专利名称：镀锡工艺中软熔用大功率中频加热电源的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种加热电源，具体地，涉及一种镀锡工艺中软熔用大功率中频加热电源。
背景技术：
镀锡板是在冷轧低碳薄钢板的两面镀上纯锡层，其具有良好的强度成型性及耐蚀性，表面富有光泽，易着色印刷，并且锡镀层无毒等优点，因而被广泛用于食品工业制罐、制盒、制瓶盖及各种容器、包装材料上。目前虽有塑料、玻璃、纸板、铝板等包装材与之竞争，但镀锡板一直保持一定的市场份额。高温消毒装罐食品(包括不充碳酸气的水果汁和其它液态食品)和饮料(啤酒和充碳酸气的软饮料)仍然以镀锡板包装为主。当前，世界镀锡板年产量约4000多万吨，每年约占涂镀层钢板总产量14%，占世界钢材总生产量的1. 1. 75%。世界上美国、日本是镀锡板生产大国，我国在进人21 世纪后，镀锡板产量逐年增加，2004年镀锡板产量为136万吨，已经成为世界第3生产大国。软熔是钢板镀锡工艺中十分重要的一个环节，其实质就是对锡层通过加热电源进行加热(一般加热功率在1000KW(即1MW)以上称为大功率加热电源)，使钢体与锡层之间产生一层薄薄的合金层，增强锡层的附着能力，并形成光亮的表面。通过软熔工艺，可以改善镀锡板的表面形态，提高镀锡板的焊接性能和耐腐蚀性。目前主要有以下几种软熔镀锡技术，但这些现有技术的缺点也是明显的，具体分析如下第一，电阻加热技术电阻加热就是通过导电辊在带钢两端施加交流电压，从而在带钢内部形成交流电流，利用带钢本身的电阻产生热量，对锡层进行加热，因此电气设备的控制对象就是导电辊的电压，通过可控硅调压电路实现电压的线性调节。电阻加热设备原理如图1所示， CP-3500H为机组控制PLC，经其计算出电压给定值，通过数模转换传递给电阻加热控制板。 电阻加热控制板对电压实行闭环PI调节器控制，实际值来自于对主回路母排电压的检测， PI调节器的输出信号控制触发脉冲的相移，从而改变可控硅的触发角以达到调节主回路电压的目的，电阻加热技术典型地采用两套可控硅调压电路并联的结构。电阻加热电源的费用比较便宜，加热效率较高，能够达到80%以上。该种电阻加热方法与带钢的规格无关，控制简单，并且电阻加热设备结构比较简单，但是其也有明显的缺点容易因板厚变动而产生加热不均，同时对导电辊与带钢的接触面要求十分严格，否则容易产生木纹、烧点等质量缺陷。另外，如果电压控制不当，容易引起欠软熔、过烧，甚至烧断断带，木纹、烧点等缺陷多。例如，参见图3，生产低镀锡量镀锡板时，由于软熔后形成的锡铁合金层厚度不均勻，并且由于是低镀锡量镀锡板，上方所电镀的纯锡层a又不足够厚，不能完全遮盖住这种凹凸不平的界面。因此，经过光的折射，从外观反映上看就变成了明暗相间的条纹，称之为木纹。由于电阻软熔加热速度慢，而且由于钢带c通入的是交流电，于是在每个电流周波中出现了两次电流为零的状态，因而产生的热量不足，锡不能充分熔融，流动性变差，使得局部地区堆积，从而造成锡铁合金层的厚度不均勻，这产生木纹缺陷。[0008]第二，感应加热技术感应加热就是在线圈中通以一定频率的交流电，当带钢在线圈内运行时，通过电磁感应的作用，在带钢上产生感应电流(涡流)。一般而言，中频感应加热电源的频率范围为IKHZ至20KHZ左右，其典型值是8KHZ左右。由于交流电流有集肤效应，因此感应电流集中在带钢表面，使带钢表面的锡层发热最大。感应加热电源设备的电气原理例如参见图2， IOkV的三相交流电经过变压器转换成225V的交流电，经过三相二极管全波整流，然后由 8组并联的MOSFET (金氧半场效晶体管)逆变回路逆变成0 360V、80 150kHz的电，再经变压器提高电压等级后提供给由感应线圈与电容组构成的频率为IOOHz的LC振荡回路。 感应加热电源设备由一台单独的PLC进行控制，其接受来自机组PLC的功率给定值，然后传递至变频控制板，通过改变触发脉冲角度来改变MOSFET变频回路的输出电压，从而改变输出功率。感应加热的主回路电压和电流通过变频控制板反馈至PLC，计算出实际功率值后上传至机组PLC，参与相应的控制和显示。