节从所述电荷存储器件到电流存储器件的直流电流供应，所述电流存储器件向逆变器提供直流电流，所述逆变器的交流逆变器输出连接到所述至少一RLC谐振负载；

使所述逆变器以具有逆变器周期的逆变器输出频率运行；

在等于逆变器周期的一半的时间段改变电荷存储器件的直流电流供应的占空比；

用所述至少一RLC谐振负载的每一个中的包括感应元件的感应线圈包围包含电磁传导材料的坩锅的下部、中部和上部；及

将所述感应线圈中的每一个连接到一个或多个通断元件以在分开的RLC谐振负载电路及并联连接的RLC谐振负载电路之间有选择地开关所述至少一RLC谐振负载中的每一个。

6.根据权利要求5的方法，还包括步骤：停止与所述至少一RLC谐振负载之一相关联的逆变器交流输出。

7.根据权利要求5的方法，还包括步骤：停止与具有中部和下部感应线圈作为感应元件的RLC谐振负载相关联的逆变器交流输出。

8.根据权利要求6的方法，还包括步骤：改变与具有上部感应线圈作为感应元件的RLC谐振负载相关联的逆变器输出功率量。

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