本實用新型涉及一種高頻感應加熱裝置，其可在核能工程領域中用于核電站嚴重事故模擬、單晶燃料棒研究以及燃料后處理中熔煉高熔點模擬材料，尤其是涉及一種用于熔煉高熔點金屬氧化物的高頻感應加熱裝置。

背景技術：

在核能工程領域，單晶燃料棒、燃料后處理以及核電站嚴重事故的研究試驗中，均需要將高熔點材料UO₂和ZrO₂熔化，嚴重事故研究試驗還需要模擬熔化過程，普通加熱手段無法實現，需使用感應加熱系統。該系統由高頻感應電源、感應線圈組成，其原理是將分瓣的水冷銅坩堝置入高頻感應電源和感應線圈產生的高頻交變電磁場中，利用高頻交變電磁場產生的渦流使其融化。

使用感應加熱系統要求被加熱物質具有較好的導電性，但高熔點模擬材料在低溫下導電性能差，將其預熱至高溫的部分厚度小，因而感應加熱電源系統需輸出特定高頻交流電流方能實現熔化并保證較高的效率。目前，適用于其熔化的功率開關器件有MOSFET和IGBT。MOSFET可用于頻率高達500kHz的感應電源中，較適合小功率場合，如輸出大功率需并聯，易導致系統穩定性下降；IGBT常用于頻率1-100kHz的感應電源中，適合0-1000kW功率范圍內的各種場合。

目前，工業熔煉ZrO₂制作寶石多采用MOSFET式感應加熱電源，其電源原理為可控整流→逆變輸出，該電源功率因數較低，一般為0.3-0.8，需提供較大無功功率；另一種方式是整流→移相調節逆變輸出，諧波含量較高，對其他設備干擾較大，對功率器件要求高，功率因數低。在世界范圍內，在研究嚴重事故中對高熔點金屬氧化物進行熔煉使用的高頻感應加熱電源也存在功率因數低等問題，如巴巴原子研究中心(Bhabha AtomicResearch Centre)熔煉某金屬氧化物的感應加熱裝置，在起熔階段功率因數為0.8左右，熔化階段下降至0.5，平穩階段持續在0.5以下。

同時，現大多數企業及研究機構在熔煉時多采用人工觀察或測溫的方式判斷填料是否熔化。由于在常溫情況下，該種高熔點金屬氧化物為粉末狀態，無法保證在填料過程中完全杜絕氣體，因此在熔化過程中極易出現內部氣體膨脹噴濺，如采用人眼觀察易發生安全事故。采用頂部安裝紅外測溫儀測溫的方式，由于高熔點金屬氧化物熔化后頂部會形成一層薄殼，僅能測量頂部薄殼外一小范圍的溫度，無法直接反映整體的熔化狀態。采用直接溫度測量的方式，由于熔點太高且在高頻感應加熱裝置的內部交變磁場太強，會產生很大干擾導致測溫儀表無法測量，或者直接加熱該儀表會導致儀表損壞。

因此，需要開發一種可高效熔化高熔點金屬氧化物、功率因數在熔化過程中始終保持近似為1、諧波含量小的感應加熱裝置，此外，需要一種使用電氣參數的變化的技術手段來間接說明高熔點金屬氧化物的熔化過程狀態，這將具有重要意義。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于克服現有技術缺陷，提供一種適用于高熔點金屬氧化物的高頻感應加熱裝置，尤其是在核能工程領域中用于核電站嚴重事故模擬、單晶燃料研究以及燃料后處理中熔煉高熔點模擬材料。

本實用新型的目的還在于提供一種提高工作時功率因數、減小諧波含量的高頻感應加熱裝置。

為達到上述目的或目的之一，本實用新型的技術解決方案如下：

一種高頻感應加熱裝置，所述高頻感應加熱裝置包括輸入電源和電路拓撲，其特征在于，所述電路拓撲包括三相不控整流橋、整流濾波電路、IGBT斬波電路、斬波濾波電路、逆變電路、匹配變壓器和感應線圈，其中所述三相不控整流橋的輸入端與輸入電源的三相連接，所述三相不控整流橋的輸出端與整流濾波電路連接，整流濾波電路連接IGBT斬波電路，IGBT斬波電路的輸出經由斬波濾波電路連接逆變電路，電流經逆變電路逆變為交流電流后經隔直電容連接匹配變壓器的一次側，匹配變壓器的二次側經諧振電容連接感應線圈。

