CN201332521Y - 一种igbt串联逆变式快速熔炼炉 - Google Patents

一种igbt串联逆变式快速熔炼炉 Download PDF

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高俊山
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Abstract

本实用新型公开了一种IGBT串联逆变式快速熔炼炉，它包括变频装置，上述的变频装置包括整流器、逆变器主回路、控制回路和驱动电路，其中，整流器的输出端与逆变器主回路相连接，逆变器主回路通过采样环与控制回路相连接，控制回路与驱动电路相连接；所述的逆变器主回路为IGBT串联逆变式电路。采用上述技术方案的本实用新型，首次将IGBT串联逆变式半桥中频电源用于熔炼设备，其有效输出功率达到90％以上，比传统可控硅中频节能20％，取得了很好的效果。另外，本实用新型在PDM调功的基础上改进了其控制回路和驱动电路，由此解决了长期困扰人们的PDM调功在小功率情况电流断续的弊端，极大地提高了产品工作效率。

Description

一种IGBT串联逆变式快速熔炼炉
技术领域
本实用新型属于一种电磁感应加热设备，具体地说是涉及一种采用IGBT串联逆变式电路的熔炼炉。
背景技术
今天，铸造作为一种传统工艺与技术又面临着新的挑战。高速发展的社会，对铸造的精密性、质量与可靠性、经济、环保等要求越来越高。目前冲天炉熔炼仍是整个铸造行业的支柱，但冲天炉的弊端是化学成分和温度波动较大，环境污染等，为满足铸造业所提出的优质、精化和节能三大要求，当前中频感应电炉的应用日趋扩大。感应加热电源经历了20年代的发电机组与真空管发生器，60年代初的晶闸管SCR发生器，80年代初的晶体管发生器，直到90年代中期的现代功率晶体管，如IGBT、MOSFET等发生器这样一个发展过程。目前国产中频电源用于熔炼的设备大都采用并联谐振型逆变器结构。但是，串联谐振逆变器的感应加热线圈与逆变电源的距离较远时，对输出功率的影响较小。而对并联谐振逆变器来说，感应加热线圈应尽量靠近电源，否则功率输出和效率都会大幅度降低。串联谐振逆变器起动较容易，适用于频繁起动工作的场所；而并联谐振逆变器需附加起动电路，起动较为困难，起动时间长。至今仍有人在研究并联谐振逆变器的起动问题。因此，在研究更大容量的并联逆变中频电源的同时，研制结构简单，易于频繁启动的串联逆变中频电源是国内中频感应加热装置领域有待解决的问题。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种采用IGBT串联逆变式电路的熔炼炉，且解决了PDM调功在小功率情况下电流断续的问题。
为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
本实用新型包括变频装置，上述的变频装置包括整流器、逆变器主回路、控制回路和驱动电路，其中，整流器的输出端与逆变器主回路相连接，逆变器主回路通过采样环与控制回路相连接，控制回路与驱动电路相连接；上述的逆变器主回路为IGBT串联逆变式电路。
上述的控制回路包括PWM脉冲控制电路和调功保护电路；PWM脉冲控制电路包括过零比较器，过零比较器的输出端连接至脉冲调制器；调功保护电路包括比较器，比较器的输出端也连接至脉冲调制器；脉冲调制器的输出端与驱动电路相连接。
上述的驱动电路光电耦合器，光电耦合器与逻辑判断电路相连接，逻辑判断电路与开关电路相连接。
上述的开关电路主要由三极管构成。
上述的逆变器主回路还与过流保护电路、过压保护电路、欠压保护电路和电源缺相显示电路相连接，所述的过流保护电路、过压保护电路、欠压保护电路和电源缺相显示电路均与报警电路相连接。
采用上述技术方案的本实用新型，首次将IGBT串联逆变式半桥中频电源用于熔炼设备，其有效输出功率达到90％以上，比传统可控硅中频节能20％，取得了很好的效果。另外，本实用新型在PDM调功的基础上改进了其控制回路和驱动电路，由此解决了长期困扰人们的PDM调功在小功率情况电流断续的弊端，极大地提高了产品工作效率。
附图说明
图1为本实用新型的逆变器主电路图；
图2为本实用新型控制电路图；
图3为本实用新型的驱动电路图；
图4为本实用新型中保护电路图。
具体实施方式
本实用新型中，熔炼炉是由炉体、汇流母线、变频装置、冷却装置、炉前控制等五个部分组成。上述的炉体、汇流母线、冷却装置和炉前控制四部分均为本领域普通技术人员所熟知的技术，因此在本实用新型中不再一一叙述。
在本实用新型中，变频装置包括整流器、逆变器主回路、控制回路和驱动电路，其中，整流器的输出端与逆变器主回路相连接，逆变器主回路通过采样环与控制回路相连接，控制回路与驱动电路相连接。在本实用新型中，逆变器主回路采用IGBT串联逆变式半桥中频电路。
