高频感应加热装置的制作方法

本实用新型涉及一种高频感应加热装置，其可在核能工程领域中用于核电站严重事故模拟、单晶燃料棒研究以及燃料后处理中熔炼高熔点模拟材料，尤其是涉及一种用于熔炼高熔点金属氧化物的高频感应加热装置。

背景技术：

在核能工程领域，单晶燃料棒、燃料后处理以及核电站严重事故的研究试验中，均需要将高熔点材料UO₂和ZrO₂熔化，严重事故研究试验还需要模拟熔化过程，普通加热手段无法实现，需使用感应加热系统。该系统由高频感应电源、感应线圈组成，其原理是将分瓣的水冷铜坩埚置入高频感应电源和感应线圈产生的高频交变电磁场中，利用高频交变电磁场产生的涡流使其融化。

使用感应加热系统要求被加热物质具有较好的导电性，但高熔点模拟材料在低温下导电性能差，将其预热至高温的部分厚度小，因而感应加热电源系统需输出特定高频交流电流方能实现熔化并保证较高的效率。目前，适用于其熔化的功率开关器件有MOSFET和IGBT。MOSFET可用于频率高达500kHz的感应电源中，较适合小功率场合，如输出大功率需并联，易导致系统稳定性下降；IGBT常用于频率1-100kHz的感应电源中，适合0-1000kW功率范围内的各种场合。

目前，工业熔炼ZrO₂制作宝石多采用MOSFET式感应加热电源，其电源原理为可控整流→逆变输出，该电源功率因数较低，一般为0.3-0.8，需提供较大无功功率；另一种方式是整流→移相调节逆变输出，谐波含量较高，对其他设备干扰较大，对功率器件要求高，功率因数低。在世界范围内，在研究严重事故中对高熔点金属氧化物进行熔炼使用的高频感应加热电源也存在功率因数低等问题，如巴巴原子研究中心(Bhabha AtomicResearch Centre)熔炼某金属氧化物的感应加热装置，在起熔阶段功率因数为0.8左右，熔化阶段下降至0.5，平稳阶段持续在0.5以下。

同时，现大多数企业及研究机构在熔炼时多采用人工观察或测温的方式判断填料是否熔化。由于在常温情况下，该种高熔点金属氧化物为粉末状态，无法保证在填料过程中完全杜绝气体，因此在熔化过程中极易出现内部气体膨胀喷溅，如采用人眼观察易发生安全事故。采用顶部安装红外测温仪测温的方式，由于高熔点金属氧化物熔化后顶部会形成一层薄壳，仅能测量顶部薄壳外一小范围的温度，无法直接反映整体的熔化状态。采用直接温度测量的方式，由于熔点太高且在高频感应加热装置的内部交变磁场太强，会产生很大干扰导致测温仪表无法测量，或者直接加热该仪表会导致仪表损坏。

因此，需要开发一种可高效熔化高熔点金属氧化物、功率因数在熔化过程中始终保持近似为1、谐波含量小的感应加热装置，此外，需要一种使用电气参数的变化的技术手段来间接说明高熔点金属氧化物的熔化过程状态，这将具有重要意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种适用于高熔点金属氧化物的高频感应加热装置，尤其是在核能工程领域中用于核电站严重事故模拟、单晶燃料研究以及燃料后处理中熔炼高熔点模拟材料。

