中频感应加热电源设计

  (1)从电路的角度，感应加热电源的大容量化技术分两类:一是器件的串并联;二是多台电源的串并联。在器件的串并联方式中，必须处理好串联器件的均压问题和并联器件均流问题，由于器件制造工艺和参数的离散性，限制了器件的串并联数目，且装置的可靠性和串并联数目成反比。多台电源的串并联技术是在器件串并联技术基础上进一步大容量化的有效手段，借助于可靠的电源串并联技术，在单机容量适当的情况下，可简单地通过串并联运行方式得到大容量装置，每台单机只是装置的一个单元(或一个模块)。

  感应加热技术是在20世纪初才应用于工业生产的，因其具有加热速度快、物料内部发热和热效率高、加热均匀且具有选择性、产品质量好、几乎无环境污染、可控性好及易于实现生产自动化等一系列优点，因此近年来得到了迅速发展。在现代工业的金属熔炼、热处理、焊接等过程中，感应加热被大范围的应用。感应加热是根据电磁感应原理，利用工件中涡流产生的热量加热的，它加热效率高、速度快、可控性好，易于实现高温和局部加热。随着电力电子技术的不断成熟，感应加热技术获得了迅速发展。

  在中频范围内，国内己形成200Hz-10000Hz，功率为100kW-3000kW系列新产品，可以配备5t以下的熔炼炉及更大容量的保温炉，也适用于各种金属透热，表面淬火等热处理工艺，尤其在废旧钢铁熔化及铸造上已得到了普遍的应用。在高频((100kHz以上)频段内，国内浙江大学在90年代研制成20kW/300kHz MOSFET高频电源，己被成功应用于小型刀具的表面热处理和飞机涡轮叶片的热应力考核试验中，96年天津高频设备厂和天津大学联合开发出75kW/200kHz SIT感应加热电源。总的来说，与国外的水平相差很大。

  本设计研究了中频感应加热及其有关技术的发展、现状和趋势，并在较全面的论述基础上，对2.5kHz/250kW可控硅中频感应加热电源的整流电路和控制电路进行了设计。本文设计的电源电路可用于大型机械热加工设备的感应加热电源。整流电路采取三相桥式全控整流电路，其电路结构相对比较简单，使电源易于推广；控制策略选用双闭环反馈控制管理系统，改善了信号迟滞的缺点，为以后研制大功率、超音频的感应加热电源打下了基础。

  近年来在某些高新技术的研究开发中也使用了感应加热。上述这些先进的技术的推广和发展均与感应加热电源技术的研究和发展密切相关。

  (1)在50年代前，感应加热电源主要有:工频感应熔炼炉，电磁倍频器，中频发电机组和电子管振荡器式高频电源。50年代末可控硅的出现则标志着固态半导体器件为核心的现代电力电子学的开始。硅晶闸管的出现推动了感应加热电源及应用的快速的提升。至今，在中频(500Hz---10kHz)范围内，晶闸管中频感应加热装置已完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器。在高频范围内，由于晶闸管本身开关特性等参数的限制，给研制该频段的电源带来了很大的技术难度，它一定要通过改变电路拓扑结构才有机会实现。

  串联逆变器输出可等效为一低阻抗的电压源。当两电压源并联时，相互间的幅值，相位和频率不同或波动时将导致很大的环流，以致逆变器件的电流产生严重不均。因此，串联逆变器存在并机扩容困难:而对并联逆变器，逆变器输入端的直流大，电抗器可充当各并联器之间的电流缓冲环节，使得输入端的AC/DC或DC/DC环节有足够的时间来纠正直流电流的偏差，达到多机并联扩容。

  (2)目前，感应加热电源在中频段主要是采用晶闸管，超音频段主要是IGBT，而高频段，随着MOSFET和IGBT性能一直在改进，SIT将失去存在价值。感应加热电源谐振逆变器可实现软开关，但由于通常功率较大，对功率器件，无源器件，电缆，布线，接地屏蔽等均有很多特别的条件，尤其是高频电源。因此，实现感应加热电源高频化仍有许多应用基础技术需进一步探讨。

  本文设计了中频感应加热设备的工作原理，主要设计了2.5kHz/250kW可控硅中频感应加热电源电路部分的整流电路和控制电路，可用于大型机械热加工设备的感应加热电源。整流电路采取三相桥式全控整流电路，其电路结构相对比较简单，易于推广；控制策略选用双闭环反馈控制管理系统，改善了信号迟滞的缺点，为研制大功率、超音频的感应加热电源打下了基础。

