各種感應加熱電源性能對比

引言

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　　感應加熱電源廣泛應用於金屬熱處理、淬火、退火、透熱、熔煉、焊接、熱套、半導體材料煉製、塑料熱合、烘烤和提純等場合；利用在高頻磁場作用下產生的感應電流引起導體自身發熱而進行加熱。感應加熱與爐式加熱、燃燒加熱或者電熱絲加熱相比，具有顯著節能、非接觸、速度快、工序簡單、容易實現自動化等優點。

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，經隔離和阻抗匹配，通過諧振的方法在感應器中產生強大的高頻電流。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，它經歷了從電子管、晶閘管到目前普遍採用IGBT 的發展歷程。

　　在目前主流的 IGBT 式感應加熱產品中，仍有較多的電路和結構方式差異。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製逆變方式和斬波調壓逆變方式；從諧振輸出單元看有並聯諧振方式和串聯諧振方式。各種電路和結構方式在效率、功率因數、可靠性等性能上各有差異。

　　1 目前產品普遍存在的問題及原因

　　雖然採用 IGBT 取代晶閘管和電子管已經取得了很大的進步，但目前大多數生產廠商研製生產的感應加熱電源設備仍然存在一些普遍問題，這些問題主要表現為：

　　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 冷卻水迴路故障較多e 功率因數較低、諧波汙染大f 設備可靠連續運行性能欠佳這些問題主要是因為設計上的缺陷所致，現針對這些問題探討其原因：

　　a 由於 IGBT、電抗器、輸出變壓器、諧振電容器均採取水冷結構，不僅損耗較大、效率較低，冷卻水消耗大，而且容易發生因為銅管結垢堵塞導致器件燒毀，也容易發生漏水導致故障範圍擴大等問題；且由於水路並聯支路很多，系統無法保證每一支路均具有斷水保護功能。

　　b 由於模擬式控制電路不能適應各種變化工況，使得功率元件IGBT 脫離過零軟開關狀態，因此開關損耗增加、並經常導致IGBT 過熱損壞。

　　c 脈寬調製型（無斬波調壓）產品採用軟開通、硬關斷（或帶緩衝的硬關斷）電路，因此IGBT 損耗大，且這種方式容易脫離軟開關狀態導致IGBT 損壞。

　　d 設備在過壓、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，導致設備損壞。

　　e 並聯諧振方式的設備容易發生逆變單元過壓而損壞器件。

　　f 控制電路抗幹擾能力差，系統運行不穩定或保護限制功能容易誤動作，設備可靠性差；或設備設備由於外界因素或偶然因素保護停機後不能自動重起動。

　　g 整流後直接採用大容量電力電容濾波，無濾波電感或直流側IGBT 斬波電路，因此功率因數低，輸入電流諧波大；如採用電力電解電容，還有發熱、串聯均壓問題、壽命較短等缺陷。

　　2 新型數字式空冷感應加熱電源的主要特點

　　一種新型引進技術的 Atec 系列感應加熱電源主迴路如下圖所示，該產品為創新的全空冷結構，在中央處理器DSP 的數字式控制下，功率器件IGBT 始終精確工作在零電流開關狀態，自動重起動功能保證了設備連續運行的可靠性；與非數字式產品相比，數字式產品在各方面性能均得以提高。

　　該產品的整流單元為不可控整流，且直流側採用 IGBT 斬波調壓，諧振方式為輸出隔離型次級串聯諧振。這種電路有效提高了設備效率和功率因數、減少輸入諧波、降低IGBT損耗；使得設備可以採用全空冷結構，並消除設備來自水系統的故障；基於這種結構，設備的工作頻率為1KHz－100KHz。

　　2.1 準確可靠的過零軟開關IGBT 逆變

　　高頻感應加熱電源一般均採用諧振軟開關控制，可以大為降低IGBT 開關損耗，且實現自動跟蹤諧振頻率。

　　有的產品直流側沒有 IGBT 斬波電路，這是一種軟開通硬關斷電路，或者是帶緩衝的硬關斷電路。這種電路的關斷損耗較大，且容易脫離軟開關狀態。採用直流側IGBT 斬波電路後，可以實現完全的軟開通軟關斷，並將開通損耗和關斷損耗均降至最低。

　　傳統控制電路採用鎖相環跟蹤系統諧振頻率，但諧振頻率較高時，影響頻率跟蹤的離散參數比較突出，頻率較高時，鎖相環精度不夠，容易出現脫離軟開關的狀態，因此開關損耗增大，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 Atec 系列感應加熱電源採用DSP 進行跟蹤控制，憑藉DSP 的快速處理能力，可根據不同工況進行跟蹤補償，使系統準確度大幅度提高，諧振頻率和相位的跟蹤誤差大為降低。此外，系統採用的快速IGBT 驅動電路也有助於更準確快速的高頻軟開關電路的實現。

　　2.2 全空冷結構

　　傳統水冷設備存在兩大缺陷：一是損耗大、二是容易損壞。由於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，這使得系統效率降低。此外，水冷管路容易發生水管結垢堵塞燒毀器件的現象。

　　基於準確可靠的數字式 IGBT 軟開關技術，Atec 系列感應加熱電源採用了全空冷結構，這樣不但提高了效率，而且徹底消除設備來自水系統的故障。

　　該產品為輸出隔離型次級串聯諧振。輸出隔離有利於安全運行；由於採用數字式控制，可以做到極低的逆變直流分量，因而採取次級串聯諧振方式成為可能；次級串聯諧振的隔離變壓器只承載有功功率，而且也採用空冷結構。整個系統從整流單元輸入到諧振輸出單元的效率高於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，整個系統的效率低於90％。

　　空冷設備的壽命比水冷設備更長。

　　2.3 不間斷運行

　　數字式產品可以採取很多措施提高產品可靠性，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後，處理器經分析後立即自動重起動，這樣對工件的加熱幾乎沒有影響，因此設備可靠性大為提高。

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

　　2.4 完善的限制保護措施

　　在感應加熱設備中，由於負載工況比較複雜，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，當較大擾動發生時，設備起動限制程序，但繼續保持安全運行，擾動消除後，設備即恢復正常運行，如此設備得以不間斷連續運行，可靠性大為提高；只有在超出設備承受能力的情況下，設備才強制保護退出運行。

　　數字式產品容易實現上述功能，而模擬式產品由於無法進行計算和判斷，無法做到完善的限制保護。