引言

　　感應(yīng)加熱電源廣泛應(yīng)用于金屬熱處理,、淬火、退火,、透熱,、熔煉,、焊接、熱套,、半導(dǎo)體材料煉制,、塑料熱合、烘烤和提純等場(chǎng)合,；利用在高頻磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電流引起導(dǎo)體自身發(fā)熱而進(jìn)行加熱,。感應(yīng)加熱與爐式加熱、燃燒加熱或者電熱絲加熱相比,，具有顯著節(jié)能,、非接觸、速度快,、工序簡(jiǎn)單,、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。

　　感應(yīng)加熱電源主要由整流單元,、逆變單元,、諧振輸出單元、和感應(yīng)器四部分組成,。其中整流單元將工頻三相交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓,；逆變單元電能變換成為幾千至上百千赫茲的高頻電能；諧振輸出單元一端連接逆變器,，另一端連接感應(yīng)器,，經(jīng)隔離和阻抗匹配，通過(guò)諧振的方法在感應(yīng)器中產(chǎn)生強(qiáng)大的高頻電流,。加熱時(shí),，感應(yīng)器在工件中感生高頻電流，因此導(dǎo)體迅速被加熱,。早期的感應(yīng)加熱設(shè)備中,，逆變單元所需的高頻逆變器件決定了裝置的形式，它經(jīng)歷了從電子管,、晶閘管到目前普遍采用IGBT 的發(fā)展歷程,。

　　在目前主流的 IGBT 式感應(yīng)加熱產(chǎn)品中，仍有較多的電路和結(jié)構(gòu)方式差異,。從整流單元看有可控整流方式和不可控整流方式,；從逆變單元看有脈寬調(diào)制逆變方式和斬波調(diào)壓逆變方式；從諧振輸出單元看有并聯(lián)諧振方式和串聯(lián)諧振方式,。各種電路和結(jié)構(gòu)方式在效率,、功率因數(shù)、可靠性等性能上各有差異,。

　　1 目前產(chǎn)品普遍存在的問(wèn)題及原因

　　雖然采用 IGBT 取代晶閘管和電子管已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步,，但目前大多數(shù)生產(chǎn)廠商研制生產(chǎn)的感應(yīng)加熱電源設(shè)備仍然存在一些普遍問(wèn)題,，這些問(wèn)題主要表現(xiàn)為：

　　a 效率較低、電能和冷卻水消耗大b 功率元件 IGBT 容易損壞c 電抗器或輸出變壓器容易損壞d 冷卻水回路故障較多e 功率因數(shù)較低,、諧波污染大f 設(shè)備可靠連續(xù)運(yùn)行性能欠佳這些問(wèn)題主要是因?yàn)樵O(shè)計(jì)上的缺陷所致,，現(xiàn)針對(duì)這些問(wèn)題探討其原因：

　　a 由于 IGBT、電抗器,、輸出變壓器,、諧振電容器均采取水冷結(jié)構(gòu)，不僅損耗較大,、效率較低,，冷卻水消耗大，而且容易發(fā)生因?yàn)殂~管結(jié)垢堵塞導(dǎo)致器件燒毀,，也容易發(fā)生漏水導(dǎo)致故障范圍擴(kuò)大等問(wèn)題,；且由于水路并聯(lián)支路很多，系統(tǒng)無(wú)法保證每一支路均具有斷水保護(hù)功能,。

　　b 由于模擬式控制電路不能適應(yīng)各種變化工況,，使得功率元件IGBT 脫離過(guò)零軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此開(kāi)關(guān)損耗增加,、并經(jīng)常導(dǎo)致IGBT 過(guò)熱損壞,。

　　c 脈寬調(diào)制型（無(wú)斬波調(diào)壓）產(chǎn)品采用軟開(kāi)通、硬關(guān)斷（或帶緩沖的硬關(guān)斷）電路,，因此IGBT 損耗大,，且這種方式容易脫離軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)導(dǎo)致IGBT 損壞。

　　d 設(shè)備在過(guò)壓,、過(guò)載,、感應(yīng)圈短路或部分短路、功率元件過(guò)熱等情況下控制電路不能起到有效限制和保護(hù)作用,，導(dǎo)致設(shè)備損壞,。

　　e 并聯(lián)諧振方式的設(shè)備容易發(fā)生逆變單元過(guò)壓而損壞器件。

　　f 控制電路抗干擾能力差,，系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定或保護(hù)限制功能容易誤動(dòng)作,，設(shè)備可靠性差；或設(shè)備設(shè)備由于外界因素或偶然因素保護(hù)停機(jī)后不能自動(dòng)重起動(dòng),。

　　g 整流后直接采用大容量電力電容濾波,，無(wú)濾波電感或直流側(cè)IGBT 斬波電路，因此功率因數(shù)低,，輸入電流諧波大,；如采用電力電解電容，還有發(fā)熱、串聯(lián)均壓?jiǎn)栴},、壽命較短等缺陷。

