现代感应加热电源新技术

现代感应加热电源新技术

1、前言

工业感应加热设备是一种环保、节能的设备。它主要应用于金属的熔炼、透热和淬火等领域。随着工业发展和科技进步，它在逐步替代着众多行业的，煤、油、气等加热方式，是一种情景广阔的电加热方式。

感应加热设备主要由变频电源和感应炉体组成。变频电源是该装置不可缺少的一个重要组成部分，技术含量很高。

2、新型IGBT变频电源

目前，国内的中频电源占主导地位，主要是晶闸管技术，晶闸管相比其它半导体功率器件，最大的特点是单管容量大，非常适合感应加热的大功率电源。

而目前国外，全控IGBT半导体功率器件正在快速的替代半控的晶闸管，以IGBT为代表的器件在中频电源中逐步进入主要角色，伴随着IGBT器件的使用许多新的感应加热电源技术被开发使用。

图1是一种新型感应加热变频电源，一般功率在100～600kW，频率在25kHz～250Hz，有6脉波，24脉波等电源，下面以12脉波为例来说明新电源的组成。

图1 新型IGBT电源的结构

整流变压器高压侧由Y型接法构成，低压侧由Y、△接法组成。双整流输出（12脉波），可减少谐波量，整流部分由二极管组成三相不控全桥，这样的整流电路有两个，在直流侧由电抗器后相并联，为后边逆变电路提供了更大的容量。

逆变部分组成比较特殊，由于IGBT目前的容量较小，为了提高逆变电路的容量，逆变器由多个并联组合而成，每个独立逆变器前有滤波电容和两个IGBT、两个臂电容组成了半桥电路，属是串联谐振负载电路，炉子感应器为串联的电感线圈。

这种电源还有另一个特点，每台炉子不仅由多个逆变半桥供电，而且不同的逆变半桥可以为两台甚至多台炉子供电，这就是人们常说的双供电电源和多供电电源，俗称“一拖二”或“一拖多”。

以2500kW/500Hz新型电源为例说明：该新电源可以为两台炉子同时提供相等的功率或大小不同比例的功率，（功率在两台炉子上可以自由分配），大功率用于熔炼，小功率用于保温，当然也可以为单个炉子供电。这样的新电源是一个功率分配比较灵活的电源，也是感应加热变频电源近期发展起来的一项新技术。上面的介绍可以画一个形象的示意图来进行说明，见图2。

图2 双供电电源（一拖二）电源结构示意图

这种电源是通过调整逆变部分的频率而调整功率大小。整流部分为功率极管组成的不可调三相桥，电源的输出和负载完全匹配，能自动调整和匹配负载参数的变化，电源始终保持全功率输出状态，功率因数较好，效率高。这种新电源系列可参照表1数据。

表1 新感应加热变频电源系列参考表

3、世界上最大功率的透热感应加热电源

最近日本三井造船株式会社成功的研制开发了大型曲轴锻造用目前世界上最大容量级6400kW感应透热电源及配套装置，整套装置由感应加热电源、托盘送料机、反转机、感应加热线圈、锻压送料机构等组成。可对 125～75mm×535～370mm的钢坯进行高效率加热，加热能力为17.1t/h，加热温度为1250℃，加热温度均匀性为±25%℃。该感应加热装置的最大特点是：①设置有加热线圈升降机构，通过操作按钮可分别对 125mm钢坯和 110mm钢坯选定加热生产线，②配置有温度补偿控制装置，消除加热初、终的坯料温差；③设有保温系统，当锻机发生故障时，等待进入锻造的钢坯可实施自动保温；④具有自动运算能力和程序控制能力，根据所需的加热条件自动给定加

热曲线；⑤可对钢坯的前、中、后3个区段分别实施所需的加热曲线及其功率配备；⑥钢坯料加热速度快、均匀， 125mm的大型钢坯8s 即可完成加热，表面与中心部分的温差为30℃。

日本三井造船株式会社还开发了可实施高精度温度分布控制的世界首台25kHz/300kW超音频感应加热装置，并成功的应用于液晶玻璃基板的半导体晶片的高速热处理，有效地改善了该晶片的热处理品质，提高了产品的合格率。这种电源见图3。

