KGPS可控硅中頻電源與IGBT晶體管中頻電源的比較解析

1、KGPS可控硅中頻電源與IGBT晶體管中頻8電源的比較一、新型IGBT中頻電源的特點(diǎn)IGBT （絕緣柵雙極晶體管）是 MOSFET雙極型晶體管）與GTR（大功率晶體 管）的復(fù)合器件。因此，它既具有 MOSFET工作速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)電 路簡(jiǎn)單、熱溫度性好的優(yōu)點(diǎn)，又包含了 GTR勺載流量大，阻斷電壓高等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)， 是取代GTRffiSCR（可控硅）的理想開關(guān)器件。從1996年至今，尤其是最近幾年 來(lái)IGBT發(fā)展很快，目前已被廣泛地應(yīng)用于各種逆變器中。（1） IGBT控制是采用導(dǎo)通寬度及頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的中 頻電源，且采用串聯(lián)諧振，無(wú)需加啟動(dòng)電路及前級(jí)調(diào)壓裝置，因此啟動(dòng)相當(dāng)方

2、便， 啟動(dòng)成功率百分之百，調(diào)節(jié)輸出功率極為方便。（2）整流部分采用二極管三相全橋整流，使得控制電路極為簡(jiǎn)單，維修技 術(shù)量降低。（3）目前大部分廠家采用德國(guó)西門子公司產(chǎn)品作逆變器，中頻電源壽命在 3萬(wàn)次以上，采用了限壓過(guò)流過(guò)壓保護(hù)電路，使得故障率極低，并且過(guò)流過(guò)壓保 護(hù)動(dòng)作時(shí)報(bào)警器馬上報(bào)警顯示且保護(hù)停機(jī)。綜上所述，IGBT中頻電源作為鑄造熔煉中頻感應(yīng)加熱電源，是電力電子技 術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，它將成為二十一世紀(jì)鑄造行業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。二、一拖二感應(yīng)電爐系統(tǒng)一拖二感應(yīng)電爐系統(tǒng)即功率共享電源系統(tǒng)的感應(yīng)電爐，。即一臺(tái)中頻電源能同時(shí)向二臺(tái)電爐供電，并能在額定功率范圍內(nèi)自由分配向各臺(tái)電爐的輸入功率。 它從

3、上世紀(jì)90年代初在國(guó)外問(wèn)世，恰好遇到我國(guó)經(jīng)濟(jì)改革開放的大發(fā)展年代， 因此這種電爐系統(tǒng)幾乎同步進(jìn)入我國(guó)的鑄造業(yè)，并且得到鑄造界的青睞和認(rèn)同。但礙于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)電爐制造商尚未開發(fā)出該項(xiàng)技術(shù)，而進(jìn)口設(shè)備的昂貴價(jià)格又使許多鑄造廠望而怯步，限制了它在我國(guó)鑄造業(yè)的廣泛應(yīng)用。據(jù)相關(guān)資料介紹，從我國(guó)1993年引進(jìn)第一臺(tái)一拖二電爐系統(tǒng)起到目前為止，全國(guó)現(xiàn)有一拖二電爐系統(tǒng) 大約共計(jì)有近100套左右，其中功率最大的一套為 6000kW功率共享電源配置二 臺(tái)8噸電爐。一拖二電爐的優(yōu)點(diǎn)采用中頻感應(yīng)電爐可以配置比工頻感應(yīng)電爐更大的功率密度（例如可以配置比工頻電爐的極限配置功率密度 300kW/t大3倍左右的功率密度，即達(dá)至i