如图1所示，三相工频交流电通过全桥式整流器获得直流脉动电压，经滤波电路滤波获得稳定的直流脉动工作电压，逆变器由IGBT管V1，V2和电容C2、C3组成单相逆变桥，其中电容C2、C3的规格相同。L1为感应炉的等效电感和电阻。其工作过程如下：恒定的直流电压Ud被电容器C2、C3均分，它们都有上正下负电压。此时触发IGBT管V1，则流过感应炉的电流有两部分组成。一是电容C2的放电电流：C2上端--V1---L1---C2下端。另一路是电容C3的充电电流：C2上端-V1-L1-C3-C2下端。这两路都是统一谐振电路的一部分，前者有C2、L1组成，后者有C3、L1组成，由于C2＝C3，因而两路的工作频率相同，等于有C＝C2+C3、L组成电路的谐振频率。电容C2放电结束，及其上电压为零，电容C3上充电电压必定为Ud，因为C两端电压Ud恒定。这时流过等效电感和电阻L1的电流最大，在L1中储蓄的磁场能量作用下，维持上述两路电流继续流通，使电容C2方向充电成下正上负，而电容C3则从Ud值继续升高，知道磁场能量降至零。这时电容C2上反压和电容C3电压都达最大值，到此流过感应炉L1的电流正好为半个正弦波。接着在电容电压的作用下，形成两路和前术两路路径基本相同、方向相反的电流。
在图1中，G1为霍尔直流变换器，完成供电直流电流的过流保护控制。G2为交流互感器，交流互感器G2根据实际需要采用合适的变比，采样逆变回路的电流频率相位变化和电流幅值变化。上述利用交流互感器G2形成采样环进行采样的技术为本领域普通技术人员所熟知的技术。且该采样信号在主控制板上分两路使用。上述的逆变器主回路采用输出恒流控制，既在熔炼过程中存在装料和温度变化时，其负载率仍可接近百分百，而缩短熔炼时间；由于是电压型逆变器，整流桥全导通而有高的功率因数，从而降低供电容量，减少干扰；采用半桥逆变方式，主电路元件少，又采用直接输出方式，无需匹配变压器，效率和可靠性都提高；另外具有良好的启动性，满载下也可随用随开。
如图2所示，控制回路包括PWM脉冲控制电路和调功保护电路，而该采样信号在控制回路中分别进入了PWM脉冲控制电路和调功保护电路。
上述的PWM脉冲控制电路包括过零比较器A1，过零比较器A1的输出端连接至脉冲调制器SG3525。这样，经过零比较器A1比较后控制PWM脉冲的频率和相位，使控制脉冲的频率和相位始终与谐振回路的固有频率同频、同相，且使逆变回路的功率因数始终维持在接近为1。
上述调功保护电路包括比较器A2，比较器A2的输出端也连接至脉冲调制器SG3525，脉冲调制器SG3525的输出端与驱动电路相连接。这样，采样信号在比较器A2中与给定的功率调节给定的直流信号比较，从而完成设备的输出功率调节功能。另外，在比较器A2和脉冲调制器SG3525之间设有锁存器。
如图3所示，驱动电路包括光电耦合器，光电耦合器与逻辑判断电路相连接，逻辑判断电路与开关电路相连接，其中开关电路主要由三极管构成。在图3中，输入脚J1 3为脉冲调制器SG3525输出的脉冲信号，输入脚J1 4为调功信号输入端，调功信号用于关断驱动信号；输入脚J1 5为当输入过流信号时的关断驱动信号；输入端J1 6为第二路驱动板上输出极；输入端J1 7为第二路驱动信号。
上述驱动电路的工作过程描述；在设备正常工作状态下，即脉冲调制器SG3525输出端输出正脉冲至J1 3脚，调功信号输入至J1 4脚且为低电平；当输入过流信号时，J1 4脚为高电平。第二路驱动板输出低电平时，信号经过光耦器及或非门逻辑运算后，11脚为高电平，10脚为低电平，三极管Q1截止，场效应管Q3导通，A端对IGBT栅极输出正向导通电压，IGBT导通；反之，当调功信号、过流信号、另一路驱动信号任一路与正常运行相反时，三极管Q2关断，场效应管Q4导通，B端对IGBT栅极输出负向截止电压，使IGBT快速关断，从而完成调功与保护功能。本电路的特点是当设备实际输出功率信号大于设备给定功率信号时，可以关断驱动电路上脉冲调制器3525发出的部分脉冲信号，使实际输出功率始终接近设备给定功率，确保了小功率时电流不断续，大功率时不过流，电路简洁实用。
IGBT的栅极驱动电路应进可能的简单、实用，最好自身带有对被驱动IGBT的完整保护能力及很强的抗干扰性能，输出阻抗尽可能低。本驱动电路正是遵循这一原则而设计，内置带静电屏蔽层的高速光耦合器实现信号隔离，因而抗干扰能力强、响应速度快、隔离电压高；驱动电路的阻抗包括内阻与与栅极串联电阻两个部分，本电路把IGBT导通栅极电阻与关断栅极电阻分开，采用导通栅极电阻大于关断栅极电阻，即保证了快速关断又防止了误导通，从而降低了损耗又确保了安全性。
另外，如图4所示，在本实用新型中，逆变器主回路还与过流保护电路、过压保护电路、欠压保护电路和电源缺相显示电路相连接，上述的过流保护电路、过压保护电路、欠压保护电路和电源缺相显示电路均通过与门连接至报警电路。上述的过流保护电路主要由运放A3构成、过压保护电路主要由运放A4构成、欠压保护电路主要由运放A5构成、电源缺相显示电路主要由运放A6构成，均为本领域普通技术人员所熟知的技术。