感应加热的优点是熔锡的距离比较短，可以在很短的距离内大幅度地升高带钢温度，这对于控制锡层熔化的位置是十分有意的，并且由于与带钢不接触，不会直接造成带钢表面的质量缺陷。但是感应加热的缺点是费用较高，加热效率较低，约为45%，一般无法单独使用。第三，电阻加热与感应加热的配合控制技术该方式增加了感应加热设备后，带钢软熔需要的热量就由感应加热设备和电阻加热设备共同提供。感应软熔设备按不同的控制方式提供相应的热量后，余下的热量由电阻软熔提供。通过电阻加热与感应加热的配合控制，在将设备费用控制在合理范围内的基础上，一方面降低了电阻加热的电压，极大减少了过烧、烧点等质量缺陷，另一方面通过精确控制锡熔化(软熔线)的位置，显著提高了锡层质量；同时，软熔能力得到大幅度的提高，解决了因软熔能力对机组速度的限制问题。但是上述三类软熔加热方式，均会带来较为显著的电能质量问题，比如电阻加热方式中的晶闸管整流调压装置造成的谐波问题，以及感应加热由于采用单相交流供电时的不对称负序问题等。鉴于现有技术的上述缺陷，需要提供一种新型的镀锡工艺中软熔用加热电源。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种新型的镀锡工艺中软熔用大功率中频加热电源，以克服现有技术的上述缺陷，该大功率中频加热电源不仅镀锡质量好，而且能够显著改善加热电源的电能质量。上述目的通过如下技术方案实现镀锡工艺中软熔用大功率中频加热电源，包括相互配套的输入输出柜、变压器柜、功率柜以及控制柜，其中，所述输入输出柜中装有进线开关和出线开关，所述变压器柜中装有移相多绕组整流变压器和降压变压器，所述功率柜中装有多个功率单元，所述控制柜中装有控制器，所述控制器通过控制线分别连接于所述进线开关、出线开关、移相多绕组整流变压器和所述多个功率单元，每个所述功率单元包括输入侧的二极管三相全波整流桥、稳压电容以及输出侧的IGBT逆变桥，所述二极管三相全波整流桥、稳压电容和IGBT逆变桥相互并联，所述移相多绕组整流变压器电连接于各个所述功率单元的输入侧，并且各个所述功率单元的输出侧依次串联，并电连接于所述降压变压器。优选地，所述控制器包括32位DSP处理器和32位ARM处理器。优选地，个所述功率单元的输出侧还分别连接有旁路单元，该旁路单元包括依次串联的两个二极管，该两个二极管并联有依次串联的另两个二极管，该另两个二极管并联有单向晶闸管。通过本实用新型的上述技术方案，本实用新型的大功率中频加热电源突破了关键技术，提高软熔镀锡工艺的整体技术水平，本项目采用功率单元串联多电平结构，生成低压大功率电源(例如200Hz/200V)，直接加热钢带，将电阻加热和感应加热的优点相结合，既有电阻加热的较高加热效率，同时又是一定频率(例如200Hz)的交流电，不会有工频加热时产生的木纹问题等等。此外，电源输入采用移相多绕组整流变压器，具有较高的功率因数以及很低的谐波含量，并且三相供电对称，无显著的电能质量问题，无需电能质量问题的治理和补偿装置。本项目属于智能型完美无谐波中频电源，在加热全过程中无废气、废液、废渣排放以及无对电网电能质量的污染。本实用新型的大功率加热电源不会对环境产生任何地影响，使得软熔镀锡生产线其噪声、能耗和安全将达到国际先进水平，将为用户提供理想的环保新产品。
图1为现有技术的镀锡工艺中软熔用电阻加热电源设备的电路原理图；图2为现有技术的镀锡工艺中软熔用感应加热电源设备的电路原理图；图3为采用电阻加热方法因铁锡合金层不均勻而产生木纹现象的示意图；图4为本实用新型具体实施方式
的镀锡工艺中软熔用大功率中频加热电源的柜体结构的示意图；图5为本实用新型具体实施方式
的镀锡工艺中软熔用大功率中频加热电源的系统原理图；图6为本本实用新型具体实施方式
的镀锡工艺中软熔用大功率中频加热电源的电路原理图；图7为本实用新型优选方式的功率单元的电路图，其中带有旁路单元。图中1输入输出柜；2变压器柜；3功率柜；4控制柜具体实施方式
以下结合附图描述本实用新型镀锡工艺中软熔用大功率中频加热电源的具体实施方式
