1 前言
目前，我國設計與製造的高頻焊管裝置都是採用電子管振盪器的單迴路高頻裝置，通過調節電子管陽極電壓大小，達到調節高頻輸出功率的目的。電子管高頻焊管裝置不僅效率低，體積大，而且存在使用前需要預熱，電子管使用壽命短等諸多缺點。
因此採用功率mosfet構成高頻逆變器的固態高頻電源在容量和頻率兩方面都得到很大提高，除在一些特殊應用領域（如高頻介質加熱等行業）外，固態高頻電源完全能取代電子管高頻電源，而成為新一代感應加熱電源的代表。
大容量、高頻化的固態高頻電源主要應用領域是高頻焊管行業，由於我國高頻焊管行業存在感應器開路、感應器與鋼管短路等突變惡劣工況，同時高頻焊管電源基本屬於滿負荷長期工作制，因此固態高頻電源在焊管行業中的應用代表了固態高頻電源設計與製造的最高水平。在焊管行業中的應用以美國色瑪圖公司生產的固態高頻電源最具代表性，無論在電源功率、頻率和配套性等方面都具有世界先進水平。中國河北保定三伊天星電氣****自行設計製造的固態高頻焊管裝置已在功率60~300kw、頻率300~550khz範圍內取得了成熟的執行與設計經驗。
本文以保定三伊天星電氣****研製的採用功率mosfet作為逆變開關器件的固態高頻焊管為基礎，對電源的工作原理及其在高頻焊管行業中的應用進行的討論，並與電子管高頻焊管電源和國外固態高頻焊管電源進行了比較。
2 固態高頻電源的工作原理
固態高頻電源採用常見的交—直—交變頻結構。三相380v電源經開關櫃中的降壓變壓器和主接觸器後，送入電源櫃中的整流器，整流器採用三相閘流體全控整流橋，通過控制閘流體導通延時角α，達到調節電源輸出功率大小的目的，整流後的直流電壓經濾波環節送入高頻逆變器，由高頻逆變器逆變產生單相高頻電源送入諧振電路，經焊接變壓器和感應器輸出高頻能量，完成鋼管焊接。
高頻逆變器可以有串聯諧振型和併聯諧振型兩種，由於併聯諧振型逆變器在高頻電源應用中有諸多困難，如需要大功率快恢復整流二極體等，因此使其在大容量高頻電源中的應用受到限制。串聯諧振型逆變器也稱電壓諧振型逆變器，要求逆變器輸入平滑的直流電壓（其紋波係數小於1%），這一點對焊管來說是非常重要的，因為平滑的直流電壓最終將導致鋼管焊縫內毛刺非常平整，通過擠壓輥工藝調整，採用固態電源焊接的鋼管內毛刺將很小。
大容量化電源將通過兩個途徑來實現：其一是功率mosfet的併聯構成逆變橋，目前高電壓（≥1000v）的mosfet最大電流容量只有36a，由於受到多管併聯後器件均流和動態分布引數的影響，單逆變橋功率以設計50kw為宜，更大容量的電源裝置則應採取第二個擴容方法，即併聯逆變橋方式實現。由於電壓諧振型逆變器多採用匹配變壓器付邊串聯來合成功率輸出，因此對於高頻逆變器併聯來說，輸入和輸出均為軟連線，一定程度上放寬了對逆變器一致性的要求，因此從理論上來說，併聯橋數量不會受到限制，這樣解決了固態高頻的大容量化問題。
採用這種方式合成功率的另乙個目的是對併聯後的高頻逆變器實現了強制均流，在恆壓源供電的情況下，最大程度上實現了高頻逆變器的安全化。
圖1是固態高頻焊管裝置的框圖。
圖1 固態高頻焊管裝置框圖
固態高頻電源在焊管行業中的應用(續)
3 幾個特殊問題的介紹
3.1 逆變器工作狀態的適應範圍
感應加熱電源受負載的影響，槽路等效阻抗可能呈現容性、阻性和感應三種狀態，即要求高頻逆變器適合工作於容性、阻性和感性。由於功率mosfet在製造中存在反併聯寄生二極體，該管的反向恢復時間約為2μs，在工作頻率為400khz時，其反向恢復時間超過3/4個振盪週期。當常規的串聯型逆變器工作在容性時，寄生二極體在容性角度時間內流過槽路電流，由於其反向恢復時間很長，在逆變器換向時上下橋臂出現短路，形成很大的環流，導致功率mosfet損壞。
