感应加热变频电源综述

1、前言

虽然感应加热的原理发现的比较早，但人类真正广泛应用该项技术还是近三十年的事情。现在它的重要性越来越被人们所认识。

早在十九世纪科学家就发现了电磁感应现象：1831年法拉第（Michael Faraday）发现电磁感应规律；1868年福考特（Foucault）提出涡流理论；1840年焦耳-楞茨确定了电阻发热的关系式，，这些都是感应加热的理论基础。

感应加热装置由两部分组成，一部分是提供能量的交流电源，也称变频电源,变频电源有低频、工频、中频、超音频和高频之分；另一部分是完成电磁感应能量转换的感应线圈及机械结构，称感应炉。早期的感应加热电源有工频固态(50或60Hz)电源、中频有发电机旋转和固态电源、高频电子管电源。第二次世界大战前后的感应加热设备基本上是上述的初级发展水平。

制约感应加热发展的主要是感应加热电源，而电源受制于高频或大功率的开关器件。电力电子功率器件的发展，才真正促进了感应加热电源的发展。1957年美国研制出世界上第一只普通的阻断型可控硅，我们现在称为晶闸管(SCR)，经过60至70年代工艺完善和产品开发，70年代后期已形成从低电压小电流到高压大电流的系列产品，从而使固态感应加热电源产生了革命，走向实用化的阶段。与此同时，世界各国研制了大量的派生器件。如逆导晶闸管(RCT)，门极辅助关断晶闸管(GATT)，光控晶闸管(LTSCR)、及80年代发展的可关断晶闸管（GTO）等。

今天的电力半导体功率器件的发展更是琳琅满目，简单归纳一下有：①、大功率二极管：②、晶闸管（SCR）；③、双向晶闸管；④、门极关断（GTO）晶闸管（最大 8500V ，3500A）；⑤、双极结型晶体管（BTT或BPT）；⑥、电力MOSFET；⑦、静电感应晶体管（SIT），（最大1000V ，300A，50MHz）；⑧、绝缘双极型晶体管（IGBT）（最大6500V，2500A）；⑨、MOS控制晶闸管（MCT）；⑩、集成门极换向晶闸管（IGCT）。这些器件还正在不断更新和完善中，这些电力半导体器件是现代电力电子设备的核心，更是感应加热电源赖以发展的基础。它为感应加热电源设备带来前所未有的活力和广阔的发展前景。

2、感应加热应用范围和优越性

感应加热的历史，算起来也不过一百多年，在我国大规模应用是在改革开放以后，但发展前景非常看好。

1890年瑞典人发明了第一台感应炉---开槽式有心炉。1916年美国人制造出闭槽式有心炉，用于有色金属冶炼。无心炉是1921年在美国出现，当时采用的是火花式中频电源。后来才出现了中频机组电源和固体式晶闸管变频电源。工频炉和工频电源产生于20世纪30年代，高频电源等由于不同的工艺要求而后相继问世。

感应加热早期主要用于有色金属熔炼和热处理工艺，现在已广泛应用于下列领域（见表2-1）：

表2-1　感应加热的应用领域

感应加热的广泛应用，究其原因，主要是它本身相对于别的加热方式有下面的一些独特性：

（1）加热速度快，可节能。被加热金属氧化层薄，金属烧损小。感应加热是从金属内部，透入深度层开始加热，大大节省了热传导时间。其它加热是从外到内，导热时间长。据实验，加热同一坯料到一定温度，感应加热只需火焰炉加热时间的十分之一。

（2）加热温度高，而且是非接触式的电磁感应加热。

（3）可进行局部加热，容易控制热部位和深度。加热工件的质量在现性与重复性好，各种参数容易控制。

（4）控制温度的精度高，可保证温差在±0.5～1%以内。

（5）感应加热的热效率高，节能，一般可达50-70%。而火焰炉的热效率一般只有30%左右。

（6）容易实现自动化控制。

（7）作业环境好，几乎无热，噪声，粉尘等污染，环保。作业占地少，生产效率高。

（8）能加热形状复杂的工件，加热或熔炼都能间歇工作。

（9）熔炼中溶液有电磁搅拌作用。可以均匀的调金属液成份，溶液温度均匀，不会出现局部高温。金属烧损少，这一点，对熔炼稀有金属更重要。

3、国外感应加热现状

工频（50Hz或60Hz）感应加热电源。这种电源比较实用大型工件的整体透热、大容量炉的熔炼和保温。在频率要求较低的感应加热场合，普通采用工频感应炉。国外的工频感应加热装置单台可达数百兆瓦 ，用于数10吨的大型工件透热或数百吨的钢水保温。虽然固态功率器件构成的电源有取代工频感应加热电源的趋势，但短期内，在电源的容量、价格和可靠性方面难以与构造简单的工频感应电源竞争。