。参见图4所示，本实用新型的大功率中频加热电源包括相互配套的输入输出柜1、 变压器柜2、功率柜3以及控制柜4，其中，所述输入输出柜1中装有进线开关和出线开关， 所述变压器柜2中装有移相多绕组整流变压器Tl (图5中简称移相变压器)和降压变压器 T2，所述功率柜3中装有多个功率单元Al A7、B1 B7、C1 C7，所述控制柜4中装有控制器，所述控制器通过控制线分别连接于所述进线开关、出线开关、移相多绕组整流变压器 Tl和所述多个功率单元，每个所述功率单元包括输入侧的二极管三相全波整流桥、稳压电容Ca，Cb以及输出侧的IGBT逆变桥，所述二极管三相全波整流桥、稳压电容Ca，Cb和IGBT逆变桥相互并联，所述移相多绕组整流变压器Tl电连接于各个所述功率单元的输入侧并且各个所述功率单元的输出侧依次串联，并电连接于所述降压变压器T2。以下参照附图更具体地描述本实用新型的大功率中频加热电源的结构与原理参见图5至图7，本实用新型的大功率中频加热电源采用功率单元串联多电平结构，生成例如200Hz/200V低压大功率电源，直接加热钢带，将电阻加热和感应加热的优点相结合，既有电阻加热的较高加热效率，同时又是例如200Hz交流电，因此不会有工频加热时产生的木纹问题等。此外，电源输入采用移相多绕组变压器Tl，具有较高的功率因数以及很低的谐波含量，并且三相供电对称，无显著的电能质量问题，无需投运电能质量问题的治理和补偿装置。所述大功率中频加热电源采用单元串联多电平技术，其主要包括移相多绕组整流变压器Tl、功率单元Al A7、Bl B7、Cl C7、降压变压器T2和控制器。输入侧由移相多绕组整流变压器Tl给每个功率单元供电，移相多绕组整流变压器Tl的结构是公知的，例如可以参见图6中的左侧所示。根据电压等级和模块串联级数，移相多绕组整流变压器Tl 可以由36、42和48脉冲系列等构成多级相叠加的整流方式，从而可以大大改善网侧的电流波形，使得网侧电压电流谐波指标满足IEEE519-1992和GB/T14M9-93的要求，使其负载下的网侧功率因数接近1，无需任何功率因数补偿、谐波抑制装置。由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，类似常规低压变频器，便于采用现有的成熟技术。每个功率单元Al A7、B1 B7、C1 C7为基本的交-直-交单相逆变电路，三相交流电a、b、c电连接到输入侧的二极管三相全波整流桥，直流侧的稳压电容Ca，Cb具有稳压、滤纹波和储能的作用，通过对输出侧的IGBT逆变桥(IGBT即绝缘栅双极型晶体管) 进行正弦PWM控制(PWM即脉冲宽度调制)，可得到单相交流输出。每个功率单元结构及电气性能上完全一致，可以互换。所述功率单元的作用是将经由移相多绕组整流变压器Tl输出的交流电(例如 740V/50HZ交流电)变换至工况所需电压和频率的交流电。输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接成单相电源并经降压变压器T2降压至220V单相交流电，给软熔生产线供电，通过对每个单元的PWM波形进行载波移相重组，可得到接近于正弦多电平PWM波形。这种波形正弦度好，du/dt小，对电缆和电机的绝缘无损坏，无须输出滤波器，就可以延长输出电缆长度，可直接变压器和生产线。优选地，每个功率单元的输出侧还可以连接有旁路单元，参见图7所示，该旁路单元包括依次串联的两个二极管，该两个二极管并联有依次串联的另两个二极管，该另两个二极管并联有单向晶闸管， 该单向晶闸管的控制级可以连接于控制器。当某一个功率单元出现故障时，通过控制旁路单元使输出端子短路，可将此单元旁路退出系统，变亚器可降额机械运行；由此可避免很多场合下停机造成的损失。优选地，所述控制器可以采用先进的32位DSP处理器(即数字信号处理器)和32 位ARM处理器(即一种公知类型的处理器)，基于上述处理器的控制平台能够完成各种算法的快速运行，其可以采用n+3的冗余技术以提高设备整体运行的可靠性；利用基于故障树的故障检测技术来准确判断设备故障的位置、严重程度并给出是否适合于继续运行的决策；采用基于网络的实时监控技术，通过网络来监控设备的各种运行状态和数据通过统一管理平台来对其进行管理；为了提高设备连续续工作时问，采用装置热备用及功率单元插拔技术来增加设备的可维护性和可靠性。以下参照附图描述本实用新型的大功率中频加热电源的工作过程。