引言

　　感應加熱電源廣泛應用于金屬熱處理、淬火,、退火,、透熱、熔煉,、焊接,、熱套、半導體材料煉制,、塑料熱合,、烘烤和提純等場合；利用在高頻磁場作用下產(chǎn)生的感應電流引起導體自身發(fā)熱而進行加熱,。感應加熱與爐式加熱,、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、工序簡單,、容易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點,。

　　感應加熱電源主要由整流單元、逆變單元,、諧振輸出單元,、和感應器四部分組成。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，另一端連接感應器,，經(jīng)隔離和阻抗匹配,，通過諧振的方法在感應器中產(chǎn)生強大的高頻電流。加熱時,，感應器在工件中感生高頻電流,，因此導體迅速被加熱。早期的感應加熱設(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)取得了很大的進步，但目前大多數(shù)生產(chǎn)廠商研制生產(chǎn)的感應加熱電源設(shè)備仍然存在一些普遍問題,，這些問題主要表現(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)運行性能欠佳這些問題主要是因為設(shè)計上的缺陷所致,，現(xiàn)針對這些問題探討其原因：

　　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)生因為銅管結(jié)垢堵塞導致器件燒毀，也容易發(fā)生漏水導致故障范圍擴大等問題,；且由于水路并聯(lián)支路很多,，系統(tǒng)無法保證每一支路均具有斷水保護功能。

　　b 由于模擬式控制電路不能適應各種變化工況,，使得功率元件IGBT 脫離過零軟開關(guān)狀態(tài),，因此開關(guān)損耗增加、并經(jīng)常導致IGBT 過熱損壞,。

　　c 脈寬調(diào)制型（無斬波調(diào)壓）產(chǎn)品采用軟開通,、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關(guān)狀態(tài)導致IGBT 損壞,。

　　d 設(shè)備在過壓、過載,、感應圈短路或部分短路,、功率元件過熱等情況下控制電路不能起到有效限制和保護作用，導致設(shè)備損壞,。

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

　　f 控制電路抗干擾能力差，系統(tǒng)運行不穩(wěn)定或保護限制功能容易誤動作,，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停機后不能自動重起動,。

　　g 整流后直接采用大容量電力電容濾波,，無濾波電感或直流側(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)均壓問題,、壽命較短等缺陷,。

　　2 新型數(shù)字式空冷感應加熱電源的主要特點

　　一種新型引進技術(shù)的 感應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關(guān)狀態(tài)，自動重起動功能保證了設(shè)備連續(xù)運行的可靠性,；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 準確可靠的過零軟開關(guān)IGBT 逆變

　　高頻感應加熱電源一般均采用諧振軟開關(guān)控制,，可以大為降低IGBT 開關(guān)損耗，且實現(xiàn)自動跟蹤諧振頻率,。

　　有的產(chǎn)品直流側(cè)沒有 IGBT 斬波電路,，這是一種軟開通硬關(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,，且容易脫離軟開關(guān)狀態(tài)。采用直流側(cè)IGBT 斬波電路后,，可以實現(xiàn)完全的軟開通軟關(guān)斷,，并將開通損耗和關(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,，影響頻率跟蹤的離散參數(shù)比較突出，頻率較高時,，鎖相環(huán)精度不夠,，容易出現(xiàn)脫離軟開關(guān)的狀態(tài),，因此開關(guān)損耗增大，嚴重時導致IGBT 損壞,。因此,，提高控制的準確度是保證IGBT 安全運行的前提條件。

　　新型 感應加熱電源采用DSP 進行跟蹤控制,，憑借DSP 的快速處理能力,，可根據(jù)不同工況進行跟蹤補償，使系統(tǒng)準確度大幅度提高,，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)動電路也有助于更準確快速的高頻軟開關(guān)電路的實現(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,，在高頻運行時,，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,。

　　基于準確可靠的數(shù)字式 IGBT 軟開關(guān)技術(shù),， 感應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)備來自水系統(tǒng)的故障,。

　　該產(chǎn)品為輸出隔離型次級串聯(lián)諧振。輸出隔離有利于安全運行,；由于采用數(shù)字式控制,，可以做到極低的逆變直流分量，因而采取次級串聯(lián)諧振方式成為可能,；次級串聯(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％,。如果是初級諧振帶隔離變壓器,，則因為變壓器承載5-10 倍的無功功率，整個系統(tǒng)的效率低于90％,。

