中频炉历史

中频炉的历史

中频炉海山连载中频炉的历史（1）：

感应加热是一门年轻的学科。虽然它的原理发现的较早，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19世纪科学家就发现了电磁感应现象：1831年法拉第（MichaelFaraday）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Q=I2Rt，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；另一部分是完成电磁感应能量转换的感应线圈，称感应炉。早期的感应加热电源，工频有（50Hz或60Hz）固态电源，中频有发电机旋转和固态电源，高频则有电子管电源。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原因是感应加热电源，而电源又受制于高频或大功率的开关器件。因此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20世纪60至70年代的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，走向了实用化阶段。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）、以及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，简单归纳有：大功率二极管；晶闸管（SCR）；双向晶闸管；门极关断（GTO）晶闸管（最大8500V，3500A）；双极结型晶体管（BTT或BPT）；功率MOSFET；静电感应晶体管（SIT），（最大1000V，300A，50MHz）；绝缘双极型晶体管（IGBT）（最大6500V，2500A）；MOS控制晶闸管（MCT）；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。它们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。






3国内感应加热电源技术发展与现状



目前国内感应加热电源的技术水平表现在下面几点。



3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，感应加热技术几乎全来自前苏联和捷克等国家，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。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，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了容量在几百kW，频率500Hz~8kHz的中频电源。电子管式超音频电源也研制成功，填补了我国8~200kHz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多年间我国在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；高频钎焊设备；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1/10)，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。

目前国内感应加热电源的技术水平表现在下面几点。

感应透热方面，工频电源和中频电源在市场上同时都在应用。在中频电源未发展起来的前20年，工频电源在感应透热和熔炼方面起着主导作用，现正在逐步退出市场。两种电源的区别在于工频电源是由50Hz输出，频率不变，功率的调节靠前端的变压器抽头调输出电压达到调功率的目的。由于负载是一相，输入是三相电，所以电源内有三相调平衡装置；工频电源功率因数可补偿到1。中频电源是众所周知的典型的AC-DC-AC变频结构，即先把三相工频电源整流成单相直流，滤波后再逆变为各种频率的中频单相交流电源，供给负载感应线圈。

一般椎300mm以上的金属棒料、锭料透热，大型轴承表面处理多选用工频电源；椎300mm以下的金属棒料等多选用中频电源。但也有例外的情况，如2005年公布的国家科技进步一等奖第六项“100MN铝挤压设备技术”，其中用的是2600kW中频加热电源，炉子加热的是椎560mm×1950mm铝锭，属于国际上特大型设备之一。该项目采用计算机控制，梯度加热，还设计了297mm×279mm×580mm钢锭透热装置，用的中频电源是2400kW，400Hz，加热温度达到1300℃。

国内还有几台不同功率的电源在同一透热线上联合工作的情况，这些电源功率从2000kW至几百kW，每个电源负担几个加热线圈，完成一个区域的加热。几个电源和各自若干

个线圈组合起来，达到了整个生产线的感应加热要求。

感应熔炼方面，近10年发展特别快。10年前，5t以上无心感应熔炼炉很少见，基本上都配的是工频

电源。中频炉因电源功率小，所配炉子大多数都在2t以下。现在已生产出的无心感应炉有5t，7t，10t，15t，20t，25t，30t，35t，40t熔炼炉，10t熔铝炉（相当于30t熔铁炉体积），70t铜保温炉（见图1）。这些无心感应炉所配电源，少数电源功率器件是IGBT，其余基本上都采用的晶闸管功率器件。利用管子的串并联技术，电源装机容量已接近20MW，利用多个电源联合能使输出功率更大。

我国感应加热技术的应用，起源于上世纪50年代，感应加热技术几乎全来自前苏联和捷克等国家，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。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，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了容量在几百kW，频率500Hz~8kHz的中频电源。电子管式超音频电源也研制成功，填补了我国8~200kHz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多年间我国在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；高频钎焊设备；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1/10)，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。

感应透热方面，工频电源和中频电源在市场上同时都在应用。在中频电源未发展起来的前20年，工频电源在感应透热和熔炼方面起着主导作用，现正在逐步退出市场。两种电源的区别在于工频电源是由50Hz输出，频率不变，功率的调节靠前端的变压器抽头调输出电压达到调功率的目的。由于负载是一相，输入是三相电，所以电源内有三相调平衡装置；工频电源功率因数可补偿到1。中频电源是众所周知的典型的AC-DC-AC变频结构，