這表明常規的串聯型逆變器不能工作於容性狀態，為了避免這種工作狀態，一方面要求逆變控制的頻率跟蹤速度很快，達到在動態過程中總是保持槽路呈現感性的目的，這是很困難的；另一方面為了避免動態過程中進入容性狀態，要求正常工作時的感性角度很大（φ>30°），這樣造成功率mosfet開關損耗增加，逆變器功率因數降低，從而失去固態裝置高效節能的根本優勢。解決上述問題的最佳辦法是克服寄生二極體的影響，即通過外部串並聯快恢復二極體對串聯型逆變器進行改造，由外部併聯的快恢復二極體取代寄生二極體的作用，這樣就可以使高頻逆變器工作於諧振狀態，從而達到提高逆變器功率因數和實現功率mosfet軟開關的目的。
3.2 逆變器的頻率跟蹤
圖2 逆變控制原理框圖
在高頻焊管過程中，高頻逆變器總是工作在諧振狀態附近的，由於負載的影響造成槽路等效引數的變化，將使逆變器偏離最佳工作點，因而不僅造成功率mosfet關斷電流值增加，引起關斷損耗增大，而且當逆變器工作點偏離諧振點較遠時，在一定q值下會使負載等效阻抗增大，逆變器功率容量不能充分利用。因此逆變器具有優良的頻率自動跟蹤能力是至關重要的，圖2是採用鎖相環電路實現頻率自動跟蹤和相角鎖定的逆變控制原理圖，根據互感器檢測到的逆變器輸出電壓和電流的相位關係，經相位檢測電路輸出對應相位差的占空比高低電平訊號，濾波後得到直流電平，該電平反映了輸出電壓電流的基波相移，將直流電平與設定的相位鎖定值電平比較輸出控制訊號，調節壓控振盪器的輸出頻率，從而達到頻率自動跟蹤和鎖定逆變器相位的目的。
3.3設計輸出功率偏大
固態高頻裝置所標稱的功率值為直流側功率，這與電子管高頻裝置標稱振盪功率是不同的。裝置功率受負載匹配條件的影響較大，良好的負載匹配是功率輸出的保證，因為直流側電壓和電流都不能超過其允許值，也就是說存在udmax和idmax，只有當電壓和電流同時達到最大時，才能保證輸出最大功率。對於同一焊管機組，由於更換鋼管規格、鋼管壁厚的變化、採用不同的感應器等都會引起負載匹配問題，當然負載匹配不可能也不必要做到無級調節，在設計固態高頻焊管裝置時應按照符合工程設計誤差的原則充分考慮負載匹配問題：
①負載匹配良好時，裝置功率允許在110%額定功率下長期執行；
②負載匹配一般時，裝置工作保證在100%額定功率下長期執行；
③負載匹配較差時，裝置功率保證在90%額定功率下長期執行。
3.4 安全裕量大
對於50kw高頻逆變器，idmax=120a，逆變器橋臂採用8只36a功率mosfet和16只100a快恢復二極體併聯組成，其併聯能承受的額定電流為288a，考慮均流係數和動態分布引數的影響等綜合因素，設計工作電流在功率mosfet額定電流的1/3-1/2區域內，保證高頻逆變器有合理的安全裕量。
3.5 輸出頻率高
固態高頻焊管裝置能夠適應的最高工作頻率代表裝置製造水平，這與控制技術、主電路器件選擇、工藝水平等密切相關。從焊管工藝來說，小口徑、薄壁鋼管需要較高的焊接頻率，否則由於焊接頻率過低，一方面造成焊縫熱熔區過寬，所需的焊接功率增加，影響焊接效率和鋼管焊接後的美觀性；另一方面由於焊接變壓器（空芯）效率受頻率影響較大，焊接頻率降低，焊接變壓器耦合效率降低，從而影響整機效率。參照電子管焊管裝置頻率設計，固態裝置根據功率大小應設計的輸出頻率為：