　　空冷設(shè)備的壽命比水冷設(shè)備更長,。

　　2.3 不間斷運行

　　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；最為有效的是自動重起動功能,，在外界因素或偶然因素保護停機后,，處理器經(jīng)分析后立即自動重起動，這樣對工件的加熱幾乎沒有影響,，因此設(shè)備可靠性大為提高,。

　　例如,，如感應器冷卻水壓發(fā)生波動導致設(shè)備停機,，模擬式設(shè)備只能等待人工恢復和再次起動，數(shù)字式感應加熱電源可以在水壓恢復正常時立即重起動,，并回到原來的運行狀態(tài),。

　　2.4 完善的限制保護措施

　　在感應加熱設(shè)備中，由于負載工況比較復雜,，完善的限制保護措施必不可少,，但限制保護措施絕不能降低設(shè)備運行可靠性。

　　完善的限制保護措施應該是在有相當大的抗擾動前提下,，當較大擾動發(fā)生時,，設(shè)備起動限制程序，但繼續(xù)保持安全運行,，擾動消除后,，設(shè)備即恢復正常運行，如此設(shè)備得以不間斷連續(xù)運行,，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)備才強制保護退出運行,。

　　數(shù)字式產(chǎn)品容易實現(xiàn)上述功能,，而模擬式產(chǎn)品由于無法進行計算和判斷，無法做到完善的限制保護,。

　　2.5 增強功能

　　由于采用了數(shù)字式,， 感應加熱電源可以實現(xiàn)很多增強功能，例如：

　　a 多種運行方式,，內(nèi)置 PID,，無需其它設(shè)備即可實現(xiàn)恒溫度控制

　　b 多種控制方式，容易實現(xiàn)遠方控制及自動化控制

　　c 工藝曲線編程功能和自動運行

　　d 頻率自動跟蹤

　　3 各種類型感應加熱電源產(chǎn)品性能比較

　　目前,，感應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）,；

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

　　4 節(jié)能分析

　　4.1 感應加熱系統(tǒng)節(jié)能措施

　　對于一個感應加熱系統(tǒng),，考慮節(jié)能時,，不僅要考慮感應加熱電源本身，更應考慮感應器結(jié)構(gòu)及其匹配是否恰當,。然而,，感應器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計與采取何種方式的感應加熱電源并沒有直接關(guān)系，而主要由用戶的工藝要求所決定,。有時優(yōu)化感應器設(shè)計所得到的節(jié)能效果遠比提高感應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，所損失的電量也很大,。但由于感應器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計主要是由用戶的工藝要求所決定,，變數(shù)較大，難以對其節(jié)能效果進行定量分析,。

　　對于設(shè)備本身,，除了效率外，功率因數(shù)也很重要,，因為用戶不僅需要支付有功功率的費用,，也需要支付無功功率的費用。而且因為諧波引起的功率因數(shù)下降還不能用補償電容的方法進行補償,。

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

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

　　另外,，對于感應加熱系統(tǒng)來說,，冷卻水的節(jié)約也是相當可觀的，也應是節(jié)能的一部分,。

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

　　4.2 系列感應加熱電源與其它方式的感應加熱電源相比

　　以設(shè)備功率 160KW 的感應加熱電源為例,，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)次級諧振式感應加熱電源的耗電量,，以設(shè)備平均輸出功率120KW,、每年平均工作300日、每日8 小時,、電費按照每度0.80 元計算：

　　5 結(jié)語

　　a 傳統(tǒng)感應加熱電源產(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,、運行可靠性不高等缺陷。

　　b 新型 數(shù)字式空冷感應加熱電源通過采取數(shù)字式全空冷結(jié)構(gòu),、IGBT 軟開關(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)來自水系統(tǒng)的故障,；通過采用DSP實現(xiàn)全數(shù)字式控制,，不僅提高了系統(tǒng)跟蹤和控制準確度，而且系統(tǒng)的可靠性和先進性也得以提高,；通過直流側(cè)IGBT 斬波電路結(jié)構(gòu),，不僅實現(xiàn)了逆變IGBT 的過零開通和過零關(guān)斷，而且提高了電源的功率因數(shù),。