　　2 新型數(shù)字式空冷感應(yīng)加熱電源的主要特點(diǎn)

　　一種新型引進(jìn)技術(shù)的 感應(yīng)加熱電源主回路如下圖所示,，該產(chǎn)品為創(chuàng)新的全空冷結(jié)構(gòu),，在中央處理器DSP 的數(shù)字式控制下，功率器件IGBT 始終精確工作在零電流開(kāi)關(guān)狀態(tài),，自動(dòng)重起動(dòng)功能保證了設(shè)備連續(xù)運(yùn)行的可靠性,；與非數(shù)字式產(chǎn)品相比，數(shù)字式產(chǎn)品在各方面性能均得以提高,。

　　該產(chǎn)品的整流單元為不可控整流,，且直流側(cè)采用 IGBT 斬波調(diào)壓，諧振方式為輸出隔離型次級(jí)串聯(lián)諧振,。這種電路有效提高了設(shè)備效率和功率因數(shù),、減少輸入諧波、降低IGBT損耗,；使得設(shè)備可以采用全空冷結(jié)構(gòu),，并消除設(shè)備來(lái)自水系統(tǒng)的故障；基于這種結(jié)構(gòu),，設(shè)備的工作頻率為1KHz－100KHz,。

　　2.1 準(zhǔn)確可靠的過(guò)零軟開(kāi)關(guān)IGBT 逆變

　　高頻感應(yīng)加熱電源一般均采用諧振軟開(kāi)關(guān)控制，可以大為降低IGBT 開(kāi)關(guān)損耗,，且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤諧振頻率,。

　　有的產(chǎn)品直流側(cè)沒(méi)有 IGBT 斬波電路，這是一種軟開(kāi)通硬關(guān)斷電路,，或者是帶緩沖的硬關(guān)斷電路,。這種電路的關(guān)斷損耗較大，且容易脫離軟開(kāi)關(guān)狀態(tài),。采用直流側(cè)IGBT 斬波電路后,，可以實(shí)現(xiàn)完全的軟開(kāi)通軟關(guān)斷，并將開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗均降至最低,。

　　傳統(tǒng)控制電路采用鎖相環(huán)跟蹤系統(tǒng)諧振頻率,，但諧振頻率較高時(shí)，影響頻率跟蹤的離散參數(shù)比較突出,，頻率較高時(shí),，鎖相環(huán)精度不夠，容易出現(xiàn)脫離軟開(kāi)關(guān)的狀態(tài),，因此開(kāi)關(guān)損耗增大,，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致IGBT 損壞。因此,，提高控制的準(zhǔn)確度是保證IGBT 安全運(yùn)行的前提條件,。

　　新型 感應(yīng)加熱電源采用DSP 進(jìn)行跟蹤控制,，憑借DSP 的快速處理能力，可根據(jù)不同工況進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償,，使系統(tǒng)準(zhǔn)確度大幅度提高,，諧振頻率和相位的跟蹤誤差大為降低。此外,，系統(tǒng)采用的快速IGBT 驅(qū)動(dòng)電路也有助于更準(zhǔn)確快速的高頻軟開(kāi)關(guān)電路的實(shí)現(xiàn),。

　　2.2 全空冷結(jié)構(gòu)

　　傳統(tǒng)水冷設(shè)備存在兩大缺陷：一是損耗大、二是容易損壞,。由于水冷線圈由銅管繞制,，在高頻運(yùn)行時(shí)，其渦流損耗非常大,，損耗的能量均由水帶走,，這使得系統(tǒng)效率降低。此外,，水冷管路容易發(fā)生水管結(jié)垢堵塞燒毀器件的現(xiàn)象,。

　　基于準(zhǔn)確可靠的數(shù)字式 IGBT 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)， 感應(yīng)加熱電源采用了全空冷結(jié)構(gòu),，這樣不但提高了效率,，而且徹底消除設(shè)備來(lái)自水系統(tǒng)的故障。