根據本實用新型的一個優選實施例，所述整流濾波電路由第一電容和第一電感組成。

根據本實用新型的一個優選實施例，所述IGBT斬波電路包括IGBT和與IGBT并聯的緩沖電路，所述緩沖電路由第一電阻、第二電容和二極管構成。

根據本實用新型的一個優選實施例，所述斬波濾波電路由第三電容和第三電感組成。

根據本實用新型的一個優選實施例，所述高頻感應加熱裝置還包括信號采集通訊板，用于對由互感器檢測到的數據進行采集，采集到的數據經濾波電路和A/D轉換電路后輸出至DSP數據處理主控板進行處理，并且信號采集通訊板接收從DSP數據處理主控板輸出的信號，所述信號經處理后從信號采集通訊板輸出。

根據本實用新型的一個優選實施例，所述高頻感應加熱裝置還包括控制線和遠程上位機，啟停、急停和功率輸入信號通過控制線從信號采集通訊板的信號輸入端子引至遠程上位機，從而進行遠程控制，故障、報警和功率輸出信號通過控制線從信號采集通訊板的信號輸出端子引至遠程上位機。

根據本實用新型的一個優選實施例，所述高頻感應加熱裝置還包括觸摸屏，通過觸摸屏實現本地和遠程的切換、工作模式的切換以及輸出參數的設置，并且實現顯示。

根據本實用新型的一個優選實施例，所述信號采集通訊板包括安全聯鎖端子，在安全聯鎖端子中引入柜門閉鎖、冷卻正常和絕緣完好信號，并將柜門閉鎖、冷卻正常和絕緣完好信號作為是否運行高頻感應加熱裝置的邏輯判斷信號，在柜門閉鎖、冷卻正常和絕緣完好三個條件均滿足的情況下運行高頻感應加熱裝置。

根據本實用新型的一個優選實施例，所述高頻感應加熱裝置還包括IGBT斬波驅動板和IGBT逆變驅動板。

通過本實用新型的技術方案取得了如下技術效果：1、使用不控二極管整流，使用斬波電路調節功率，提高了裝置工作時的功率因數、減小了諧波含量；2、使用相位法控制逆變器進行頻率跟蹤，使輸出電壓、輸出電流同步，使整個系統工作時功率因數近似為1，轉換效率提高；3、可實現恒壓/恒流/恒功率三種工作模式切換；4、啟停、急停、功率輸入三項重要信號輸入和故障、報警、功率輸出三項關鍵信號輸出使用控制線與遠程上位機連接，提高了可靠性；其他參數如變壓器溫度、輸入電壓電流檢測等均通過RS-485通訊傳遞至遠程上位機；5、采取機柜鎖閉、冷卻正常、絕緣完好安全聯鎖信號，充分保證了操作安全；6、通過計算遠傳品質因數Q，代替人眼觀測方式或溫度測量方式進行高熔點金屬氧化物熔融狀態監測；7、遠程控制、參數檢測及熔化狀態監測可保證在高熔點金屬氧化物熔化過程中進行遠程操作，人員遠離，充分保證人身安全。

附圖說明

圖1為根據本實用新型實施例的高頻感應加熱裝置的電路拓撲圖；

圖2為根據本實用新型實施例的高頻感應加熱裝置的控制原理圖；

圖3為示出根據本實用新型實施例的功率設定的電路原理框圖；以及

圖4為示出根據本實用新型實施例的頻率跟蹤的電路原理框圖。

具體實施方式

下面結合附圖詳細描述本實用新型的示例性的實施例，其中相同或相似的標號表示相同或相似的元件。另外，在下面的詳細描述中，為便于解釋，闡述了許多具體的細節以提供對本披露實施例的全面理解。然而明顯地，一個或多個實施例在沒有這些具體細節的情況下也可以被實施。在其他情況下，公知的結構和裝置以圖示的方式體現以簡化附圖。

高頻感應加熱裝置的電路部分主要包括如下構成：輸入電壓、電流檢測電路、三相不控整流橋、整流濾波電路、整流電壓檢測電路、整流電流檢測電路、IGBT斬波電路、IGBT斬波驅動、斬波濾波電路、斬波電流檢測電路、斬波電壓檢測電路、IGBT逆變電路、IGBT逆變驅動、輸出電路、輸出電流檢測電路、輸出電壓檢測電路、DSP數據處理主控板、信號輸入電路、信號輸出電路、RS485通訊、安全聯鎖、觸摸屏。