具体地，如图5和图6所示，将典型为IOkV的工业用电通过移相多绕组整流变压器Tl降压至多个例如740V的三相交流电，并相互隔离；多个功率单元Al A7、Bl B7、 Cl C7将上述三相交流电进行AC-DC-AC (即交流-直流-交流)变换，并将各个所述功率单元出口串联至IOkV左右的高压电；再通过降压变压器T2将其降至单相220V交流电，以用于软熔镀锡工况。由上描述可见，本实用新型的大功率中频加热电源结合了电阻加热和感应加热的优点，加热效率效率，又不会产生因为工频50Hz交流电导致的镀锡木纹质量问题。也就是说，本实用新型的大功率中频加热电源突破了关键技术，提高软熔镀锡工艺的整体技术水平，其采用功率单元串联多电平结构，生成低压大功率电源(例如200Hz/200V)，直接加热钢带，将电阻加热和感应加热的优点相结合，既有电阻加热的较高加热效率，同时又是一定频率(例如200Hz)的交流电，不会有工频加热时产生的木纹问题等等。此外，电源输入采用移相多绕组整流变压器，具有较高的功率因数以及很低的谐波含量，并且三相供电对称， 无显著的电能质量问题，无需电能质量问题的治理和补偿装置。本项目属于智能型完美无谐波中频电源，在加热全过程中无废气、废液、废渣排放以及无对电网电能质量的污染。本实用新型的大功率加热电源不会对环境产生任何地影响，使得软熔镀锡生产线其噪声、能耗和安全将达到国际先进水平，将为用户提供理想的环保新产品。在上述具体实施方式
中所描述的各个具体技术特征，可以通过任何合适的方式进行任意组合，其同样落入本实用新型所公开的范围之内。同时，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。此外，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。本实用新型的保护范围由权利要求限定。
权利要求1.镀锡工艺中软熔用大功率中频加热电源，包括相互配套的输入输出柜(1)、变压器柜O)、功率柜(3)以及控制柜G)，其特征是，所述输入输出柜(1)中装有进线开关和出线开关，所述变压器柜O)中装有移相多绕组整流变压器(Tl)和降压变压器(T2)，所述功率柜(3)中装有多个功率单元(Al A7、Bl B7、Cl C7)，所述控制柜中装有控制器，所述控制器通过控制线分别连接于所述进线开关、出线开关、移相多绕组整流变压器 (Tl)和所述多个功率单元，每个所述功率单元包括输入侧的二极管三相全波整流桥、稳压电容(Ca，Cb)以及输出侧的IGBT逆变桥，所述二极管三相全波整流桥、稳压电容(Ca，Cb) 和IGBT逆变桥相互并联，所述移相多绕组整流变压器(Tl)电连接于各个所述功率单元的输入侧，并且各个所述功率单元的输出侧依次串联，并电连接于所述降压变压器(T2)。
2.根据权利要求1所述的镀锡工艺中软熔用大功率中频加热电源，其特征是，所述控制器包括32位DSP处理器和32位ARM处理器。
3.根据权利要求1所述的镀锡工艺中软熔用大功率中频加热电源，其特征是，各个所述功率单元的输出侧还分别连接有旁路单元，该旁路单元包括依次串联的两个二极管，该两个二极管并联有依次串联的另两个二极管，该另两个二极管并联有单向晶闸管。
专利摘要镀锡工艺中软熔用大功率中频加热电源，包括进线开关、出线开关、移相多绕组整流变压器、降压变压器、多个功率单元、控制器，控制器通过控制线连接于进线开关、出线开关、移相多绕组整流变压器和多个功率单元，每个功率单元包括二极管三相全波整流桥、稳压电容和IGBT逆变桥，移相多绕组整流变压器电连接于各个功率单元的输入侧，并且各功率单元的输出侧依次串联并连接于降压变压器。本实用新型将电阻加热和感应加热的优点相结合，既有电阻加热的较高加热效率，同时又是一定频率的交流电，不会产生木纹问题等。此外，电源输入采用移相多绕组整流变压器，具有较高的功率因数以及很低的谐波含量，并且三相供电对称，无显著的电能质量问题。
文档编号H05B6/06GK202005001SQ20102069805
公开日2011年10月5日 申请日期2010年12月28日 优先权日2010年12月28日
发明者戴明生, 杨振宇, 许胜 申请人:扬州博尔特电气技术有限公司