比较各种感应加热电源功用

导言

数字感应加热电源广泛使用于金属热处理、淬火、退火、透热、熔炼、焊接、热套、半导体材料炼制、塑料热合、烘烤和提纯等场合；利用在高频磁场效果下发生的感应电流引起导体本身发热而进行加热。感应加热与炉式加热、燃烧加热或许电热丝加热比较，具有明显节能、非接触、速度快、工序简略、简略完结自动化等利益。

数字感应加热电源先要由整流单元、逆变单元、谐振输出单元、和感应器四部分组成。其间整流单元将工频三相沟通电压转化成直流电压；逆变单元电能转换成为几千至上百千赫兹的高频电能；谐振输出单元一端联接逆变器，另一端联接感应器，经隔绝和阻抗匹配，通过谐振的方法在感应器中发生强壮的高频电流。加热时，感应器在工件中感生高频电流，因此导体敏捷被加热。前期的感应加热设备中，逆变单元所需的高频逆变器材抉择了设备的方式，它阅历了从电子管、晶闸管到现在广泛选用IGBT 的发展进程。前期设备以大功率真空电子管为中心构成单级自激振荡器，把高压直流电能转化成高频沟通电能，因为电压转换环节较多、电子管转化功率低，设备的总体功率一般在50％以下，电能和水的消耗非常大，现在已趋淘汰。与电子管设备比较，晶闸管式感应加热设备的功率大为前进，达到90％左右，但其谐振频率较低、逆转换流部分恰当凌乱、损耗仍然较大，且功率因数低，现在仅适用于超大功率场合使用。而选用IGBT 或MOSFET 的感应加热设备总体功率在90％以上，谐振频率可达数百千赫兹，且结构大为简化，设备可靠性、功率因数等其它质量均得以前进。

在现在主流的 IGBT 式感应加热产品中，仍有较多的电路和结构方法差异。从整流单元看有可控整流方法和不可控整流方法；从逆变单元看有脉宽调制逆变方法和斩波调压逆变方法；从谐振输出单元看有并联谐振方法和串联谐振方法。各种电路和结构方法在功率、功率因数、可靠性等功用上各有差异。

1 现在产品广泛存在的问题及原因

虽然选用 IGBT 代替晶闸管和电子管现已取得了很大的前进，但现在大多数出产厂商研发出产的感应加热电源设备仍然存在一些广泛问题，这些问题首要表现为：

a 功率较低、电能和冷却水消耗大b 功率元件 IGBT 简略损坏c 电抗器或输出变压器简略损坏d 冷却水回路缺点较多e 功率因数较低、谐波污染大f 设备可靠连续工作功用欠佳这些问题首要是因为规划上的缺点所造成的，现针对这些问题讨论其原因：

a 因为 IGBT、电抗器、输出变压器、谐振电容器均采用水冷结构，不只损耗较大、功率较低，冷却水消耗大，而且简略发生因为铜管结垢阻塞导致器材焚毁，也简略发生漏水导致缺点范围扩大等问题；且因为水路并联支路许多，系统无法保证每一支路均具有断水保护功用。

b 因为模拟式控制电路不能适应各种改动工况，使得功率元件IGBT 脱离过零软开关情况，因此开关损耗添加、并常常导致IGBT 过热损坏。

c 脉宽调制型（无斩波调压）产品选用软注册、硬关断（或带缓冲的硬关断）电路，因此IGBT 损耗大，且这种方法简略脱离软开关情况导致IGBT 损坏。

d 设备在过压、过载、感应圈短路或部分短路、功率元件过热等情况下控制电路不能起到有用束缚和保护效果，导致设备损坏。

e 并联谐振方法的设备简略发生逆变单元过压而损坏器材。

f 控制电路抗干扰才干差，系统工作不稳定或保护束缚功用简略误动作，设备可靠性差；或设备设备因为外界要素或偶尔要素保护停机后不能自动重起动。

g 整流后直接选用大容量电力电容滤波，无滤波电感或直流侧IGBT 斩波电路，因此功率因数低，输入电流谐波大；如选用电力电解电容，还有发热、串联均压问题、寿数较短等缺点。