圖1顯示根據本實用新型實施例的高頻感應加熱裝置的電路拓撲圖：三相不控整流橋輸入端接電源A、B、C三相，之后經由電容C1和電感L1組成的整流濾波電路接入IGBT斬波電路，IGBT斬波電路用IGBT并聯有由電阻R1、電容C2及二極管構成的緩沖電路，IGBT斬波電路輸出經由電容C3和電感L3組成的濾波電路后接入逆變電路，逆變為交流電流后經隔直電容C4接至匹配變壓器T1一次側，匹配變壓器T1二次側經諧振電容C5接至感應線圈L5。假設功率輸出為200kW，額定頻率為100kHz，三相交流為380V輸入，則不控整流輸出整流電壓為1.35*380V＝513V，考慮到元器件和線路的壓降可取500V，根據輸出功率為200kW，考慮后級電路變換效率為0.9，則整流電流為200/0.9/500＝445A。二極管選擇1200V/400A。整流濾波電容C1主要作用為濾波和穩定電壓，在二極管三相橋式不控整流電路后，其直流輸出電壓中的紋波基波成分頻率為300Hz，為保證后級電路能穩定工作，C1與整流電路后級電路的等效電阻Rd1的乘積，可取2倍基波的周期，C1*Rd1＝6.75ms，則C1可取為6005μF，其耐壓必須高于537V，可根據電解電容器的產品規格選擇；電抗器(電感)L1主要用來限制電容C1的充電電流尖峰，電感量可取小點。如C1工作時發熱且出現高次諧波，還需并聯一高頻電容器用來流通高頻無功電流，其值為經驗值，一般為40μF。斬波電路的最大輸入電壓為500V，輸入電流為445A，其輸出電壓為0～500V可調。斬波電路除保證所有電氣元器件耐壓足夠外，需考慮輸出最大電流時斬波電路內IGBT的散熱設計是否合理，保證在最惡劣環境下IGBT的結溫不超過允許的最大溫度，其散熱主要針對IGBT和IGBT內反并聯二極管，IGBT及其反并聯二極管的損耗主要包括IGBT的導通損耗、開關損耗以及二極管的導通損耗和開關損耗。其后的濾波電容C3的選擇方式同C1，只是紋波頻率變為了20kHz左右；濾波電感L3起限流作用，其值與C3乘積為經驗值，且L3、C3值需考慮到在全電流工作條件下，后級電路突然停止工作，儲存在L3中的能量轉移到C3中，使C3兩端電壓升高加在后級電路上，因此L3不適合很大。同樣，如C3工作時發熱且出現高次諧波，還需并聯一高頻電容器用來流通高頻無功電流，其值為經驗值，一般為2～3μF。逆變器輸出電流約為550A，用兩個1200V/400AIGBT并聯使用。匹配變壓器T1變比可調，以最優匹配熔化過程，其容量需稍大于有功功率。逆變輸出電壓為450V，諧振電容器C5兩端電壓按10kV設計，感應線圈L5電感量需與諧振電容器匹配，使其在額定功率下工作在諧振狀態。在高熔點金屬氧化物熔化過程中，隨著負載的熔化，其感應到的有功功率增加，電感值有一定波動，品質因數Q發生變化，需在實際調試過程中對諧振電容C5、匹配變壓器T1變比做一定調整。

圖2根據本實用新型實施例的高頻感應加熱裝置的控制原理圖：信號采集通訊大板主要作用為對各個互感器檢測到的數據進行采集，并經濾波、A/D轉換等電路后輸出至DSP數據處理主控板處理，同時接受從DSP數據處理主控板輸出的各信號，并處理后傳輸至驅動板及其他控制器件。DSP數據處理主控板主要處理由信號采集通訊大板傳來的各個信號，數據處理及邏輯判斷后發出信號給信號采集通訊大板。三相輸入經電流、電壓傳感器接入信號采集通訊大板輸入電流和A、B、C三相檢測腳，以檢測輸入電壓、電流，信號濾波、A/D轉換后與DSP數據處理主控板通訊判斷其是否合格，如輸入欠壓、輸入過壓、輸入過流、輸入頻率超過范圍則發出故障信號，停止裝置運行；整流后經由電容C1、電感L1組成的濾波電路濾波后的整流電路、整流電壓經互感器接入信號采集通訊大板整流電流、整流電壓腳，經信號濾波、A/D轉換后與DSP數據處理主控板通訊判斷其是否合格，如經整流判斷不合格則發出相應故障信息，并停止裝置運行；斬波回路輸出經由電容C3、電感L3組成的濾波電路后，斬波電壓、斬波電流經互感器傳輸至信號采集通訊大板的斬波電壓、斬波電流引腳，經信號濾波、A/D轉換后與DSP數據處理主控板通訊；逆變電路輸出經隔直電容C4、匹配電容器T1、諧振電容C5后，輸出電流、電壓經電流互感器、電壓互感器傳輸至主板的輸出電流、輸出電壓引腳，諧振電容兩端電壓經電壓互感器后傳輸至諧振電壓引腳，均經信號濾波、A/D轉換后與DSP數據處理主控板通訊。通過比對經由控制屏輸入并與DSP數據處理主控板通訊后由主控板對比設定輸出值與輸出電流/電壓/功率值，經信號采集通訊大板輸出信號至IGBT斬波驅動板，使之達到設定的輸出數值。輸出電壓、輸出電流采集信號經信號采集通訊大板信號處理后傳輸至DSP數據處理主控板進行相位比較后輸出至IGBT逆變驅動板，使之工作在諧振狀態。啟停、急停、功率輸入信號通過控制線從信號采集通訊大板信號輸入端子引至遠程上位機進行遠程控制；故障、報警、功率輸出信號經過控制線從信號采集通訊大板輸出信號端子引至遠程上位機。主板安全聯鎖端子中引入柜門閉鎖、冷卻正常、絕緣完好信號，并作為裝置是否運行的邏輯判斷信號，三者均滿足方可運行。RS-485通訊與機柜上觸摸屏端口連接，通過觸摸屏實現本地遠程切換、工作模式切換、輸出參數設置、功率因數Q顯示、輸入電壓/電流監測值顯示、整流電壓/電流監測值顯示、斬波電壓/電流監測值顯示、輸出電壓/電流監測值顯示、泄露電阻顯示、變壓器相關參數顯示、機柜冷卻相關參數顯示、啟動、停止、故障內容顯示、報警內容顯示等操作，通過觸摸屏將電源未通過控制線傳輸的參數通過RS-485遠傳至遠程上位機顯示。