中频电源（50Hz或60Hz以上～10KHz）。晶闸管感应加热电源已完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器。国外的装置单台容量已达数十兆瓦。

超音频电源（10K～100KHz）。早期采用晶闸管----时间分割电路和倍频电路构成超音频电源。

80年代开始，随着新型器件（GTO、GTR、MCT、IJBT、BSIT、 SITH和IGBT）的相继问世由这些器件构成的简单逆变桥电路得到了很大的发展，占据了感应加热电源主导地位。其中IGBT更是一支独秀，受到了开发者的重视。90年代初期，日本就采用IGBT研制出了1200KW/50KHz的电流型感应加热电源。我国98年进口日本的3200KW/80KHz感应加热线在上海运行，是国际上最先进的电源之一。一些发达国家如美国，英国，法国，瑞士等都研制出了超音频感应加热电源，已达数千千瓦。

高频电源（100KHZ以上）。目前正处在传统的电子管振荡器向固态电源的过度阶段。领先的国家有日本，西班牙，德国，比利时，美国等，采用的器件有SIT和MOSFET，感应加热电源水平可达到1MW/15-600KHZ。

我国与国外先进国家在感应加热方面进行比较，存在较大的差距。

图1 美国某公司感应炉计算机控制管理画面

4、国内感应加热电源技术发展与现状

我国感应加热技术的应用，起源于上世纪50年代，主要用于机床、纺机、汽车、拖拉机等制造业。感应加热集中在工件表面淬火方面，熔炼和透热方面用的较少。感应加热的技术几乎全来自前苏联和捷克国家。20世纪60年代，由于和苏联的关系破裂，我国走上了感应加热技术独立发展的道路。这段时间直到改革开放后的80年代，由浙大开发了第一台并联式晶闸管中频电源，并向全国推广。有关单位相继也生产出了容量在几百千瓦，频率0.5--8KHz中频电源。电子管式超音频电源也研制成功，填补了我国8K--200KHz之间的频率缺口。

感应加热电源真正大量应用于工业生产则是20世纪80年代后。近20多年间感应加热电源和感应加热领域发生了令人注目的变化：此阶段从德国、美国、英国、法国、日本、意大利、西班牙、比利时和俄罗斯等工业发达国家引进了数百套感应加热成套装置(含电源)。粗分类有:各种淬火设备及电源；透热设备及电源；高频纤焊设备；熔炼设备及电源；熔炼设备无心感应炉、有心感应炉。

20世纪90年代，国外的一些感应电炉公司直接到中国来办厂，如美国的英达感应加热公司，彼乐公司等，和国内的同行业厂家同台竞争。他们的产品技术含量高，电源功率大，品牌全，炉子吨位大，生产线规模大，占据了国内的很大一部分市场。只是他们的设备价格高 (国内同性能产品大约是其价格的1/5左右)，这才使技术落后于他们的国内厂家，有了一定的市场发展空间。

国内感应加热方面除了国外在国内的办事机构外，从地域上还分“南派”和“北派”技术和产品方面的竞争。“南派”以浙江大学为中心源地，从技术和人事关系上衍生出浙江，上海，苏杭一带的感应电炉公司，其代表有振吴、四达、兆力等公司，主导着南方的熔炼炉市场。“北派”是以西安交大、西安电炉研究所、西安重型电炉厂(现西安鹏远重型电炉厂)所在地西安为中心，衍生出西安，洛阳，山东，河北，山西等地的电炉公司。仅西安市感应加热的公司就达百家之多，是名副其实的中国电炉设计、制造中心。这些厂家中比较有影响的有：西安电炉研究所有限公司、西安鹏远重型电炉厂、西安机电研究所、陕西海意、西安动化、博大、华立等电炉公司。