Claims (5)

1、一种IGBT串联逆变式快速熔炼炉，它包括变频装置，其特征在于：所述的变频装置包括整流器、逆变器主回路、控制回路和驱动电路，其中，整流器的输出端与逆变器主回路相连接，逆变器主回路通过采样环与控制回路相连接，控制回路与驱动电路相连接；所述的逆变器主回路为IGBT串联逆变式电路。
2、根据权利要求1所述的IGBT串联逆变式快速熔炼炉，其特征在于：所述的控制回路包括PWM脉冲控制电路和调功保护电路；所述的PWM脉冲控制电路包括过零比较器，过零比较器的输出端连接至脉冲调制器；所述调功保护电路包括比较器，比较器的输出端也连接至脉冲调制器；所述脉冲调制器的输出端与驱动电路相连接。
3、根据权利要求1所述的IGBT串联逆变式快速熔炼炉，其特征在于：所述的驱动电路包括光电耦合器，光电耦合器与逻辑判断电路相连接，逻辑判断电路与开关电路相连接。
4、根据权利要求3所述的IGBT串联逆变式快速熔炼炉，其特征在于：所述的开关电路主要由三极管和场效应管构成。
5、根据权利要求1所述的IGBT串联逆变式快速熔炼炉，其特征在于：所述的逆变器主回路还与过流保护电路、过压保护电路、欠压保护电路和电源缺相显示电路相连接，所述的过流保护电路、过压保护电路、欠压保护电路和电源缺相显示电路均与报警电路相连接。
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