對於60kw裝置，輸出頻率500-550khz；對於100kw裝置，輸出頻率400-450khz；對於150kw、200kw裝置，輸出頻率350-400khz；對於200kw以上裝置，輸出頻率300-350khz。
4 與電子管高頻焊管電源的比較
電子管高頻焊管裝置積累了長期的執行設計經驗，裝置質量和執行穩定性已被廣大焊管企業所接受。隨著固態焊管裝置的推廣應用，其高效節能的強勁優勢為激烈的焊管行業競爭開闢了一條新路。表1是兩種焊管裝置的設計和執行引數比較。
表1：兩種焊管裝置設計和執行引數比較
5 與國外固態高頻焊管電源的比較
國外固態高頻電源的發展已有十幾年的歷史，由於歐美國家工業化程度較高和裝置配套性較好，在整機技術水平和工藝方面與國內裝置相比仍有優勢，但其昂貴的裝置**、維修費用高和不符合中國國情的售後服務體系都限制了國外焊機在中國的推廣應用。如何盡快提高國產固態焊機的技術工藝水平，發展民族工業，是擺在高頻焊機製造企業面前的緊迫問題。與國外固態高頻相比，國內裝置應著重解決以下問題：
①高頻化：國內固態焊機工作頻率最高550khz，這與國外先進固態焊機工作頻率已達到600~800khz相比仍有較大差距，在有色金屬管等特殊焊管方面無法取代電子管裝置。因此提高工作頻率，擴大固態焊機應用領域仍是國內固態焊機需進一步**的方向之一。
②大容量化：據報導國外已具備生產1700kw固態高頻電源的能力，國內裝置目前製造水平保持在400kw，生產800kw固態焊機估計仍需2~3年時間，進一步解決裝置工藝結構問題和器件併聯技術、逆變橋併聯技術問題，是發展大容量固態高頻裝置的基礎。
③配套性與智慧型化控制：隨著焊管生產線智慧型化程度和對電源高可靠性要求的提高，必須加強固態焊機配套性的開發，如裝置水冷系統、負載匹配與感應器製作、密封機箱設計、速度—功率閉環控制系統等，同時固態高頻裝置正向智慧型化控制方向發展，具有計算機智慧型介面、液晶顯示屏人機介面、遠端控制、故障自動診斷等控制效能的固態裝置正成為下一代發展目標。
6 結束語
固態高頻裝置以其高效節能和執行維護費用低等突出優點，在焊管行業正對傳統電子管裝置提出強有力的挑戰，成為電子管焊管裝置的更新換代產品，這對節約能源、降低焊管成本、提高焊管質量都具有積極意義和深遠影響。固態高頻焊管裝置是電力電子技術發展的結晶，必將對焊管行業高頻焊管電源產生一次新的技術革命。
固態繼電器工作原理
觸發電路 的功能是產生符合要求的觸發訊號，驅動開關電路 工作，過零控制電路 的作用是 當ab端加入控制訊號時，即使交流電壓過零，ssr也為導通狀態 只有當斷開ab端的控制訊號後，ssr在交流電過零 零電位 時，才轉換為斷開狀態。這樣可防止電路在開 關過程中產生的高次諧波對電網形成汙染。吸收電路 是為...
固態繼電器工作原理
固態繼電器也稱作固態開關.是一種由固態電子組成的新型電子開關器件,集光電藕合,大功率雙向閘流體,及觸發電路,阻容吸收迴路於一體.用來代替傳統的電磁式繼電器.實現對單相或者三相電動機的正反轉控制,或者其它控制.無觸點無動作噪音.開關速度快無火花干擾和可靠性高等優點.按負載電源的型別不同 固態繼電器分交...
高壓釜構造及工作原理
4 試運轉前應先接好攪拌器下邊的冷卻水套的進出水管，作公升溫公升壓試驗，公升溫速度不大於80 小時。5 正常執行 一切無誤後方可加入反應物料，按工藝進行反應。6 釜蓋的開啟 清洗及安裝 需要開啟釜蓋時，請先將溫度降至常溫 卸壓後用扳手均勻地鬆開主螺母，將釜蓋取下放在支架上，然後進行內部清理。釜體內壁...