圖3為示出根據本實用新型實施例的功率設定的電路原理框圖，裝置用輸出功率由斬波電流、斬波電壓乘積計算所得，逆變電路工作在諧振狀態下，相比于輸出功率，該值可忽略，且直流測量電流、電壓精度較高，則此種計算方式控制精度較高。首先設置選擇恒壓/恒流/恒功率工作模式，通過觸摸屏/信號輸入鍵入要求的輸出值，經過信號采集通訊大板調制后輸入DSP數據處理主控板與調制后的輸出電流/電壓/功率對比后，與運行故障信號邏輯對比，數據處理后經信號采集通訊大板調制輸出至IGBT斬波驅動板，使之達到設定的輸出數值。

圖4為示出根據本實用新型實施例的頻率跟蹤的電路原理框圖，信號采集通訊大板采集輸出電壓、輸出電流波形，經過相位處理、隔離后輸入DSP數據處理主控板進行相位比較，并與運行、故障等信號的邏輯對比，比較后差值傳輸至信號采集通訊大板相位差經濾波和放大等調制輸出至IGBT逆變驅動板，調節輸出電流頻率，使輸出電流、輸出電壓相位相同，工作在諧振狀態。

在高熔點金屬氧化物熔化過程中，隨著負載的熔化，其感應到的有功功率增加，則在熔化過程中其輸出諧振回路的品質因數Q有一定變化，且隨熔池所能感應到的有功功率增加而變小。

根據本實用新型，設計并制作了一種用于高熔點金屬氧化物的高頻感應加熱裝置，該裝置主要電路拓撲為三相不控整流輸出經濾波后輸出至IGBT斬波電路調功，經濾波后輸出至逆變電路逆變為所需頻率交流，逆變電路為電壓型串聯諧振逆變電路。該裝置控制電路主要通過檢測逆變電壓、逆變電流計算功率。通過檢測輸出電壓、輸出電流、諧振電容電壓，通過切換工作模式選擇所要求的工作模式，并鍵入所要求輸出值，與實際輸出值對比控制輸出所要求值，計算顯示品質因數Q，通過對比輸出電流、輸出電壓相位的方式實現二者同相位輸出。

通過本實用新型的技術方案取得了如下技術效果：1、使用不控二極管整流，使用斬波電路調節功率，提高了裝置工作時的功率因數、減小了諧波含量；2、使用相位法控制逆變器進行頻率跟蹤，使輸出電壓、輸出電流同步，使整個系統工作時功率因數近似為1，轉換效率提高；3、可實現恒壓/恒流/恒功率三種工作模式切換；4、啟停、急停、功率輸入三項重要信號輸入和故障、報警、功率輸出三項關鍵信號輸出使用控制線與遠程上位機連接，提高了可靠性；其他參數如變壓器溫度、輸入電壓電流檢測等均通過RS-485通訊傳遞至遠程上位機；5、采取機柜鎖閉、冷卻正常、絕緣完好安全聯鎖信號，充分保證了操作安全；6、通過計算遠傳品質因數Q，代替人眼觀測方式或溫度測量方式進行高熔點金屬氧化物熔融狀態監測；7、遠程控制、參數檢測及熔化狀態監測可保證在高熔點金屬氧化物熔化過程中進行遠程操作，人員遠離，充分保證人身安全。

盡管已經示出和描述了本實用新型的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本實用新型的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行變化。本實用新型的適用范圍由所附權利要求及其等同物限定。