感应电源

感应加热变频电源综述

田志明／胡彩娥时间：2010-02-04 4502次阅读【网友评论1条我要评论】收藏

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、