4、j 900kW/t 以上），并可實(shí)現(xiàn)批料熔化法。這意味著它將以很高的熔化/生產(chǎn)率作業(yè)。但是在 隨后的澆注作業(yè)周期內(nèi)以及其它非生產(chǎn)性作業(yè)周期期間（例如扒渣、取樣、 等待 化驗(yàn)結(jié)果等），系統(tǒng)中沒(méi)有功率輸出或者僅需少量的保溫功率輸出，以維持一定 的澆注溫度。以往的中頻電源都采用并聯(lián)逆變形式， 其電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)與輸出功 率有關(guān)。滿功率輸出時(shí)，功率因數(shù)較高，輸出功率降低時(shí)，功率因數(shù)隨著下降。 如果中頻電源經(jīng)常工作在小功率保溫狀態(tài)，日積月累會(huì)產(chǎn)生較大的無(wú)功，電網(wǎng)側(cè)力率降低直接涉及到電費(fèi)支出。一拖二的中頻采用串聯(lián)逆變器，其電網(wǎng)側(cè)功率因 數(shù)與輸出功率無(wú)關(guān)。無(wú)論輸出功率大小，功率因數(shù)始終接近于 1。并聯(lián)逆變中頻

5、電源是一種恒電壓輸出電源。為了能夠在負(fù)載阻抗較低（例如 冷料熔化）時(shí)輸出較大的功率，其工作電流會(huì)大于額定功率下的工作電流，因此需要較大的電源變壓器。通常并聯(lián)逆變中頻電源選用的變壓器容量是其額定功率 的1.25倍。串聯(lián)逆變中頻電源是一種恒功率輸出電源。因?yàn)樗墓ぷ黝l率寬范圍可調(diào)， 能夠匹配負(fù)載阻抗的變化，所以并不需要增加輸出電流。因此只需要與其輸出功 率相當(dāng)?shù)淖儔浩骷纯?。通常串?lián)逆變中頻電源選用的變壓器容量是其額定功率的 1.1 倍。可控硅中頻電爐和IGBT中頻電爐的性能對(duì)比見下表 （1T爐）比較項(xiàng)目可控硅中頻電爐（并聯(lián)逆變）IGBT中頻電爐（出聯(lián)逆變）額定功率配置700KW600KW變壓器配置

6、800KVA630KVA中頻頻率1000Hz1000Hz熔化率0.93t/h（鑄鐵 1450）1.0t/h（鑄鐵 1450）單位電耗710KW.h/t±5%600KW.h/t ± 5%冷卻水耗30m3/h320m/h進(jìn)線電壓三相-380V 50Hz三相-380V 50Hz配套電爐容量1噸1噸功率因數(shù)典型平均功率因數(shù)0.9 ,如果經(jīng)常工作 在小功率狀態(tài)，功率因數(shù)會(huì)更低典型平均功率因數(shù)0.95 ,接近于1價(jià)格相對(duì)較低功率相同時(shí)高20%40%繳納電費(fèi)比較基本電費(fèi)：800KVA 18元X 12月=172800元肩功電費(fèi)：700KWA8小時(shí)X 340天X 0.4 元/度=761600

7、.00 元/年基本電費(fèi)：630KVAK 18元X 12月=136080元肩功電費(fèi)：600KWA8小時(shí)X 340天X 0. 4 元/ 度=652800.00 元/ 年三、電爐容量和功率的選擇電爐容量的確定要考慮許多工藝因素，但是基本上需滿足二個(gè)條件，一是滿足最大鑄件的澆注重量需要，二是與工藝對(duì)鐵水的需求量相符合。由于中頻電爐的功率密度配置較大，當(dāng)其配置功率密度大于 600 kW/t時(shí)，其熔化能力基本上 可以做到每爐次的熔化時(shí)間在一小時(shí)以內(nèi)。四、電源類型的選擇中頻電源的類型主要有兩類：具有并聯(lián)逆變電路的固體電源及具有串聯(lián)逆變 電路的固體電源。在我國(guó)的鑄造行業(yè)中,習(xí)慣對(duì)配置可控硅（SCR）全橋并聯(lián)逆