2 新式数字式空冷感应加热电源的首要特点

一种新式引进技术的 Atec 系列感应加热电源主回路如下图所示，该产品为立异的全空冷结构，在中央处理器DSP 的数字式控制下，功率器材IGBT 始终准确作业在零电流开关情况，自动重起动功用保证了设备连续工作的可靠性；与非数字式产品比较，数字式产品在各方面功用均得以前进。

该产品的整流单元为不可控整流，且直流侧选用 IGBT 斩波调压，谐振方法为输出隔绝型次级串联谐振。这种电路有用前进了设备功率和功率因数、削减输入谐波、下降IGBT损耗；使得设备可以选用全空冷结构，并消除设备来自水系统的缺点；依据这种结构，设备的作业频率为1KHz－100KHz。

2.1 准确可靠的过零软开关IGBT 逆变

高频感应加热电源一般均选用谐振软开关控制，可以大为下降IGBT 开关损耗，且完结自动跟踪谐振频率。

有的产品直流侧没有 IGBT 斩波电路，这是一种软注册硬关断电路，或许是带缓冲的硬关断电路。这种电路的关断损耗较大，且简略脱离软开关情况。选用直流侧IGBT 斩波电路后，可以完结完全的软注册软关断，并将注册损耗和关断损耗均降至低。

传统控制电路选用锁相环跟踪系统谐振频率，但谐振频率较高时，影响频率跟踪的离散参数比较突出，频率较高时，锁相环精度不够，简略出现脱离软开关的情况，因此开关损耗增大，严重时导致IGBT 损坏。因此，前进控制的准确度是保证IGBT 安全工作的前提条件。

新式 Atec 系列感应加热电源选用DSP 进行跟踪控制，仰仗DSP 的快速处理才干，可依据不同工况进行跟踪补偿，使系统准确度大幅度前进，谐振频率和相位的跟踪过失大为下降。此外，系统选用的快速IGBT 驱动电路也有助于更准确快速的高频软开关电路的完结。

2.2 全空冷结构

传统水冷设备存在两大缺点：一是损耗大、二是简略损坏。因为水冷线圈由铜管绕制，在高频工作时，其涡流损耗非常大，损耗的能量均由水带走，这使得系统功率下降。此外，水冷管路简略发生水管结垢阻塞焚毁器材的现象。

依据准确可靠的数字式 IGBT 软开关技术，Atec 系列感应加热电源选用了全空冷结构，这样不光前进了功率，而且完全消除设备来自水系统的缺点。

该产品为输出隔绝型次级串联谐振。输出隔绝有利于安全工作；因为选用数字式控制，可以做到极低的逆变直流分量，因此采用次级串联谐振方法成为可能；次级串联谐振的隔绝变压器只承载有功功率，而且也选用空冷结构。整个系统从整流单元输入到谐振输出单元的功率高于95％。假设是初级谐振带隔绝变压器，则因为变压器承载5-10 倍的无功功率，整个系统的功率低于90％。

空冷设备的寿数比水冷设备更长。

2.3 不间断工作

数字式产品可以采用许多方法前进产品可靠性，削减停机；有用的是自动重起动功用，在外界要素或偶尔要素保护停机后，处理器经分析后当即自动重起动，这样对工件的加热几乎没有影响，因此设备可靠性大为前进。

例如，如感应器冷却水压发生波动导致设备停机，模拟式设备只能等待人工恢复和再次起动，Atec 系列数字式感应加热电源可以在水压恢复正常时当即重起动，并回到本来的工作情况。

2.4 完善的束缚保护方法

在感应加热设备中，因为负载工况比较凌乱，完善的束缚保护方法必不可少，但束缚保护方法绝不能下降设备工作可靠性。

完善的束缚保护方法应该是在有恰当大的抗扰动前提下，当较大扰动发生时，设备起动束缚程序，但继续坚持安全工作，扰动消除后，设备即恢复正常工作，如此设备得以不间断连续工作，可靠性大为前进；只需在超出设备承受才干的情况下，设备才强制保护退出工作。