　　該產(chǎn)品為輸出隔離型次級(jí)串聯(lián)諧振,。輸出隔離有利于安全運(yùn)行,；由于采用數(shù)字式控制，可以做到極低的逆變直流分量,，因而采取次級(jí)串聯(lián)諧振方式成為可能,；次級(jí)串聯(lián)諧振的隔離變壓器只承載有功功率，而且也采用空冷結(jié)構(gòu),。整個(gè)系統(tǒng)從整流單元輸入到諧振輸出單元的效率高于95％,。如果是初級(jí)諧振帶隔離變壓器，則因?yàn)樽儔浩鞒休d5-10 倍的無(wú)功功率,，整個(gè)系統(tǒng)的效率低于90％,。

　　空冷設(shè)備的壽命比水冷設(shè)備更長(zhǎng)。

　　2.3 不間斷運(yùn)行

　　數(shù)字式產(chǎn)品可以采取很多措施提高產(chǎn)品可靠性,，減少停機(jī),；最為有效的是自動(dòng)重起動(dòng)功能，在外界因素或偶然因素保護(hù)停機(jī)后,，處理器經(jīng)分析后立即自動(dòng)重起動(dòng),，這樣對(duì)工件的加熱幾乎沒(méi)有影響，因此設(shè)備可靠性大為提高。

　　例如,，如感應(yīng)器冷卻水壓發(fā)生波動(dòng)導(dǎo)致設(shè)備停機(jī),，模擬式設(shè)備只能等待人工恢復(fù)和再次起動(dòng)，數(shù)字式感應(yīng)加熱電源可以在水壓恢復(fù)正常時(shí)立即重起動(dòng),，并回到原來(lái)的運(yùn)行狀態(tài),。

　　2.4 完善的限制保護(hù)措施

　　在感應(yīng)加熱設(shè)備中，由于負(fù)載工況比較復(fù)雜,，完善的限制保護(hù)措施必不可少，但限制保護(hù)措施絕不能降低設(shè)備運(yùn)行可靠性,。

　　完善的限制保護(hù)措施應(yīng)該是在有相當(dāng)大的抗擾動(dòng)前提下,，當(dāng)較大擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，設(shè)備起動(dòng)限制程序,，但繼續(xù)保持安全運(yùn)行,，擾動(dòng)消除后，設(shè)備即恢復(fù)正常運(yùn)行,，如此設(shè)備得以不間斷連續(xù)運(yùn)行,，可靠性大為提高；只有在超出設(shè)備承受能力的情況下,，設(shè)備才強(qiáng)制保護(hù)退出運(yùn)行,。

　　數(shù)字式產(chǎn)品容易實(shí)現(xiàn)上述功能，而模擬式產(chǎn)品由于無(wú)法進(jìn)行計(jì)算和判斷,，無(wú)法做到完善的限制保護(hù),。

　　2.5 增強(qiáng)功能

　　由于采用了數(shù)字式， 感應(yīng)加熱電源可以實(shí)現(xiàn)很多增強(qiáng)功能,，例如：

　　a 多種運(yùn)行方式,，內(nèi)置 PID，無(wú)需其它設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)恒溫度控制

