? 一、 引言

    盡管有不同的稱謂，如轉(zhuǎn)換器，變頻器或振蕩器，實(shí)際上感應(yīng)加熱電源都是頻率轉(zhuǎn)換器，它們能有效地把工頻電源轉(zhuǎn)變成感應(yīng)熱處理工藝所需頻率的單相電源。電源的整流部分將工頻輸入的交流轉(zhuǎn)換成直流，變頻器或振蕩器部分則將直流轉(zhuǎn)換成所需加熱頻率的單相交流。本文著重從半導(dǎo)體開關(guān)器件以及電路拓?fù)浼夹g(shù)方面討論不同類型電源的特性，從而可以根據(jù)不同應(yīng)用選擇最佳方案。

    二、 感應(yīng)加熱電源的發(fā)展動態(tài)

    隨著現(xiàn)代半導(dǎo)體集成技術(shù)與功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，引起了感應(yīng)加熱電源技術(shù)以致整個(gè)電力電子學(xué)領(lǐng)域的一場革命，同時(shí)感應(yīng)加熱電源及應(yīng)用得到了飛速發(fā)展。

    2.1半導(dǎo)體開關(guān)器件

    20世紀(jì)50年代末，半導(dǎo)體硅晶閘管的出現(xiàn)標(biāo)志著以固態(tài)半導(dǎo)體器件為核心的現(xiàn)代電力電子學(xué)的開始，在中頻（1～8kHz）范圍內(nèi)，晶閘管感應(yīng)加熱裝置逐步取代了傳統(tǒng)的中頻發(fā)電機(jī)組。然而，由于晶閘管本身開關(guān)特性等參數(shù)的限制，仍然存在著關(guān)斷不可控、工作頻率范圍窄等缺點(diǎn)，難以滿足不同負(fù)載的要求，尤其是在高頻（10kHz以上）范圍內(nèi)，這些局限性給電源的研制帶來了很大的技術(shù)難度。

    70年代末80年代初，隨著一大批新型的電力電子半導(dǎo)體器件的研制開發(fā)成功，為更高頻率和更大功率感應(yīng)加熱電源的研制提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。其中MOSFET為單極性多子器件，不存在存儲時(shí)間，具有開關(guān)速度快、驅(qū)動功率小、無二次擊穿現(xiàn)象、易并聯(lián)等優(yōu)點(diǎn)，成為高頻大功率感應(yīng)加熱電源裝置的主要開關(guān)器件。早在80年代中期，西歐國家就研制出了用功率場效應(yīng)管(MOSFET)作開關(guān)器件的高頻電源，其頻率為200kHz左右，功率可達(dá)數(shù)十千瓦。目前，國外已有600kW/400kHz的MOSFET電源應(yīng)用于管道焊接[2]，而在國內(nèi)相關(guān)高頻電源的研究尚處在起步階段，與國外水平相差很大。

    大約在80年代末，一種綜合了場效應(yīng)管與雙極晶體管優(yōu)點(diǎn)的全控開關(guān)器件―絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn)，由于其具有開關(guān)速度高、容量大、通態(tài)壓降低等特點(diǎn)，高壓大電流的高速IGBT成為目前國際上眾多加熱電源的首選器件?，F(xiàn)在國內(nèi)各電源生產(chǎn)廠家也已推出了自主開發(fā)的技術(shù)成熟的IGBT電源，如清華大學(xué)電力電子廠生產(chǎn)的300kW/50kHz電流型感應(yīng)加熱電源已經(jīng)在科研和生產(chǎn)實(shí)踐中獲得廣泛應(yīng)用，100kW/100kHz電源也已成功研制。這些產(chǎn)品已經(jīng)在一定程度上填補(bǔ)了國內(nèi)相關(guān)電源研制和開發(fā)的空白。

    近年來感應(yīng)加熱電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)過不斷的完善，已形成了一種固定的AC/DC/AC變換形式，其中電流型和電壓型兩種逆變電路已經(jīng)成為大功率感應(yīng)加熱電源的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

    兩種電路所采用的負(fù)載諧振回路不同，前者采用了LC并聯(lián)諧振，而后者采用的是LC串聯(lián)諧振，所以二者在控制原理、器件選擇、保護(hù)方式等多方面存在很多差別，表1對其進(jìn)行了總結(jié)和歸納。總而言之，由于并聯(lián)諧振總是工作在諧振頻率，負(fù)載頻率和阻抗匹配方便，因此適合于淬火、焊接等負(fù)載內(nèi)部阻抗低的應(yīng)用場合。而在鍛造、熔煉等應(yīng)用中，由于負(fù)載內(nèi)部阻抗高，串聯(lián)諧振電源更為適用。