数字式产品简略完结上述功用，而模拟式产品因为无法进行核算和判断，无法做到完善的束缚保护。

2.5 增强功用

因为选用了数字式，Atec 系列感应加热电源可以完结许多增强功用，例如：

a 多种工作方法，内置 PID，无需其它设备即可完结恒温度控制

b 多种控制方法，简略完结远方控制及自动化控制

c 工艺曲线编程功用和自动工作

d 频率自动跟踪

3 各种类型感应加热电源产品功用比较

现在，数字感应加热电源首要存在电子管式、晶闸管式、MOSFET 式、IGBT 式；而IGBT式又有如下几种主流产品：

a 可控调压 IGBT 并联谐振式（变压器隔绝型或非隔绝型）；

b 不可控调压 IGBT 并联谐振式（变压器隔绝型或非隔绝型）；

c 脉宽调制 IGBT 串联谐振式（变压器隔绝型）；

d 斩波调压 IGBT 串联谐振式（变压器隔绝型）；

在此仅对各种 IGBT 式设备与Atec 系列新式数字式空冷设备进行比较。

4 节能分析

4.1 感应加热系统节能方法

关于一个感应加热系统，考虑节能时，不只需考虑感应加热电源本身，更应考虑感应器结构及其匹配是否恰当。但是，感应器的结构和规划与采用何种方法的感应加热电源并没有直接关系，而首要由用户的工艺要求所抉择。有时优化感应器规划所得到的节能效果远比前进感应加热电源本身功率的节能效果要好；又或许假设匹配不恰当，所损失的电量也很大。但因为感应器的结构和规划首要是由用户的工艺要求所抉择，变数较大，难以对其节能效果进行定量分析。

关于设备本身，除了功率外，功率因数也很重要，因为用户不只需求支付有功功率的费用，也需求支付无功功率的费用。而且因为谐波引起的功率因数下降还不能用补偿电容的方法进行补偿。

大多数场合下，设备不是在满功率下工作的，假设一台设备实际工作功率因数只需0.6，那么清楚明了，用户在无功功率上需求支付的费用将大为超越因设备功率引起的有功功率损失费用（按照供电规则，功率要素高于0.85 时，不增收电费；功率因数为0.60 时，月电费增收15％，低于0.60 时，每低0.01，增收2％，也就是说假设功率要素为0.40，则月电费将增收55％）。

图示为串联谐振设备与并联谐振设备在不同负荷下的功率因数（未计入谐波引起的功率因数下降）。

别的，关于感应加热系统来说，冷却水的节省也是恰当可观的，也应是节能的一部分。

假设是自来水冷却直接排放，则水费的损失比设备功率引起的电费损失还要大（设备功率按照92％核算，水流量按照每分钟50 升核算）；假设用户使用了循环水冷却，或许闭式水冷机，则水制冷所需的电功率以及水泵的电功率仍然应该计入损耗的一部分。

4.2 Atec系列感应加热电源与其它方法的感应加热电源比较

以设备功率 160KW 的感应加热电源为例，比较隔绝可控调压IGBT 并联谐振式、非隔绝不可控调压IGBT 并联谐振式、脉宽调制IGBT 串联谐振式、Atec 数字空冷IGBT 串联次级谐振式感应加热电源的耗电量，以设备均匀输出功率120KW、每年均匀作业300日、每日8 小时、电费按照每度0.80 元核算：

5 结语

a 传统感应加热电源产品存在损耗大、电能和水的消耗大、功率因数低、水系统缺点多、工作可靠性不高档缺点。

b 新式Atec 系列数字式空冷感应加热电源通过采用数字式全空冷结构、IGBT 软开关等方法下降系统损耗，不只前进了功率，而且消除了系统来自水系统的缺点；通过选用DSP完结全数字式控制，不只前进了系统跟踪和控制准确度，而且系统的可靠性和先进性也得以前进；通过直流侧IGBT 斩波电路结构，不只完结了逆变IGBT 的过零注册和过零关断，而且前进了电源的功率因数。

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