8、變固體電源的中 頻感應(yīng)電爐通常俗稱為中頻爐。而對(duì)配置（IGBT）或（SCR泮橋串聯(lián)逆變固體電源 的中頻感應(yīng)電爐通常俗稱為變頻爐由于這兩種感應(yīng)電爐的逆變供電電源不同，所以它們的工作性能也有很大的區(qū)別。兩種固體電源的主要性能比較比較項(xiàng)目SCR橋并聯(lián)逆變固體電源（KGP繇列電源）IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源（CA系列電源）j品規(guī)格范 圍160 4000 kW50 4400 kW電網(wǎng)側(cè)功率額定功率時(shí)接近于0.90接近于1.0“數(shù)功率減小時(shí)功率因數(shù)降低諧波干擾對(duì)電網(wǎng)后較大的諧波干擾能有效消除3、5、7、9、11次諧波發(fā)換效率中功率時(shí)相同，大功率時(shí)略低中功率時(shí)相同，大功率時(shí)略高負(fù)裁適應(yīng)范圍寬廣叵功率輸出能

9、力冷料啟動(dòng)階段輸出功率較低；改進(jìn) 逆變控制后可接近恒功率運(yùn)行，但 控制技術(shù)復(fù)雜整個(gè)熔化過(guò)程中始終可以保持恒功率運(yùn)行，控制簡(jiǎn)單工作頻率范最圖到2500 Hz,主要用于感應(yīng)熔化和保溫最高可達(dá)100 kHz ,適用于感應(yīng) 熔化和保溫，也適用于透熱和淬 火工作穩(wěn)定性較高。中頻電流自成回路，觸發(fā)可 拄硅必須啟,7E的電流，抗干擾能 力差高。中頻電流通過(guò)IGBT構(gòu)成回 路，IGBT是電壓控制器件，較強(qiáng) 抗干擾能力器件過(guò)流容量和過(guò)流保P過(guò)流容量大，保護(hù)電路簡(jiǎn)單，維修 難度大過(guò)流容量小，保護(hù)電路復(fù)雜，技 術(shù)要求高，維修難度相對(duì)較小，置電源變 "器的余量要求較大。變壓器配置容量約為固體電源最大輸出功率

10、的1.25倍小。變壓器配置容量約為固體電源最大輸出功率的1.1倍電源功率共學(xué)可能性不能可以,件價(jià)格低較局五、兩種固體電源適用范圍電爐類型固體電源類型性能評(píng)價(jià)小功率熔化爐IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源高性能SCRM控硅全橋并聯(lián)逆變固體電源低價(jià)格大功率熔化爐SCRH$全橋并聯(lián)逆變固體電源較圖可靠性DX型雙向供電電爐IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源唯一選擇熔化、保溫電爐IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源局功率因數(shù)六、中頻電源與電爐的配置采用中頻無(wú)心感應(yīng)電爐實(shí)現(xiàn)批料熔化法可以使電源的輸出功率從爐料被加 熱起至澆注前保持在最大的負(fù)載水平。但是在其后的澆注作業(yè)周期及其它非生產(chǎn) 性作業(yè)周期（例如撇渣、取樣、等待化驗(yàn)結(jié)果

11、等），系統(tǒng)中沒(méi)有功率輸出或者僅 需少量功率輸出，以保持一定的澆注溫度。為了適應(yīng)各種不同的鑄造工藝需要， 同時(shí)也為了充分提高電源的功率利用系數(shù)， 出現(xiàn)了以下幾種中頻電源與電爐的配 置方案，分別介紹如下。中頻電源與電爐的配置方案丁 P配置方案性能評(píng)價(jià)1單臺(tái)電源配單爐簡(jiǎn)單可靠，適用于電爐內(nèi)金屬液熔化后迅速倒空，再重 新加料熔化的作業(yè)條件，或作業(yè)不頻繁的場(chǎng)合。僅對(duì)小容量及較低功率的電爐適合。該配置方案的作業(yè)功率利用系數(shù)低。2單臺(tái)電源配二爐（通過(guò)換爐開關(guān)切換）常見的經(jīng)濟(jì)性配置方案。一臺(tái)電爐熔化作業(yè)，另一臺(tái)爐 澆注作業(yè)或維修、筑爐。在作小容量多次澆注作業(yè)時(shí)，可將向熔化作業(yè)電爐供電 的電源短時(shí)間內(nèi)切換到澆注