本实用新型的目的还在于提供一种提高工作时功率因数、减小谐波含量的高频感应加热装置。

为达到上述目的或目的之一，本实用新型的技术解决方案如下：

一种高频感应加热装置，所述高频感应加热装置包括输入电源和电路拓扑，其特征在于，所述电路拓扑包括三相不控整流桥、整流滤波电路、IGBT斩波电路、斩波滤波电路、逆变电路、匹配变压器和感应线圈，其中所述三相不控整流桥的输入端与输入电源的三相连接，所述三相不控整流桥的输出端与整流滤波电路连接，整流滤波电路连接IGBT斩波电路，IGBT斩波电路的输出经由斩波滤波电路连接逆变电路，电流经逆变电路逆变为交流电流后经隔直电容连接匹配变压器的一次侧，匹配变压器的二次侧经谐振电容连接感应线圈。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述整流滤波电路由第一电容和第一电感组成。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述IGBT斩波电路包括IGBT和与IGBT并联的缓冲电路，所述缓冲电路由第一电阻、第二电容和二极管构成。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述斩波滤波电路由第三电容和第三电感组成。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述高频感应加热装置还包括信号采集通讯板，用于对由互感器检测到的数据进行采集，采集到的数据经滤波电路和A/D转换电路后输出至DSP数据处理主控板进行处理，并且信号采集通讯板接收从DSP数据处理主控板输出的信号，所述信号经处理后从信号采集通讯板输出。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述高频感应加热装置还包括控制线和远程上位机，启停、急停和功率输入信号通过控制线从信号采集通讯板的信号输入端子引至远程上位机，从而进行远程控制，故障、报警和功率输出信号通过控制线从信号采集通讯板的信号输出端子引至远程上位机。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述高频感应加热装置还包括触摸屏，通过触摸屏实现本地和远程的切换、工作模式的切换以及输出参数的设置，并且实现显示。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述信号采集通讯板包括安全联锁端子，在安全联锁端子中引入柜门闭锁、冷却正常和绝缘完好信号，并将柜门闭锁、冷却正常和绝缘完好信号作为是否运行高频感应加热装置的逻辑判断信号，在柜门闭锁、冷却正常和绝缘完好三个条件均满足的情况下运行高频感应加热装置。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述高频感应加热装置还包括IGBT斩波驱动板和IGBT逆变驱动板。

通过本实用新型的技术方案取得了如下技术效果：1、使用不控二极管整流，使用斩波电路调节功率，提高了装置工作时的功率因数、减小了谐波含量；2、使用相位法控制逆变器进行频率跟踪，使输出电压、输出电流同步，使整个系统工作时功率因数近似为1，转换效率提高；3、可实现恒压/恒流/恒功率三种工作模式切换；4、启停、急停、功率输入三项重要信号输入和故障、报警、功率输出三项关键信号输出使用控制线与远程上位机连接，提高了可靠性；其他参数如变压器温度、输入电压电流检测等均通过RS-485通讯传递至远程上位机；5、采取机柜锁闭、冷却正常、绝缘完好安全联锁信号，充分保证了操作安全；6、通过计算远传品质因数Q，代替人眼观测方式或温度测量方式进行高熔点金属氧化物熔融状态监测；7、远程控制、参数检测及熔化状态监测可保证在高熔点金属氧化物熔化过程中进行远程操作，人员远离，充分保证人身安全。

附图说明

图1为根据本实用新型实施例的高频感应加热装置的电路拓扑图；

图2为根据本实用新型实施例的高频感应加热装置的控制原理图；

图3为示出根据本实用新型实施例的功率设定的电路原理框图；以及

图4为示出根据本实用新型实施例的频率跟踪的电路原理框图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本实用新型的示例性的实施例，其中相同或相似的标号表示相同或相似的元件。另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

高频感应加热装置的电路部分主要包括如下构成：输入电压、电流检测电路、三相不控整流桥、整流滤波电路、整流电压检测电路、整流电流检测电路、IGBT斩波电路、IGBT斩波驱动、斩波滤波电路、斩波电流检测电路、斩波电压检测电路、IGBT逆变电路、IGBT逆变驱动、输出电路、输出电流检测电路、输出电压检测电路、DSP数据处理主控板、信号输入电路、信号输出电路、RS485通讯、安全联锁、触摸屏。