图3 6区域感应加热装置控制系统框图

从图3、图4可以看出，该感应加热线圈由多个谐振型超音频逆变装置构成，各感应加热线圈串接谐振电容器，构成串联谐振回路。逆变部分由降压斩波回路和电压型逆变器组成。串联谐振回路中根据需要设置有逆耦合感应线圈来减少感应加热线圈互感对电源的影响。图4是斩波和逆变部分的具体主电路。

图4 感应加热装置的斩波和逆变部分主电路

该日本公司同时也开发了世界最大容量级薄板感应加热用25kHz/3500kW超音频加热电源，见图5。

图5 薄板感应加热系统框图

该感应加热装置由电源整流变压器、整流电路、滤波电路、逆变电路、超音频输出变压器、谐振电容和加热线圈组成，属电流型逆变器和并联谐振电路。每个逆变器为875kW，通过串和并联结构组成总功率3500kW的电源。两个12脉组成24脉波整流器，可以减少谐波电流对电网的干扰。该电源主要特点：①各逆变器的电流、电压均匀；②最适合于谐振度高的负载；③可降低开关损耗。

4、双频淬火用感应加热电源

近期，日本某公司开发出了一台感应加热电源同时输出两种频率的感应加热淬火电流。见图6、图8。早期，这种方法是要由两台独立的或一台来回机械切换电容改变而改变频率的方法来实现。投资大，繁琐。现在可用两种方式，即OLP（Ovre Lap）和HSW（Hot Switching）方式实现。

图6 OLP方式的概念示意图

① OLP方式的加热概念见图6

从图6、图7中很容易看到，OLP方式是由两台彼此独立控制高频与低频电源工作，各自输出的波形通过合成电路后输出到负载上，形成二重频率电流波形。

图7 OLP方式的电路构成示意图

② HSW方式的加热概念图见图8。电源结构如下：

图8 HSW方式的概念示意图

③ OLP方式与HSW方式的比较

两者性能的比较见表2。

表2 OLP方式与HSW方式的比较

④ 双频淬火加热的优势

在淬火加热中，只要改变高低频的功率比例就可以方便的达到改变加热的电流透入深度，从而改变金属工件的淬硬层。如：低频（10kHz）为50%、高频（200kHz）为50%，即两种频率的功率比例各占50%，等效于80kHz单一频率电源，在某种工作（试验工件）上测得，透入层深度为2.4mm；若低频（10kHz）为100%，高频（200kHz）比列为0%的情况下，相当单一较低频率情况，透入深度为2.0mm。如改变两者的比列，则透入深度随之改变，见图9。（这里高、低频是两者相互比较而言，并非行业的高、低频定义标准）。

图9 二重频率合成后透入深度层的控制举例

5、超导体直流感应加热装置

近几年超导体直流感应加热是国际上一个热门课题，许多工业发达国家陆续推出了铝的试验加热装置，单实际应用于工业现场只有美国加利福尼亚州旧金山市能源电力公司的产品，他们成功的研制出世界上第一台民用工业的超导体直流感应加热装置，于2008年初安装在德国明德市威斯拉鲁重型机器制造厂，用于铝锭加热。该大型铝锭加热后，进行挤压成型，产品用于航空工业，该装置的感应加热电效率为80～90%，比传统的交流感应加热器的电效率40%～50%，提高了近2倍，市生产率提高，成本降低。

其感应加热的工作原理为：传统的50Hz或60Hz的交流感应加热中，涡流频率为50Hz，由于集肤效应的原理，涡流主要分布在铝锭表面，频率越低，涡流透入深度就越深。直流感应加热的涡流频率只有4～10Hz，传统的铝锭表面与中心温差太大（表面675℃，中心405℃），因此通常需要一段均热时间，而锭子在旋转的直流感应加热中，不部需要均热时间，仅此一项，就使生产时间减半，直流感应加热线圈由先进的超导体材料（铌—锡合金）制成，无电阻（焦耳）损耗，故此效率高。加热线圈产生一定的磁场环境，让被加热的铝锭在磁场中已240r/min～600r/min的速度旋转。切割磁力线，铝锭中会产生涡流频率为4Hz（240r/min）～10Hz（600r/min）。这种直流加热装置的几个基本参数如下

① 铝锭生产率：2.2t/h；

② 铝锭尺寸：直径×长度=178×690mm；