引言
感應(yīng)加熱電源廣泛應(yīng)用于金屬熱處理、淬火、退火、透熱、熔煉、焊接、熱套、半導(dǎo)體材料煉制、塑料熱合、烘烤和提純等場合；利用在高頻磁場作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電流引起導(dǎo)體自身發(fā)熱而進(jìn)行加熱。感應(yīng)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(jié)能、非接觸、速度快、工序簡單、容易實(shí)現(xiàn)自動化等優(yōu)點(diǎn)。
感應(yīng)加熱電源主要由整流單元、逆變單元、諧振輸出單元、和感應(yīng)器四部分組成。其中整流單元將工頻三相交流電壓轉(zhuǎn)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(yīng)器，經(jīng)隔離和阻抗匹配，通過諧振的方法在感應(yīng)器中產(chǎn)生強(qiáng)大的高頻電流。加熱時(shí)，感應(yīng)器在工件中感生高頻電流，因此導(dǎo)體迅速被加熱。早期的感應(yīng)加熱設(shè)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(yīng)加熱產(chǎn)品中，仍有較多的電路和結(jié)構(gòu)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(diào)制逆變方式和斬波調(diào)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(jié)構(gòu)方式在效率、功率因數(shù)、可靠性等性能上各有差異。
1 目前產(chǎn)品普遍存在的問題及原因
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(shù)生產(chǎn)廠商研制生產(chǎn)的感應(yīng)加熱電源設(shè)備仍然存在一些普遍問題，這些問題主要表現(xiàn)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(shù)較低、諧波污染大f 設(shè)備可靠連續(xù)運(yùn)行性能欠佳這些問題主要是因?yàn)樵O(shè)計(jì)上的缺陷所致，現(xiàn)針對這些問題探討其原因：
a 由于 IGBT、電抗器、輸出變壓器、諧振電容器均采取水冷結(jié)構(gòu)，不僅損耗較大、效率較低，冷卻水消耗大，而且容易發(fā)生因?yàn)殂~管結(jié)垢堵塞導(dǎo)致器件燒毀，也容易發(fā)生漏水導(dǎo)致故障范圍擴(kuò)大等問題；且由于水路并聯(lián)支路很多，系統(tǒng)無法保證每一支路均具有斷水保護(hù)功能。
b 由于模擬式控制電路不能適應(yīng)各種變化工況，使得功率元件IGBT 脫離過零軟開關(guān)狀態(tài)，因此開關(guān)損耗增加、并經(jīng)常導(dǎo)致IGBT 過熱損壞。
c 脈寬調(diào)制型（無斬波調(diào)壓）產(chǎn)品采用軟開通、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關(guān)狀態(tài)導(dǎo)致IGBT 損壞。
d 設(shè)備在過壓、過載、感應(yīng)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(hù)作用，導(dǎo)致設(shè)備損壞。
e 并聯(lián)諧振方式的設(shè)備容易發(fā)生逆變單元過壓而損壞器件。
f 控制電路抗干擾能力差，系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定或保護(hù)限制功能容易誤動作，設(shè)備可靠性差；或設(shè)備設(shè)備由于外界因素或偶然因素保護(hù)停機(jī)后不能自動重起動。
g 整流后直接采用大容量電力電容濾波，無濾波電感或直流側(cè)IGBT 斬波電路，因此功率因數(shù)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)均壓問題、壽命較短等缺陷。
2 新型數(shù)字式空冷感應(yīng)加熱電源的主要特點(diǎn)
一種新型引進(jìn)技術(shù)的 感應(yīng)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(jié)構(gòu)，在中央處理器DSP 的數(shù)字式控制下，功率器件IGBT 始終精確工作在零電流開關(guān)狀態(tài)，自動重起動功能保證了設(shè)備連續(xù)運(yùn)行的可靠性；與非數(shù)字式產(chǎn)品相比，數(shù)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(cè)采用 IGBT 斬波調(diào)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(shè)備效率和功率因數(shù)、減少輸入諧波、降低IGBT損耗；使得設(shè)備可以采用全空冷結(jié)構(gòu)，并消除設(shè)備來自水系統(tǒng)的故障；基于這種結(jié)構(gòu)，設(shè)備的工作頻率為1KHz－100KHz。