图1显示根据本实用新型实施例的高频感应加热装置的电路拓扑图：三相不控整流桥输入端接电源A、B、C三相，之后经由电容C1和电感L1组成的整流滤波电路接入IGBT斩波电路，IGBT斩波电路用IGBT并联有由电阻R1、电容C2及二极管构成的缓冲电路，IGBT斩波电路输出经由电容C3和电感L3组成的滤波电路后接入逆变电路，逆变为交流电流后经隔直电容C4接至匹配变压器T1一次侧，匹配变压器T1二次侧经谐振电容C5接至感应线圈L5。假设功率输出为200kW，额定频率为100kHz，三相交流为380V输入，则不控整流输出整流电压为1.35*380V＝513V，考虑到元器件和线路的压降可取500V，根据输出功率为200kW，考虑后级电路变换效率为0.9，则整流电流为200/0.9/500＝445A。二极管选择1200V/400A。整流滤波电容C1主要作用为滤波和稳定电压，在二极管三相桥式不控整流电路后，其直流输出电压中的纹波基波成分频率为300Hz，为保证后级电路能稳定工作，C1与整流电路后级电路的等效电阻Rd1的乘积，可取2倍基波的周期，C1*Rd1＝6.75ms，则C1可取为6005μF，其耐压必须高于537V，可根据电解电容器的产品规格选择；电抗器(电感)L1主要用来限制电容C1的充电电流尖峰，电感量可取小点。如C1工作时发热且出现高次谐波，还需并联一高频电容器用来流通高频无功电流，其值为经验值，一般为40μF。斩波电路的最大输入电压为500V，输入电流为445A，其输出电压为0～500V可调。斩波电路除保证所有电气元器件耐压足够外，需考虑输出最大电流时斩波电路内IGBT的散热设计是否合理，保证在最恶劣环境下IGBT的结温不超过允许的最大温度，其散热主要针对IGBT和IGBT内反并联二极管，IGBT及其反并联二极管的损耗主要包括IGBT的导通损耗、开关损耗以及二极管的导通损耗和开关损耗。其后的滤波电容C3的选择方式同C1，只是纹波频率变为了20kHz左右；滤波电感L3起限流作用，其值与C3乘积为经验值，且L3、C3值需考虑到在全电流工作条件下，后级电路突然停止工作，储存在L3中的能量转移到C3中，使C3两端电压升高加在后级电路上，因此L3不适合很大。同样，如C3工作时发热且出现高次谐波，还需并联一高频电容器用来流通高频无功电流，其值为经验值，一般为2～3μF。逆变器输出电流约为550A，用两个1200V/400AIGBT并联使用。匹配变压器T1变比可调，以最优匹配熔化过程，其容量需稍大于有功功率。逆变输出电压为450V，谐振电容器C5两端电压按10kV设计，感应线圈L5电感量需与谐振电容器匹配，使其在额定功率下工作在谐振状态。在高熔点金属氧化物熔化过程中，随着负载的熔化，其感应到的有功功率增加，电感值有一定波动，品质因数Q发生变化，需在实际调试过程中对谐振电容C5、匹配变压器T1变比做一定调整。

图2根据本实用新型实施例的高频感应加热装置的控制原理图：信号采集通讯大板主要作用为对各个互感器检测到的数据进行采集，并经滤波、A/D转换等电路后输出至DSP数据处理主控板处理，同时接受从DSP数据处理主控板输出的各信号，并处理后传输至驱动板及其他控制器件。DSP数据处理主控板主要处理由信号采集通讯大板传来的各个信号，数据处理及逻辑判断后发出信号给信号采集通讯大板。三相输入经电流、电压传感器接入信号采集通讯大板输入电流和A、B、C三相检测脚，以检测输入电压、电流，信号滤波、A/D转换后与DSP数据处理主控板通讯判断其是否合格，如输入欠压、输入过压、输入过流、输入频率超过范围则发出故障信号，停止装置运行；整流后经由电容C1、电感L1组成的滤波电路滤波后的整流电路、整流电压经互感器接入信号采集通讯大板整流电流、整流电压脚，经信号滤波、A/D转换后与DSP数据处理主控板通讯判断其是否合格，如经整流判断不合格则发出相应故障信息，并停止装置运行；斩波回路输出经由电容C3、电感L3组成的滤波电路后，斩波电压、斩波电流经互感器传输至信号采集通讯大板的斩波电压、斩波电流引脚，经信号滤波、A/D转换后与DSP数据处理主控板通讯；逆变电路输出经隔直电容C4、匹配电容器T1、谐振电容C5后，输出电流、电压经电流互感器、电压互感器传输至主板的输出电流、输出电压引脚，谐振电容两端电压经电压互感器后传输至谐振电压引脚，均经信号滤波、A/D转换后与DSP数据处理主控板通讯。通过比对经由控制屏输入并与DSP数据处理主控板通讯后由主控板对比设定输出值与输出电流/电压/功率值，经信号采集通讯大板输出信号至IGBT斩波驱动板，使之达到设定的输出数值。输出电压、输出电流采集信号经信号采集通讯大板信号处理后传输至DSP数据处理主控板进行相位比较后输出至IGBT逆变驱动板，使之工作在谐振状态。启停、急停、功率输入信号通过控制线从信号采集通讯大板信号输入端子引至远程上位机进行远程控制；故障、报警、功率输出信号经过控制线从信号采集通讯大板输出信号端子引至远程上位机。主板安全联锁端子中引入柜门闭锁、冷却正常、绝缘完好信号，并作为装置是否运行的逻辑判断信号，三者均满足方可运行。RS-485通讯与机柜上触摸屏端口连接，通过触摸屏实现本地远程切换、工作模式切换、输出参数设置、功率因数Q显示、输入电压/电流监测值显示、整流电压/电流监测值显示、斩波电压/电流监测值显示、输出电压/电流监测值显示、泄露电阻显示、变压器相关参数显示、机柜冷却相关参数显示、启动、停止、故障内容显示、报警内容显示等操作，通过触摸屏将电源未通过控制线传输的参数通过RS-485远传至远程上位机显示。