　　b 多種控制方式,，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方控制及自動(dòng)化控制

　　c 工藝曲線編程功能和自動(dòng)運(yùn)行

　　d 頻率自動(dòng)跟蹤

　　3 各種類型感應(yīng)加熱電源產(chǎn)品性能比較

　　目前,，感應(yīng)加熱電源主要存在電子管式、晶閘管式,、MOSFET 式,、IGBT 式；而IGBT式又有如下幾種主流產(chǎn)品：

　　a 可控調(diào)壓 IGBT 并聯(lián)諧振式（變壓器隔離型或非隔離型）,；

　　b 不可控調(diào)壓 IGBT 并聯(lián)諧振式（變壓器隔離型或非隔離型）,；

　　c 脈寬調(diào)制 IGBT 串聯(lián)諧振式（變壓器隔離型）；

　　d 斬波調(diào)壓 IGBT 串聯(lián)諧振式（變壓器隔離型）,；

　　在此僅對(duì)各種 IGBT 式設(shè)備與新型數(shù)字式空冷設(shè)備進(jìn)行比較,。

　　4 節(jié)能分析

　　4.1 感應(yīng)加熱系統(tǒng)節(jié)能措施

　　對(duì)于一個(gè)感應(yīng)加熱系統(tǒng)，考慮節(jié)能時(shí)，不僅要考慮感應(yīng)加熱電源本身,，更應(yīng)考慮感應(yīng)器結(jié)構(gòu)及其匹配是否恰當(dāng),。然而，感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)與采取何種方式的感應(yīng)加熱電源并沒(méi)有直接關(guān)系,，而主要由用戶的工藝要求所決定,。有時(shí)優(yōu)化感應(yīng)器設(shè)計(jì)所得到的節(jié)能效果遠(yuǎn)比提高感應(yīng)加熱電源本身效率的節(jié)能效果要好；又或者如果匹配不恰當(dāng),，所損失的電量也很大,。但由于感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)主要是由用戶的工藝要求所決定，變數(shù)較大,，難以對(duì)其節(jié)能效果進(jìn)行定量分析,。

　　對(duì)于設(shè)備本身，除了效率外,，功率因數(shù)也很重要,，因?yàn)橛脩舨粌H需要支付有功功率的費(fèi)用，也需要支付無(wú)功功率的費(fèi)用,。而且因?yàn)橹C波引起的功率因數(shù)下降還不能用補(bǔ)償電容的方法進(jìn)行補(bǔ)償,。

　　大多數(shù)場(chǎng)合下，設(shè)備不是在滿功率下運(yùn)行的,，如果一臺(tái)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行功率因數(shù)只有0.6,，那么顯而易見(jiàn)，用戶在無(wú)功功率上需要支付的費(fèi)用將大為超過(guò)因設(shè)備效率引起的有功功率損失費(fèi)用（按照供電規(guī)則,，功率因素高于0.85 時(shí),，不增收電費(fèi)；功率因數(shù)為0.60 時(shí),，月電費(fèi)增收15％,，低于0.60 時(shí)，每低0.01,，增收2％,，也就是說(shuō)如果功率因素為0.40，則月電費(fèi)將增收55％）,。

　　圖示為串聯(lián)諧振設(shè)備與并聯(lián)諧振設(shè)備在不同負(fù)荷下的功率因數(shù)（未計(jì)入諧波引起的功率因數(shù)下降）,。

　　另外，對(duì)于感應(yīng)加熱系統(tǒng)來(lái)說(shuō),，冷卻水的節(jié)約也是相當(dāng)可觀的,，也應(yīng)是節(jié)能的一部分。

　　如果是自來(lái)水冷卻直接排放,，則水費(fèi)的損失比設(shè)備效率引起的電費(fèi)損失還要大（設(shè)備效率按照92％計(jì)算,，水流量按照每分鐘50 升計(jì)算）,；如果用戶使用了循環(huán)水冷卻，或者閉式水冷機(jī),，則水制冷所需的電功率以及水泵的電功率依然應(yīng)該計(jì)入損耗的一部分,。

　　4.2 系列感應(yīng)加熱電源與其它方式的感應(yīng)加熱電源相比

　　以設(shè)備功率 160KW 的感應(yīng)加熱電源為例，比較隔離可控調(diào)壓IGBT 并聯(lián)諧振式,、非隔離不可控調(diào)壓IGBT 并聯(lián)諧振式,、脈寬調(diào)制IGBT 串聯(lián)諧振式、 數(shù)字空冷IGBT 串聯(lián)次級(jí)諧振式感應(yīng)加熱電源的耗電量,，以設(shè)備平均輸出功率120KW,、每年平均工作300日、每日8 小時(shí),、電費(fèi)按照每度0.80 元計(jì)算：

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　a 傳統(tǒng)感應(yīng)加熱電源產(chǎn)品存在損耗大,、電能和水的消耗大、功率因數(shù)低,、水系統(tǒng)故障多、運(yùn)行可靠性不高等缺陷,。

　　b 新型 數(shù)字式空冷感應(yīng)加熱電源通過(guò)采取數(shù)字式全空冷結(jié)構(gòu),、IGBT 軟開(kāi)關(guān)等措施降低系統(tǒng)損耗，不僅提高了效率,，而且消除了系統(tǒng)來(lái)自水系統(tǒng)的故障,；通過(guò)采用DSP實(shí)現(xiàn)全數(shù)字式控制，不僅提高了系統(tǒng)跟蹤和控制準(zhǔn)確度,，而且系統(tǒng)的可靠性和先進(jìn)性也得以提高,；通過(guò)直流側(cè)IGBT 斬波電路結(jié)構(gòu)，不僅實(shí)現(xiàn)了逆變IGBT 的過(guò)零開(kāi)通和過(guò)零關(guān)斷,，而且提高了電源的功率因數(shù),。