感应加热的市场发展前景看好，据行内人士讲，西安的几个大的感应炉公司，2007、2008年的各年产值，各公司均在一个亿至几千万间， 产值逐年度快速递增。其中电炉所，海意公司，机电所，动化公司等有多台感应炉出口第三世界国家。

目前国内感应加热电源的技术水平表现在下面几点:

感应加热的高频、中频小功率电源大量的采用IGBT及MOSFET晶体管功率器件，功率在几千瓦到几百千瓦；频率从10KHZ到几百KHZ.这种电源多用于淬火，适应于不同透入深度工件硬层处理。另有少量的双频电源和超高频(27.12MHz)小功率电源。双频电源一般是指高频与超音频组合，超音频40KHz和中频0.5KHz组合。这样的感应加热电源不但效率高，而且更适应处理不同透入深度工件。

感应透热方面，工频电源和中频电源在市场上同时都在应用。在中频电源未发展起来的前20年，工频电源在感应透热和熔炼方面起着主导作用，现正在逐步退出市场。两种电源的区别在:工频电源是由50HZ输出，频率不变，功率的调节靠前端的变压器抽头调输出电压达到调功率的目的。由于负载是一相，输入是三相电，所以，电源内有三相调平衡装置；工频电源功率因数可补偿到1。中频电源是众所周知的AC-DC-AC典型的变频结构.即先把三相工频电源整流成单相直流，滤波后再逆变为各种频率的中频单相交流电源，供给负载感应线圈。

一般Φ300mm以上的金属棒料、锭料透热，大型轴承表面处理多选用工频电源。Φ300mm以下的金属棒料等多选用中频电源。但也有例外的情况，如2005年公布的国家科技进步一等奖第六项“100MN铝挤压设备技术”，其中用的是2600KW中频加热电源，炉子加热的是Φ560mm×1950mm铝锭，属于国际上特大型设备之一。该项目采用计算机控制，梯度加热。他们还设计了297mm×279mm×580mm钢锭透热装置，用的中频电源是2400KW，400Hz，加热温度达到1300℃。

国内还有几台不同功率的电源在同一透热线上联合工作的情况，这些电源功率从2000KW以下至几百千瓦，每个电源负担几个加热线圈.完成一个区域的加热。几个电源和各自若干个线圈组合起来，达到了整个生产线的感应加热要求。

图2 国内最大的70t感应保温炉

感应熔炼方面，近10年发展特别快。10年前，5t以上无心感应熔炼炉很少见，基本上都配的是工频电源。中频炉因电源功率小，所配炉子大多数都在2t以下。现在的无心感应炉已生产出5t，7t，10t，15t，20t，25t，30t，35t，40t熔炼炉，10t熔铝炉(相当于30t熔铁炉体积)，70t铜保温炉（见图2）。这些无心感应炉所配电源，少数电源功率器件是IGBT，其余基本上都采用的晶闸管功率器件。利用管子的串并联技术电源装机容量已20达兆瓦.利用多个电源联合能使输出功率更大。

为适应熔炼炉工艺中熔炼和保温工艺的同时需要，国内还开发出了双供电变频电源：一台电源同时输出功率到两台炉体线圈上，这样可使一台变频电源的功率能灵活的分配给两台炉体：即把一台电源的大功率分配给熔炼炉，下余小功率分配给保温炉。两台炉的功率可互补的自由调整，整体不超过电源输出总功率，也可以同时小功率输出到两台炉体用以保温。这种电源市场上叫DX中频电源，俗称“一拖二”中频电源。国内“一拖二”电源的电路结构是建立在逆变串联谐振电源的基础上，前面是可控或不控的三相整流电路，中间是直流，由电容进行滤波，然后再由两个独立的半桥串联逆变谐振电路进行逆变，输出两路可调节各自频率达到各自输出功率和中频电压的不同。“一拖二”中频电源功率器件有选晶闸管的，也有选IGBT的，这两种电路都有成熟产品在工业现场运行。这里特别要说明的是：“一拖二”变频电源在国外主电路有两种形式：美国应达、比乐电炉公司开发的为串联谐振的“一拖二”；德国容克、ABP公司生产的是串联谐振的“一拖二”。这两种公司在国内都有进口产品。单机容量功率一般在1兆瓦到10兆瓦。这种电源尽管市场需求量不大，但很有卖点，是一个感应电炉公司电源开发能力的标志。