12、作業(yè)的電爐作快速升溫，以補(bǔ)償澆注溫度的下降。二臺(tái)電爐的交替作業(yè)（熔化和澆 注、加料作業(yè)）保證了向澆注作業(yè)線持續(xù)供應(yīng)高溫合格 金屬液。該配置方案的作業(yè)功率利用系數(shù)較高。3二臺(tái)電源（熔化電 源和保溫電源）配該配置方案米用SCR全橋并聯(lián)逆變固體電源，通過(guò)切換開關(guān)實(shí)現(xiàn)二臺(tái)電爐交替與熔化電源和保溫電源相連。該二爐（通過(guò)開關(guān)切換）方案目前被用戶廣彳之接受并米用， 它可以達(dá)到與配置方 案5相同效果，但是投資卻大大降低。電源切換是借助于電動(dòng)切換開關(guān)完成，操作方便、工作 可靠性較局。該方案的不足之處是，保溫電源為了能與同一感應(yīng)線圈 匹配工作，它需要以稍高于熔化電源的頻率工作。由此 導(dǎo)致合金化處理時(shí)的攪拌作用可能

13、較小， 有時(shí)需短時(shí)間 將熔化電源切換過(guò)來(lái)以增強(qiáng)合金化過(guò)程。該配置方案的作業(yè)功率利用系數(shù)較高。4單臺(tái)雙供電源配二爐該配置方案又可以稱為功率共享電源系統(tǒng)。它是目前國(guó) 內(nèi)外被用戶廣泛采用的一種先進(jìn)的配置方案。 該方案的 優(yōu)點(diǎn)是：1 .每臺(tái)電爐可以根據(jù)各自的工況選擇合適的功率；2 .無(wú)機(jī)械切換開關(guān)，工作可靠性高；3 .作業(yè)功率利用系數(shù)高，理論上可達(dá)1.00,從而大幅 度地提圖J電爐的生產(chǎn)率；4 .由于采用IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源，如表 2所 述，在整個(gè)熔化過(guò)程中始終能以恒功率運(yùn)行，所以其電 源功率利用系數(shù)也高；5 .單臺(tái)電源僅需一臺(tái)變壓器和冷卻裝置,與方案3相比較，主變壓器的總安裝容量小，占用空間

14、也小。七、電爐熔化率與生產(chǎn)率（每小時(shí)出鐵水量）的關(guān)系一股電爐制造商在樣本或技術(shù)規(guī)格上提供的電爐熔化能力數(shù)據(jù)是熔化率。電爐的熔化率是電爐本身的特性，它與電爐的功率大小及電源類型有關(guān)， 與而生產(chǎn) 作業(yè)制度無(wú)關(guān)。而電爐的生產(chǎn)率則除了與電爐本身的熔化率性能有關(guān)外，還與熔化作業(yè)制度有關(guān)。通常，熔化作業(yè)周期內(nèi)存在一定的空載輔助時(shí)間，如：加料、 撇渣、取樣化驗(yàn)和等待化驗(yàn)結(jié)果（與化驗(yàn)手段有關(guān)）、等待澆注等。這些空載輔 助時(shí)間的存在減少了電源的功率輸入，即減低了電爐的熔化能力。八、電爐選型時(shí)對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能的評(píng)估作為鑄造車間的重要熔化設(shè)備，感應(yīng)電爐的投資在鑄造車間的總投資中占有 不小的比例。因此，電爐系統(tǒng)的選型