即先把三相工频电源整流成单相直流，滤波后再逆变为各种频率的中频单相交流电源，供给负载感应线圈。

一般椎300mm以上的金属棒料、锭料透热，大型轴承表面处理多选用工频电源；椎300mm以下的金属棒料等多选用中频电源。但也有例外的情况，如2005年公布的国家科技进步一等奖第六项“100MN铝挤压设备技术”，其中用的是2600kW中频加热电源，炉子加热的是椎560mm×1950mm铝锭，属于国际上特大型设备之一。该项目采用计算机控制，梯度加热，还设计了297mm×279mm×580mm钢锭透热装置，用的中频电源是2400kW，400Hz，加热温度达到1300℃。

为适应熔炼炉工艺中熔炼和保温工艺的同时需要，国内还开发出了双供电变频电源：一台电源同时输出功率到两台炉体线圈上，这样可使一台变频电源的功率能灵活的分配给两台炉体，即把一台电源的大功率分配给熔炼炉，余下小功率分配给保温炉。两台炉的功率可自由互补的调整，整体不超过电源输出总功率，也可以同时将小功率输出到两台炉体用以保温。市场上称这种电源为DX中频电源，俗称“一拖二”中频电源。国内“一拖二”电源的电路结构是建立在逆变串联谐振电源的基础上的，前端电路是可控或不控的三相整流电路；中间是直流电路，由电容进行滤波；后端电路由两个独立的半桥串联逆变谐振电路进行逆变，输出两路输出频率和功率可各自调节的中频电压。“一拖二”中频电源功率器件有选晶闸管的，，这种电路都有成熟产品在工业现场运行。这里特别要说明的是“一拖二”变频电源在国外主电路有两种形式：美国应达、比乐电炉公司开发的为串联谐振的“一拖二”；德国容克、ABP公司生产的是并联谐振的“一拖二”。单机容量功率一般在１MW到10MW。“一拖二”电源尽管市场需求量不大，但很有卖点，是代表感应电炉公司电源开发能力的标志。

目前，感应加热领域技术先进性标志主要表现在下面几点。

1）高频电源采用半导体功率器件，一般是输出功率越大，技术越先进。

2）感应熔炼中频炉，电源功率越大，整流的脉波数较多，如18、24脉波，配置的炉体越大，说明技术越先进。

3）真空感应炉，一般是吨位越大技术越先进。

4）特种感应加热，被加热金属温度越高或温度控制的精度误差越小，其技术含量越高。

5）感应加热的双供电电源（一拖二）和多供电电源（一拖多），一般是功率越大，拖的炉子越多，技术含量越高。

6）感应加热、熔炼、淬火过程的计算机软件对其系统的检测、控制、管理的简单化、傻瓜化、智能化、网络化

和故障自诊断，加上触摸屏技术的采用，都是感应加热技术先进性的标志。

4感应加热电源的发展趋势

随着电力电子功率器件的大容量化，高频化，电子技术装置的控制由模拟向数字化，自动向智能化发展，感应加热电源的发展趋势呈现以下几个方面的特点。

1）高频化感应加热电源中频段主要采用晶闸管；超音频段主要采用IGBT；高频频段，原来是SIT，现在主要发展MOSFET电源，采用IGCT的电源也开始亮相。高频电源的需要催生了新的功率器件，而新的器件又反过来促进了高频电源的发展。高频电源由于对功率器件、相关元件，以及布线、结构、接地、屏蔽都有要求，一般很难把功率作大、频率作高，所以这方面仍有许多应用技术需要进一步探讨，开发。

2）大容量化从电路原理角度来看，感应加热电源的大容量化，如几十MW，几百MW，都是可以实现的，但事实上大功率电源要受制于目前电力电子功率开关器件的限制。目前解决电源大容量化，有以下三种技术途径。

其一，是功率器件进行串并联方式。功率器件串联增加耐压水平，并联解决大电流问题，这种方法主要是要处理好串联器件的均压问题和并联器件的均流问题。由于电子器件制造工艺和参数离散性，所以功率器件只能进行有限的串、并联。串并联功率器件太多，装置的可靠性就无法保证。现在工业现场运行的1000kW（1MW）至10MW的感应电源大多采用的是功率器件的串、并联技术。

其二，是电源整流桥电路，或逆变桥电路的桥与桥之间的串、并联。整流桥的并联可以增大电源的电流输入，整流桥串联可以提高整流输出电压，两者都对改善谐波有利。一般情况，整流桥串、并联数越多，对改善谐波越有好处！整流桥的并联要解决的是各桥的均流问题，串联解决的是各桥间的均压问题。多逆变桥的串并联也是常采用的技术，比单纯的功率器件串、并联提高功率更有实际意义。事实上，超大功率电源都是用了逆变桥组成的复合逆变桥路技术。即把原来逆变桥看作一个模块或单元，利用这些模块或单元组成新的逆变桥路。这样无疑增加了控制电路的复杂性和难度，可以采用计算机控制技术达到这种电路需要的同电压，同电流，同相位，同频率等特殊参数条件的控制需求，最终达到功率输出更大化。