    隨著新工藝、新技術(shù)的出現(xiàn)，使得感應(yīng)加熱電源的發(fā)展呈現(xiàn)出以下幾方面的特點(diǎn)：

    1、多類型、多規(guī)格、系列化，能滿足不同應(yīng)用場合的需要。早期的晶閘管和晶體管由于受到容量與頻率互相制約的影響，不能達(dá)到同時(shí)獲得大功率高頻率的效果。隨著新型器件的發(fā)展，如MOSFET、IGBT等，將來的感應(yīng)加熱電源必將朝著容量高、頻率范圍寬的方向發(fā)展，在這方面仍有許多應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)需要進(jìn)一步探討。

    2、效率高、損耗小，高效節(jié)能低污染的“綠色”電源產(chǎn)品將是21世紀(jì)的主流產(chǎn)品。隨著功率器件的發(fā)展，新型功率器件的通態(tài)電阻很小，通態(tài)壓降小，驅(qū)動電路的不斷完善和優(yōu)化，以及PWM高頻調(diào)制技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)等的應(yīng)用，使得整個(gè)裝置的損耗明顯降低。

    3、智能化、可靠性高，節(jié)約了設(shè)備維護(hù)成本，保障了感應(yīng)加熱生產(chǎn)線的順利運(yùn)行。一方面功率半導(dǎo)體本身集成了包括過電壓、欠電壓、過電流、過熱等檢測與保護(hù)功能，提高了可靠性。另一方面感應(yīng)加熱電源正向著自動化控制方向發(fā)展，具有診斷與保護(hù)功能、良好的人機(jī)界面以及計(jì)算機(jī)智能接口的全數(shù)字化感應(yīng)加熱電源正成為下一代電源的發(fā)展目標(biāo)。

    三、 感應(yīng)加熱電源選擇的基本原則

    對于感應(yīng)熱處理應(yīng)用來說，已生產(chǎn)的許多類型電源能夠很好地滿足各種感應(yīng)加熱應(yīng)用的要求。但對特定的熱處理應(yīng)該有特定的頻率、功率和其他感應(yīng)器參數(shù)，有一個(gè)最優(yōu)的電源配置來滿足該應(yīng)用的要求，以獲得預(yù)期的加熱效果。

    1．頻率是感應(yīng)熱處理中極其重要的參數(shù)，因?yàn)樗请娏鳚B入深度的主要控制參數(shù)，由此控制了最終加熱的深度和形狀。因此，功率電路元件的選擇，必須使之在此頻率工作時(shí)，有足夠的余地以保持高可靠性，在8kHz以下的頻率范圍，選用晶閘管就足以滿足應(yīng)用需求.

    2．對于一個(gè)給定的應(yīng)用實(shí)例，其所需功率取決于需要加熱金屬的體積、加熱速率以及加熱過程的效率。例如，對于功率小到1～2干瓦的小面積淺層加熱，以及大到幾個(gè)兆瓦的能夠加熱到居里點(diǎn)溫度之上的寬幅快速移動的鋼板加熱，都可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶋H應(yīng)用情況選擇電源額定功率。此外，為保證設(shè)備能夠長期地可靠運(yùn)行，電源的實(shí)際使用功率應(yīng)為額定功率的80～90％。

    3．經(jīng)濟(jì)性是每一種電源適用性所必須需考慮的問題，包括最初的成本、操作成本、總的效率、靈活性、冷卻水以及電源對主電網(wǎng)質(zhì)量的影響等因素。電流型逆變電路在50kHz以下高功率時(shí)的每千瓦成本較低，而且電流型逆變電路負(fù)載頻率和阻抗匹配靈活方便，適用于多品種場合使用。

    4．可靠性、維修性也是電源選擇的重要因素。可靠性主要是由功率元件設(shè)計(jì)裕度和控制電路設(shè)計(jì)功能的完備性決定的，在沒有對電源進(jìn)行詳細(xì)分析之前是很難去評估它的可靠性。因此，在沒有此分析之前，設(shè)備可靠性最好的指南是制造商信譽(yù)的評價(jià)，以及其生產(chǎn)感應(yīng)加熱電源的年數(shù)和目前在使用的設(shè)備數(shù)量。

    綜上所述，對感應(yīng)加熱電源的要求，主要是對工作頻率和額定功率的考慮，此外還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性、可靠性、使用調(diào)整方便、可適用于長短期工作制、啟動成功率等因素。