15、除了上面需要考慮的各類因素外， 還應(yīng)結(jié)合 鑄造車間本身的投資規(guī)模、技術(shù)先進(jìn)性、管理水平等背景對(duì)所選的電爐系統(tǒng)的安 全性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性、對(duì)環(huán)保的適應(yīng)性等系統(tǒng)的各項(xiàng)功能作一個(gè)全面的分析和 評(píng)估。（1）系統(tǒng)的安全性 -系統(tǒng)的機(jī)械方面的完整的保護(hù)功能應(yīng)該具備：閉式 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的采用，冷卻水溫度及流量的監(jiān)控和報(bào)警，應(yīng)急冷卻水柜和管路 的設(shè)置、液壓系統(tǒng)的安全措施（軟管破裂保護(hù)措施、雙液壓泵的配置、阻燃油的 采用），爐體的鋼架結(jié)構(gòu)堅(jiān)固性。系統(tǒng)的電氣方面完整的保護(hù)功能有：功能完備 和可靠的全數(shù)字化控制板和故障自診斷功能、爐襯檢測(cè)（或漏爐檢測(cè)）功能、電 源（包括電容器等）的可靠冷卻措施等。（2）系統(tǒng)的先進(jìn)

16、性-它應(yīng)與整個(gè)鑄造車間的設(shè)備先進(jìn)程度及管理水平背 景相匹配。采用全數(shù)字化控制系統(tǒng)的中頻電源將大大提高電爐系統(tǒng)的作業(yè)（包括爐襯壽命和熔化作業(yè)）穩(wěn)定性和可靠性。止匕外，近年來(lái)在鑄造業(yè)逐漸被廣泛接受 和采用的功率共享電源系統(tǒng)（俗稱一拖二電爐系統(tǒng)）、電源的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、電 爐的計(jì)算機(jī)熔化過(guò)程自動(dòng)控制管理系統(tǒng)、 舊爐襯快速推出機(jī)構(gòu)、爐襯搗筑質(zhì)量穩(wěn) 定的錘擊式氣動(dòng)筑爐機(jī)、鐵水自動(dòng)稱量系統(tǒng)、爐襯自動(dòng)烘爐控制系統(tǒng)等先進(jìn)裝置 也大大提高了電爐系統(tǒng)的作業(yè)穩(wěn)定性和可靠性， 體現(xiàn)了鑄造車間的技術(shù)和管理水 平的先進(jìn)性，也為鑄造生產(chǎn)的質(zhì)量管理體系提供了有效的手段。（3）系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性 -應(yīng)該全面、合理地評(píng)估選用先進(jìn)電爐系統(tǒng)所支付的 較高的一次性投資額與該系統(tǒng)的較低的日常運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用及生產(chǎn)率提高之間的 關(guān)系?？蓮囊韵聨讉€(gè)方面來(lái)評(píng)估這種關(guān)系：a）根據(jù)因先進(jìn)的熔化單耗指標(biāo)計(jì)算得到電爐每年運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)約數(shù)值來(lái) 評(píng)估投資額差價(jià)的回收周期；b）根據(jù)先進(jìn)的電爐系統(tǒng)性能，如電源功率共享系統(tǒng)所具有較高的功率/作業(yè)利用系數(shù)所引起的相同功率配置情況下電爐生產(chǎn)率的提高來(lái)評(píng)估整體經(jīng)濟(jì)效 益的大?。籧）從先進(jìn)的和安全性好的電爐系統(tǒng)在日常維護(hù)方面減少的費(fèi)用以及設(shè)備使 用壽命提高二方面進(jìn)行投資的綜合評(píng)估；d）從采用具有先進(jìn)功能的裝置，如爐襯自動(dòng)烘爐控制系統(tǒng)和錘擊式氣動(dòng)筑爐 機(jī)，提高了爐襯壽命，降低的作業(yè)方面的各項(xiàng)