  感应加热技术是一种先进的加热技术，它具有传统加热方法所不具备的优点因而在国民经济与社会生活中获得了广泛的应用。此项技术的核心内容之一就是感应加热电源的研制，电源的性能价格比直接决定了其获得应用的速度与广度，随着电力电子器件制造技术及其装置控制技术的逐步成熟，以电力半导体器件为主要元件的固态电源的制造成本正在迅速下降，不断的提高其性能水平是这种新技术获得最大限度推广的重要条件。

  感应加热是根据电磁感应原理，利用工件中涡流产生的热量对工件加热的。由于感应加热效率高，速度快，可控性好，易于实现高温和局部加热，易于实现机械化和自动化等优点，已在熔炼，铸造，弯管，热锻，焊接和表面热处理等行业得到普遍的应用。在国外，感应加热技术已日趋成熟。在铸造方面，正在快速地发展双联熔炼工艺，即利用中频炉保温改性，进行球墨铁或合金钢的精密浇铸;在锻造方面，利用感应加热实现快速透热热锻，其材料利用率可达85%，锻件表面光洁度可小于50μm;在焊接，淬火方面，国外一方面致力于开发大功率全固态高频电源，一方面致力于开发高度自动化的热处理成套处理系统。我国铸件用量大，而铸造行业仍以冲天炉熔炼为主，温度及成分波动大，废品率高。目前，我国较好的铸造业废品率也在6%-15%间，而一般铸造厂的废品率高达30%。随着我们国家电力供应的改善，环保要求的提高，发展和扩大感应加热的规模，在大规模的公司推广双联熔炼工艺，改造我国铸造行业是符合我国煤炭资源丰富特点的一条有效途径。这项改造工程不但涉及到保温炉的设计制造，双联熔炼工艺的最佳化控制管理系统设计，还涉及到大功率中频感应加热电源等。同样地，在锻造，焊接，淬火热处理方面全面推广国外先进的技术，改造中国传统产业是必然趋势[1]。

  (2) 70年代末到80年代初，现代半导体微机集成加工技术与功率半导体技术的结合，为开发新型功率半导体器件提供了条件，相继出现了一大批全控型电力电子半导体器件，极大地推动了电力电子学发展，为固态超音频，高频电源的研制提供了坚实的基础。

  (3) 1983年IGBT的问世逐步推动了感应加热电源的发展。IGBT综合了MOS和双极晶体管的优点，具有通态压降低，开关速度快，易驱动等优点，自1988年解决了擎住问题后，大功率高速IGBT已成为众多加热电源的首选器件，频率高达100kHz,功率高达MW级电源已可实现。

  (4)在超高频(100kHz以上)频段，长期以来由电子管振荡式变换器产生。80年代兴起由大功率半导体开关器件为元件的逆变式高频感应加热电源。

  在中频范围内，国外装置的最大容量已达到数十兆瓦。在高频(100kHz以上)频段内，目前国外正处于从传统的电子管电源向晶体管化全固态电源的过渡阶段，以模块化，大容量化MOSFET, IGBT功率器件为主。表1-1列出了各国的发展水平。

  (1)感应加热电源的发展与电力电子器件的发展紧密关联，而电力电子器件的发展又是和半导体微机集成加工技术与功率半导体技术分不开的。可控硅出现后，一代又一代的电力半导体器件先后问世，性能不断改善，高耐压和高耐流，低损耗、高频率使得感应加热电源的性能和实用性得到了体现。

  (2)单片机、微型计算机技术和集成芯片技术的发展使得对感应加热电源的复杂控制成为可能，体积和重量明显减小，功率因素提高了，功率控制调节方便、准确。

  (3)感应加热电源多应用于工业现场，其运行工况很复杂，它与钢铁，冶金和金属热处理行业具有十分密切的联系，它的负载对象各式各样，而电源逆变器与负载是一有机的整体，负载直接影响到电源的运行效率和可靠性。对焊接，表面热处理等负载，一般都会采用匹配变压器连接电源和负载感应器，对高频，超音频电源用的匹配变压器要求漏抗很小，怎么来实现匹配变压器的效率，从磁性材料选择到绕组的设计已成为一重要课题。另外，从电路拓扑上负载结构以三个无源元件代替原来的二个无源元件，以代替匹配变压器实现高效，低成本隔离匹配。

  感应加热电源具有加热效率高，速度快，可控性好，易于实现高温和局部加热，易于实现机械化和自动化等优点，目前已在金属熔炼、工件透热、淬火、焊接、铸造、弯管、表面热处理等行业得到了广泛的应用。