目前，感应加热领域技术先进性标志主要表现在下面几点：

（1）高频电源，采用半导体功率器件，一般说输出功率越大，频率越高，技术越先进。

（2）感应熔炼中频炉电源功率越大，整流的脉波数越多，如18、24脉波，配置的炉体容量越大，技术越先进。

（3）真空感应炉，一般说吨位越大技术越先进。

（4）特种感应加热，一般说，被加热金属温度越高或温度控制的精度误差越小，其技术含量越高。

（5）感应加热的双供电电源（一拖二）和多供电电源（一拖多），功率越大，拖的炉子越多，技术含量越高。

（6）多电源，多区段及铝锭精确的梯度加热控制技术。

（7）感应加热、熔炼、淬火过程的计算机软件对其系统的检测、控制、管理的简单化、傻瓜化、智能化、网络化、故障自诊断，触摸屏技术的采用，是现代先进技术的表示。

5、感应加热电源的发展趋势

随着电力电子功率器件的大容量化，高频化，电子技术装置的控制模拟向数字化，自动控制向智能化发展，感应加热电源的发展趋势呈现以下几个方面的特点：

（1）高频化。感应加热电源中频段主要采用晶闸管；超音频段主要采用IGBT；高频频段，原来是SIT，现在主要发展MOSFET电源。采用IGCT的电源也开始亮相。高频电源的需要催生了新的功率器件，而新的器件又反过来促进了高频电源的发展。高频电源由于对功率器件，相关元件，以及布线，结构，接地，屏蔽都有要求，一般很难把功率作大，频率作高，所以这方面仍有许多应用技术需要进一步探讨，开发。

（2）大容量化。从电路原理角度来看，感应加热电源的大容量化，如几十兆瓦，几百兆瓦，都是可以实现的，其实不然。事实上大功率电源要受制于目前电力电子功率开关器件的限制。目前解决电源大容量化，有三种技术途径：其一，是功率器件进行串并联方式。功率器件串联增加耐压水平，并联解决大电流问题，这种方法主要是处理好串联器件的均压问题，并联器件的均流问题。但由于电子器件制造工艺和参数离散性，功率器件只能有限的串、并联。串并联功率器件一多，装置的可靠性就无法保证。现在工业现场运行的1000KW（1MW）至10MW的感应电源大多采用的是功率器件的串、并联技术。

其二是电源整流桥电路，或逆变桥电路的桥与桥之间的串、并联。整流桥的并联可以增大电源的电流输入，整流桥串联可以提高整流输出电压，两者都对改善谐波有利。一般情况，整流桥串、并联数越多，越对改善谐波有好处！整流桥的并联要解决的是各桥的均流问题。串联解决的是各桥间的均压问题。如，12脉波，24脉波整流电路。多逆变桥的串并联也是常采用的技术，比单纯的功率器件串、并联提高功率更有实际意义。事实上，超大功率电源都是用了逆变桥组成的复合逆变桥路技术。即把原来逆变桥看作一个模块或单元。利用这些模块或单之组成新的逆变桥路。这样无疑增加了控制电路的复杂性和难度，可以用计算机控制技术达到这种电路需要的同电压，同电流，同相位，同频率等特殊参数条件的控制需求，最终达到功率输出更大化。由双变压器双电源并联的24脉波，功率达20000KW，200Hz的中频电源（配40t感应熔炼炉系统）在国内已有产品。见图3。

图3 国内最大的中频电源（20000KW）

其三是多个独立电源串、并联的组合。这个概念不难理解，主要技术是解决好各独立电源间协同工作的问题。目前，超音频以上的小功率电源，把一个单机看作一个串并联单元或模块，多个单元通过串并联后提高功率是一项非常有意义的研究。这种产品市场潜力很大。

（3）主电路的拓扑结构的多样化。国内市场的感应加热电源主电路拓扑形式用的最多，相对技术最成熟的线路是逆变并联电源（即补偿电容和感应线圈相并联形式）。这种电源的主要特点是保护功能易实现。（见图4）