图3为示出根据本实用新型实施例的功率设定的电路原理框图，装置用输出功率由斩波电流、斩波电压乘积计算所得，逆变电路工作在谐振状态下，相比于输出功率，该值可忽略，且直流测量电流、电压精度较高，则此种计算方式控制精度较高。首先设置选择恒压/恒流/恒功率工作模式，通过触摸屏/信号输入键入要求的输出值，经过信号采集通讯大板调制后输入DSP数据处理主控板与调制后的输出电流/电压/功率对比后，与运行故障信号逻辑对比，数据处理后经信号采集通讯大板调制输出至IGBT斩波驱动板，使之达到设定的输出数值。

图4为示出根据本实用新型实施例的频率跟踪的电路原理框图，信号采集通讯大板采集输出电压、输出电流波形，经过相位处理、隔离后输入DSP数据处理主控板进行相位比较，并与运行、故障等信号的逻辑对比，比较后差值传输至信号采集通讯大板相位差经滤波和放大等调制输出至IGBT逆变驱动板，调节输出电流频率，使输出电流、输出电压相位相同，工作在谐振状态。

在高熔点金属氧化物熔化过程中，随着负载的熔化，其感应到的有功功率增加，则在熔化过程中其输出谐振回路的品质因数Q有一定变化，且随熔池所能感应到的有功功率增加而变小。

根据本实用新型，设计并制作了一种用于高熔点金属氧化物的高频感应加热装置，该装置主要电路拓扑为三相不控整流输出经滤波后输出至IGBT斩波电路调功，经滤波后输出至逆变电路逆变为所需频率交流，逆变电路为电压型串联谐振逆变电路。该装置控制电路主要通过检测逆变电压、逆变电流计算功率。通过检测输出电压、输出电流、谐振电容电压，通过切换工作模式选择所要求的工作模式，并键入所要求输出值，与实际输出值对比控制输出所要求值，计算显示品质因数Q，通过对比输出电流、输出电压相位的方式实现二者同相位输出。

通过本实用新型的技术方案取得了如下技术效果：1、使用不控二极管整流，使用斩波电路调节功率，提高了装置工作时的功率因数、减小了谐波含量；2、使用相位法控制逆变器进行频率跟踪，使输出电压、输出电流同步，使整个系统工作时功率因数近似为1，转换效率提高；3、可实现恒压/恒流/恒功率三种工作模式切换；4、启停、急停、功率输入三项重要信号输入和故障、报警、功率输出三项关键信号输出使用控制线与远程上位机连接，提高了可靠性；其他参数如变压器温度、输入电压电流检测等均通过RS-485通讯传递至远程上位机；5、采取机柜锁闭、冷却正常、绝缘完好安全联锁信号，充分保证了操作安全；6、通过计算远传品质因数Q，代替人眼观测方式或温度测量方式进行高熔点金属氧化物熔融状态监测；7、远程控制、参数检测及熔化状态监测可保证在高熔点金属氧化物熔化过程中进行远程操作，人员远离，充分保证人身安全。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化。本实用新型的适用范围由所附权利要求及其等同物限定。