2.1 準(zhǔn)確可靠的過零軟開關(guān)IGBT 逆變
高頻感應(yīng)加熱電源一般均采用諧振軟開關(guān)控制，可以大為降低IGBT 開關(guān)損耗，且實(shí)現(xiàn)自動跟蹤諧振頻率。
有的產(chǎn)品直流側(cè)沒有 IGBT 斬波電路，這是一種軟開通硬關(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，且容易脫離軟開關(guān)狀態(tài)。采用直流側(cè)IGBT 斬波電路后，可以實(shí)現(xiàn)完全的軟開通軟關(guān)斷，并將開通損耗和關(guān)斷損耗均降至最低。
傳統(tǒng)控制電路采用鎖相環(huán)跟蹤系統(tǒng)諧振頻率，但諧振頻率較高時(shí)，影響頻率跟蹤的離散參數(shù)比較突出，頻率較高時(shí)，鎖相環(huán)精度不夠，容易出現(xiàn)脫離軟開關(guān)的狀態(tài)，因此開關(guān)損耗增大，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致IGBT 損壞。因此，提高控制的準(zhǔn)確度是保證IGBT 安全運(yùn)行的前提條件。
新型 感應(yīng)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(jù)不同工況進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，使系統(tǒng)準(zhǔn)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(tǒng)采用的快速IGBT 驅(qū)動電路也有助于更準(zhǔn)確快速的高頻軟開關(guān)電路的實(shí)現(xiàn)。
2.2 全空冷結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)水冷設(shè)備存在兩大缺陷：一是損耗大、二是容易損壞。由于水冷線圈由銅管繞制，在高頻運(yùn)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(tǒng)效率降低。此外，水冷管路容易發(fā)生水管結(jié)垢堵塞燒毀器件的現(xiàn)象。
基于準(zhǔn)確可靠的數(shù)字式 IGBT 軟開關(guān)技術(shù)， 感應(yīng)加熱電源采用了全空冷結(jié)構(gòu)，這樣不但提高了效率，而且徹底消除設(shè)備來自水系統(tǒng)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(yùn)行；由于采用數(shù)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(jié)構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)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?yàn)樽儔浩鞒休d5-10 倍的無功功率，整個(gè)系統(tǒng)的效率低于90％。
空冷設(shè)備的壽命比水冷設(shè)備更長。
2.3 不間斷運(yùn)行
數(shù)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(jī)；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(hù)停機(jī)后，處理器經(jīng)分析后立即自動重起動，這樣對工件的加熱幾乎沒有影響，因此設(shè)備可靠性大為提高。
例如，如感應(yīng)器冷卻水壓發(fā)生波動導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)，模擬式設(shè)備只能等待人工恢復(fù)和再次起動，數(shù)字式感應(yīng)加熱電源可以在水壓恢復(fù)正常時(shí)立即重起動，并回到原來的運(yùn)行狀態(tài)。
2.4 完善的限制保護(hù)措施
在感應(yīng)加熱設(shè)備中，由于負(fù)載工況比較復(fù)雜，完善的限制保護(hù)措施必不可少，但限制保護(hù)措施絕不能降低設(shè)備運(yùn)行可靠性。
完善的限制保護(hù)措施應(yīng)該是在有相當(dāng)大的抗擾動前提下，當(dāng)較大擾動發(fā)生時(shí)，設(shè)備起動限制程序，但繼續(xù)保持安全運(yùn)行，擾動消除后，設(shè)備即恢復(fù)正常運(yùn)行，如此設(shè)備得以不間斷連續(xù)運(yùn)行，可靠性大為提高；只有在超出設(shè)備承受能力的情況下，設(shè)備才強(qiáng)制保護(hù)退出運(yùn)行。
數(shù)字式產(chǎn)品容易實(shí)現(xiàn)上述功能，而模擬式產(chǎn)品由于無法進(jìn)行計(jì)算和判斷，無法做到完善的限制保護(hù)。
2.5 增強(qiáng)功能
由于采用了數(shù)字式， 感應(yīng)加熱電源可以實(shí)現(xiàn)很多增強(qiáng)功能，例如：
