幾種感應加熱電源產(chǎn)品性能比較分析

　　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(chǎng)合；利用在高頻磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的感應電流引起導體自身發(fā)熱而進(jìn)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(zhù)節能、非接觸、速度快、工序簡(jiǎn)單、容易實(shí)現自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。

　　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(jīng)隔離和阻抗匹配，通過(guò)諧振的方法在感應器中產(chǎn)生強大的高頻電流。加熱時(shí)，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(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制逆變方式和斬波調壓逆變方式；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(chǎn)品普遍存在的問(wèn)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(jìn)步，但目前大多數生產(chǎn)廠(chǎng)商研制生產(chǎn)的感應加熱電源設備仍然存在一些普遍問(wèn)題，這些問(wèn)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 冷卻水回路故障較多e 功率因數較低、諧波污染大f 設備可靠連續運行性能欠佳這些問(wèn)題主要是因為設計上的缺陷所致，現針對這些問(wèn)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構，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(wèn)題；且由于水路并聯(lián)支路很多，系統無(wú)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(guò)零軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此開(kāi)關(guān)損耗增加、并經(jīng)常導致IGBT 過(guò)熱損壞。

　　c 脈寬調制型（無(wú)斬波調壓）產(chǎn)品采用軟開(kāi)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(kāi)關(guān)狀態(tài)導致IGBT 損壞。

　　d 設備在過(guò)壓、過(guò)載、感應圈短路或部分短路、功率元件過(guò)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 并聯(lián)諧振方式的設備容易發(fā)生逆變單元過(guò)壓而損壞器件。

　　f 控制電路抗干擾能力差，系統運行不穩定或保護限制功能容易誤動(dòng)作，設備可靠性差；或設備設備由于外界因素或偶然因素保護停機后不能自動(dòng)重起動(dòng)。

　　g 整流后直接采用大容量電力電容濾波，無(wú)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；如采用電力電解電容，還有發(fā)熱、串聯(lián)均壓?jiǎn)?wèn)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(diǎn)

　　一種新型引進(jìn)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(kāi)關(guān)狀態(tài)，自動(dòng)重起動(dòng)功能保證了設備連續運行的可靠性；與非數字式產(chǎn)品相比，數字式產(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，且直流側采用 IGBT 斬波調壓，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；使得設備可以采用全空冷結構，并消除設備來(lái)自水系統的故障；基于這種結構，設備的工作頻率為1KHz－100KHz。

　　2.1 準確可靠的過(guò)零軟開(kāi)關(guān)IGBT 逆變

　　高頻感應加熱電源一般均采用諧振軟開(kāi)關(guān)控制，可以大為降低IGBT 開(kāi)關(guān)損耗，且實(shí)現自動(dòng)跟蹤諧振頻率。

　　有的產(chǎn)品直流側沒(méi)有 IGBT 斬波電路，這是一種軟開(kāi)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(kāi)關(guān)狀態(tài)。采用直流側IGBT 斬波電路后，可以實(shí)現完全的軟開(kāi)通軟關(guān)斷，并將開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗均降至最低。

　　傳統控制電路采用鎖相環(huán)跟蹤系統諧振頻率，但諧振頻率較高時(shí)，影響頻率跟蹤的離散參數比較突出，頻率較高時(shí)，鎖相環(huán)精度不夠，容易出現脫離軟開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，因此開(kāi)關(guān)損耗增大，嚴重時(shí)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(jìn)行跟蹤控制，憑借DSP 的快速處理能力，可根據不同工況進(jìn)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，系統采用的快速I(mǎi)GBT 驅動(dòng)電路也有助于更準確快速的高頻軟開(kāi)關(guān)電路的實(shí)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。由于水冷線(xiàn)圈由銅管繞制，在高頻運行時(shí)，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(fā)生水管結垢堵塞燒毀器件的現象。

　　基于準確可靠的數字式 IGBT 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)， 感應加熱電源采用了全空冷結構，這樣不但提高了效率，而且徹底消除設備來(lái)自水系統的故障。

　　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，而且也采用空冷結構。整個(gè)系統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(wú)功功率，整個(gè)系統的效率低于90％。

　　空冷設備的壽命比水冷設備更長(cháng)。

　　2.3 不間斷運行

　　數字式產(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(dòng)重起動(dòng)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(dòng)重起動(dòng)，這樣對工件的加熱幾乎沒(méi)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(fā)生波動(dòng)導致設備停機，模擬式設備只能等待人工恢復和再次起動(dòng)，數字式感應加熱電源可以在水壓恢復正常時(shí)立即重起動(dòng)，并回到原來(lái)的運行狀態(tài)。

　　2.4 完善的限制保護措施

　　在感應加熱設備中，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(dòng)前提下，當較大擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，設備起動(dòng)限制程序，但繼續保持安全運行，擾動(dòng)消除后，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(chǎn)品容易實(shí)現上述功能，而模擬式產(chǎn)品由于無(wú)法進(jìn)行計算和判斷，無(wú)法做到完善的限制保護。

　　2.5 增強功能

　　由于采用了數