全數字大功率IGBT電磁加熱在鉛蓄電池板柵制造熔鉛中的應用①

2016-03-28 00:33:46吳永橋楊俊超顏廷廣孔祥兵

電池工業 2016年1期

吳永橋，楊俊超，馬營，顏廷廣，孔祥兵，何萌

(山東圣陽電源股份有限公司，山東曲阜 273100)

1 概述

2012年5月11日，工業和信息化部、環境保護部發布《鉛蓄電池行業準入條件》，要求“采用重力澆鑄板柵工藝，應實現集中供鉛”。因此，鉛酸蓄電池行業出現了“一鍋多機、集中供鉛” 式的板柵制造設備，該供鉛方式的熔鉛爐和輸鉛管大多采用傳統的加熱方式，即：熔鉛爐采用L型電加熱管的電阻加熱方式，輸鉛管采用電阻式加熱管加熱或大功率低壓變壓器短路加熱的方式。

通過長期使用發現，板柵制造設備中熔鉛爐和輸鉛管的傳統加熱方式存在能耗高、故障率高、維修成本高、廢渣率高、維修不方便和存在職防安全隱患的弊端。

針對傳統加熱方式的弊端，本文提出，在蓄電池板柵生產線引入全數字大功率IGBT電磁加熱的技術，可以有效降低能耗、提高加熱效率和維修便捷性、減少材料燒損、降低故障率和維修成本。

2 電磁感應加熱技術的使用背景和基本原理及IGBT模塊

2.1 使用背景

電磁感應加熱技術自上世紀70年代在我國得到應用實踐以來,逐漸在各行各業得到了廣泛應用,特別是在冶金、機械、電力、鐵道、交通和國防工業等部門得到比較多的應用,并日趨成熟[1][3]。2010年，蓄電池行業首先把大功率IGBT模塊應用在充放電設備上，獲得巨大成功，使直流母排式充放電機在業內得以廣泛的推廣。山特瑞聊城電子技術有限公司和浙江湖州盛強機械科技有限公司均推出IGBT電磁加熱電源替換可控硅控制電源并開始研發電磁加熱熔鉛爐。它所加熱的對象，一般是導電的金屬材料，因此它的加熱具有良好的選擇性。正是由于它的這種選擇性,在一些特殊場合，有著其他加熱方式不可替代的優越性[4]。

2.2 基本原理

所謂“電磁感應加熱技術”, 加熱電源產生的交變電流通過感應器(即線圈)產生交變磁場，導磁性物體置于其中切割交變磁力線，從而在物體內部產生交變的電流(即渦流)，渦流使物體內部的原子高速無規則運動，原子相互碰撞、摩擦而產生熱能所實施的渦流加熱技術。即是通過把電能轉化為磁能，使被加熱的鋼體感應到磁能而發熱的一種加熱方式，這種加熱方式從根本上解決了電阻加熱效率低的問題。其原理見圖1。

圖1 電磁感應加熱原理圖Fig .1 Electromagnetic induction heating technology principles graph

2.3 IGBT模塊

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。IGBT非常適合應用于直流電壓為500V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

本文的應用中，IGBT模塊采用從德國進口的高端零部件，晶體管高頻電源的整流部分采用半橋整流，電感和電容濾波方式。

3 大功率IGBT高頻整流電磁加熱方式的優點

(1)直流電壓始終工作在500V，不需調導通角，因此具有不產生高次諧波、不污染電網、變壓器和開關不發熱，不干擾工廠內其它電子設備運行的優點。

(2)恒功率輸出： IGBT晶體管高頻電源采用調頻調功，不受爐內鉛料多少和爐襯厚薄的影響，在整個熔煉過程中保持恒功率輸出，因此具有熔化速度快、加熱效率高、爐料元素燒損少的優點。

4 電磁感應加熱在熔鉛爐與輸鉛管中的應用設計

4.1 在熔鉛爐中的應用設計

采用圓形截面的熔鉛爐。因當截面積和其它形狀的截面積相同時，圓形截面具有最小的周長，因此圓形截面與空氣接觸小，爐料元素燒損少。

4.2 在熔鉛爐中的應用設計

輸鉛管是由鐵質材料制成，線圈纏繞在保溫層外邊，與鉛爐加熱原理相同，同屬內加熱，加熱時外部與室溫基本相當。

4.3 感應線圈固定設計

將感應線圈通過支撐結構和爐子的底座、外殼或者輸鉛管剛性連接在一起，以方便鐵質坩堝或輸鉛管破損后更換。保溫棉的厚4-5cm，線圈直接纏繞在保溫層的外側再用固定材料支撐。

5 電磁感應加熱與電阻加熱兩種方式的對比

5.1 不同加熱方式在熔鉛爐應用中的對比

5.1.1 電阻加熱

行業中原來的熔鉛爐大多采用長方體設計、電阻加熱方式(如圖2所示)：將電熱管插到鉛液里，直接對鉛加熱，外部采用隔熱層保溫。這種結構和加熱方式的優點是加熱效率很高；但存在如下缺點：缺點：(1)方形設計焊縫較多、故障率較高，需要經常維護；(2)隔熱效果不是很好，熱量損失較大且耗電量大；(3)電熱管故障后必須在高溫狀態下取出和放入，存在安全和職防隱患；(4)爐料損失大，出渣率高，增加材料損耗成本。

5.1.2 IGBT大功率電磁加熱

IGBT感應加熱，爐體由鐵質材料制成、采用圓形設計，加熱線圈纏繞在隔熱層外面(如圖3所示)，電磁感應對爐體加熱，再由爐體傳導給爐內的電解鉛，達到熔鉛的目的。這種結構和加熱方式具有如下優點：(1)圓形設計，焊縫較少，因此壽命長且維護少；(2)隔熱材料緊緊地包圍在爐體的周圍，隔熱效果很好，熱量損失小，因此加熱效率高且耗電量小；(3)爐口與空氣接觸面積小，因此爐料損失小，出渣率低，從而降低材料損耗成本。

圖2 電阻加熱示意圖Fig .2 Diagram of the resistance heating

圖3 電磁加熱示意圖Fig.3 Diagram of the electromagnetic heating

5.2 不同加熱方式在輸鉛管應用中的對比

5.2.1 電阻加熱

行業中采用電阻加熱的輸鉛管是將電熱管緊貼在輸鉛管外面，再用保溫材料將電熱管和輸鉛管包扎在一起，電熱管單邊給輸鉛管加熱，然后由輸鉛管傳導給鉛液(如圖4所示)，因此存在干燒現象，具有如下缺點：(1)電熱管外壁高溫氧化快，導致壽命短，增加維修頻次和成本；(2)維修時必須停電和降溫后才能進行，增加停機時間；(3)保溫層外部測量高達120 ℃，熱能量損失嚴重，耗能較高。

5.2.2 大功率低壓變壓器短路加熱

這種加熱方式雖然初期使用時加熱溫度均勻，維修量小，但存在如下缺點：(1)維修使用時隔離不徹底，導致漏電、冒火花等情況，最終導致功率下降；(2)輸鉛管與鉛勺合金成份燒損嚴重；(3)雖有保溫，但熱量損失嚴重。

5.2.3 電磁感應加熱

輸鉛管由鐵質材料制成，線圈纏繞在保溫層外邊(如圖5所示)，與鉛爐加熱原理相同，同屬內加熱，加熱時外部與室溫基本相當。因此具有壽命長且維護少、隔熱效果好、熱量損失小、維修量小且安全、便捷等優點。