图4 并联电源主回路

对偶于并联电源的还有串联电源拓扑形式（见图5）。

图5 串联电源主回路

串联电源的保护功能实现起来难一点，主要要控制槽路的过压和逆变桥臂的直通。利用的技术是限压和功率管死区设置。

以上全桥逆变除了功率器件用KK快速晶闸管外，还可用其它功率器件，如IGBT等。

还有一种半桥逆变串联形式也用的比较多。（见6），这是“一拖二”感应加热电源用得最多的拓扑结构。

图6 半桥串联电源主回路

感应加热电源除第一种并联结构市场用的最多，技术相对成熟外，其它两种主电路结构形式的控制回路技术还正在进一步的发展中。

双供电电源除采用串联谐振电路外，并联谐振电路的双供电电源也是国内的一个技术开发点。

为了减少整流电路的谐波量，国内在推广全控功率开关器件（如IGBT）代替半控和不控功率器件，应用了PWM和矩阵等控制技术；也有用斩波技术来调电源的功率。这些均因技术不够成熟和经验的原因，市场的产品较少。

（4）负载匹配。感应加热电源和负载感应线圈（感应炉）及补偿电容构成了电源的整体，是一个有机体，不可分割。负载的变化，或曰负载阻抗匹配的合适否，直接影响了电源的额定功率，频率是否能达到设计的目标，也影响了感应加热的效率。感应线圈(负载)的设计计算是一个十分复杂的工作，要设计出一个满意的负载线圈并非易事。现在计算方法是采用忽略次要参数，或依靠经验修正过的公式来设计，有较大误差。今后这方面急需要进行理论指导下建立精确的数字模型，更大范围的适应各种形式负载计算精度，特别是利用计算机的仿真技术。国外，特别是美国，在负载感应器(线圈)用计算机辅助设计和仿真方面已开发了专用的软件，值得我们借鉴。

（5）高功率因数，低谐波。感应加热电源功率因数最好时，能达到0.95，很多时候是在0.85-0.9间工作的。另外还有不可避免的谐波，对电网构成了一定的污染，电源功率越大，这种问题越突出。新一代电源必须是高功率因数，低谐波的电源。现在发展的技术有：多重化整流技术、全控功率管加上矩阵控制或PWM控制等技术、串联线路、斩波技术等。同时也催生了电源谐波的滤除和功率因数补偿的消谐装置的开发和生产。

（6）有心感应炉电源的变更。有心感应炉具有负载稳定，自然功率因数高(电容未补偿前为0.6左右，而无心炉为0.05--0.3)；吨位大(国内有200t的镀锌炉)， 有心感应炉一直使用的是传统的工频电源。这种电源不能进行无级调功率，现在国内有的公司在试着把工频电源用中频电源，或接近50Hz的变频电源来代替，从目前看这种尝试还存在许多问题，如负载的最佳匹配问题；50Hz在频率运行中，频率共振和干扰问题；什么样的拓扑电源更适应这种有心感应炉负载等，都需要进一步的探讨。国外进口国内产品中，中频主回路，不用传统的PCB线路板而用PLC（工业控制可编程器）来代替工频电源，功率2400KW，55Hz。西安某公司在工频电源的改进上也取得了可喜的成果：如，用双向晶闸管作调功元件，达到了工频电源无级调功率；三相平衡装置调节和功率因数补偿采用了单片机控制的电感、电容的柔性投切技术。

（7）数字化，智能化控制，远程控制，傻瓜控制，故障自诊断等都是感应加热电源发展的必然方向。这些技术的采用，将会是新一代电源运行起来更可靠，性能更好。

这几年，电源的控制电路在数字化过程中已迈出了可喜的步子，市面上流行的中频电源控制电路除调节器系统还未数字化外，其余部分都已实现了数字化。有的控制板还利用可编程芯片(CPLD)，开发出了电源控制专用的大规模数字逻辑电路芯片，使控制板元件和焊点少，故障率低，运行中性能良好。有的公司还用美国TI公司生产的DSP芯片TMS320LF2407

从现有情况看，要实现电源控制的全数字化，智能化等，作者认为：采用DSP数字微处理器和CPLD或FPGA芯片编程技术，是一条捷径。TI生产的TMS320F2000系列的芯片用作电源系统的控制核心应当是一个不错的选择。

要使我国感应加热的发展，尽快赶上国外先进国家同行水平，仅重视上面几点还是不够的，作者认为还要重视以下几点: a、要消化吸收国外引进产品中的新技术； b、各企业要投入一定的人力，财力，自主开发新的技术； c、主管行业的归口部门，要重视该方面基础理论的研究，多翻译国外的有关资料进来；d、鼓励同行业科技人才互相交流，著书立说(目前行业技术资料非常少且落伍)、技术创新。