a 多種運(yùn)行方式，內(nèi)置 PID，無需其它設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)恒溫度控制
b 多種控制方式，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方控制及自動化控制
c 工藝曲線編程功能和自動運(yùn)行
d 頻率自動跟蹤
3 各種類型感應(yīng)加熱電源產(chǎn)品性能比較
目前，感應(yīng)加熱電源主要存在電子管式、晶閘管式、MOSFET 式、IGBT 式；而IGBT式又有如下幾種主流產(chǎn)品：
a 可控調(diào)壓 IGBT 并聯(lián)諧振式（變壓器隔離型或非隔離型）；
b 不可控調(diào)壓 IGBT 并聯(lián)諧振式（變壓器隔離型或非隔離型）；
c 脈寬調(diào)制 IGBT 串聯(lián)諧振式（變壓器隔離型）；
d 斬波調(diào)壓 IGBT 串聯(lián)諧振式（變壓器隔離型）；
在此僅對各種 IGBT 式設(shè)備與新型數(shù)字式空冷設(shè)備進(jìn)行比較。
4 節(jié)能分析
4.1 感應(yīng)加熱系統(tǒng)節(jié)能措施
對于一個(gè)感應(yīng)加熱系統(tǒng)，考慮節(jié)能時(shí)，不僅要考慮感應(yīng)加熱電源本身，更應(yīng)考慮感應(yīng)器結(jié)構(gòu)及其匹配是否恰當(dāng)。然而，感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)與采取何種方式的感應(yīng)加熱電源并沒有直接關(guān)系，而主要由用戶的工藝要求所決定。有時(shí)優(yōu)化感應(yīng)器設(shè)計(jì)所得到的節(jié)能效果遠(yuǎn)比提高感應(yīng)加熱電源本身效率的節(jié)能效果要好；又或者如果匹配不恰當(dāng)，所損失的電量也很大。但由于感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)主要是由用戶的工藝要求所決定，變數(shù)較大，難以對其節(jié)能效果進(jìn)行定量分析。
對于設(shè)備本身，除了效率外，功率因數(shù)也很重要，因?yàn)橛脩舨粌H需要支付有功功率的費(fèi)用，也需要支付無功功率的費(fèi)用。而且因?yàn)橹C波引起的功率因數(shù)下降還不能用補(bǔ)償電容的方法進(jìn)行補(bǔ)償。
大多數(shù)場合下，設(shè)備不是在滿功率下運(yùn)行的，如果一臺設(shè)備實(shí)際運(yùn)行功率因數(shù)只有0.6，那么顯而易見，用戶在無功功率上需要支付的費(fèi)用將大為超過因設(shè)備效率引起的有功功率損失費(fèi)用（按照供電規(guī)則，功率因素高于0.85 時(shí)，不增收電費(fèi)；功率因數(shù)為0.60 時(shí)，月電費(fèi)增收15％，低于0.60 時(shí)，每低0.01，增收2％，也就是說如果功率因素為0.40，則月電費(fèi)將增收55％）。
圖示為串聯(lián)諧振設(shè)備與并聯(lián)諧振設(shè)備在不同負(fù)荷下的功率因數(shù)（未計(jì)入諧波引起的功率因數(shù)下降）。
另外，對于感應(yīng)加熱系統(tǒng)來說，冷卻水的節(jié)約也是相當(dāng)可觀的，也應(yīng)是節(jié)能的一部分。
如果是自來水冷卻直接排放，則水費(fèi)的損失比設(shè)備效率引起的電費(fèi)損失還要大（設(shè)備效率按照92％計(jì)算，水流量按照每分鐘50 升計(jì)算）；如果用戶使用了循環(huán)水冷卻，或者閉式水冷機(jī)，則水制冷所需的電功率以及水泵的電功率依然應(yīng)該計(jì)入損耗的一部分。
4.2 系列感應(yīng)加熱電源與其它方式的感應(yīng)加熱電源相比
以設(shè)備功率 160KW 的感應(yīng)加熱電源為例，比較隔離可控調(diào)壓IGBT 并聯(lián)諧振式、非隔離不可控調(diào)壓IGBT 并聯(lián)諧振式、脈寬調(diào)制IGBT 串聯(lián)諧振式、 數(shù)字空冷IGBT 串聯(lián)次級諧振式感應(yīng)加熱電源的耗電量，以設(shè)備平均輸出功率120KW、每年平均工作300日、每日8 小時(shí)、電費(fèi)按照每度0.80 元計(jì)算：
5 結(jié)語
a 傳統(tǒng)感應(yīng)加熱電源產(chǎn)品存在損耗大、電能和水的消耗大、功率因數(shù)低、水系統(tǒng)故障多、運(yùn)行可靠性不高等缺陷。
b 新型 數(shù)字式空冷感應(yīng)加熱電源通過采取數(shù)字式全空冷結(jié)構(gòu)、IGBT 軟開關(guān)等措施降低系統(tǒng)損耗，不僅提高了效率，而且消除了系統(tǒng)來自水系統(tǒng)的故障；通過采用DSP實(shí)現(xiàn)全數(shù)字式控制，不僅提高了系統(tǒng)跟蹤和控制準(zhǔn)確度，而且系統(tǒng)的可靠性和先進(jìn)性也得以提高；通過直流側(cè)IGBT 斬波電路結(jié)構(gòu)，不僅實(shí)現(xiàn)了逆變IGBT 的過零開通和過零關(guān)斷，而且提高了電源的功率因數(shù)。