超高频淬火设备

郑州市蓝光电器设备有限公司

闫辉13626869256

串联透热炉IGBT串联谐振中频感应加热炉特点

目前绝大多数锻造厂家使用的锻造用中频感应加热炉主要是上世纪70年代初发展起来的由可控硅担任变频的中频感应加热设备，主体电路如下图：                 

 (图一)  此电路的主要特点：可控硅斩波调压、可控硅变频、并联谐振。

整流部分由6只可控硅完成将三相交流电变成直流，同时担任设备的功率调节。此整流电路的缺点是：功率调节是通过调节可控硅的导通角实现的，导通角减小，电网的功率因数就会降低，用户不得不另配功率因数补偿柜，增加新的投入。整流后的直流滤波由直流电抗器完成，此部分带来1%~3%的损耗，变频电路由4只可控硅完成，变频电路的损耗大约为5%。受可控硅关断的制约，变频回路的功率因数只能达到0.8~0.85。输出电路是由感应线圈（炉体）和补偿电容组成的并联谐振电路。受可控硅耐压的限制，中频电压通常≤750V，因此，感应线圈上的电流通常是直流电流的10~15倍，（10~15是振荡回路的品质因数，也叫Q值，并联谐振电路的特征是振荡电流是直流电流的Q倍）所以并联谐振输出电路通常有较大的损耗，约占整机功率的25%-30%。因此可控硅变频中频感应加热设备的整机效率大约只有60%-70%左右。

显然，提高感应线圈上的电压和降低振荡回路的Q值，均可提高中频炉的效率，但在并联谐振电路中，感应线圈两端直接接于可控硅上，提高感应线圈的电压必须同时提高可控硅的反向耐压，因此会提高设备制造成本同时也会受到器件反向耐压的制约，可控硅是半控型功率器件，当振荡回路的Q值<10时，易出现停振或不起振的现象，使用过中频炉的用户都知道，若将冷料填满炉体中频炉就很难起振就是这个道理；因此要想提高中频炉的效率必须另外寻求一种功率器件及使用另外一种线路。

上世纪90年代初国际上诞生了一种新的功率器件IGBT，它具有功率大、开关损耗低、工作频率高（可达100Khz），IGBT的制造技术经过20年的发展，已经相当成熟，特别是INFINEON公司制作的第四代IGBT，其饱和压降已≤1.7而硬开关频率已达20KHZ，IGBT在变频器领域、开关电源领域、感应加热领域已是绝对的主角。

由IGBT担任变频的中频感应加热炉主电路如下图：     

（图二）

 此电路的主要特点：不控整流、IGBT变频、串联谐振

整流部分由6只二极管担任，直接整流不斩波，不会导致电网的功率因数下降。串联谐振电路去掉了庞大而笨重的滤波电抗器，减小了损耗，滤波由电容C1担任。可控硅T1在这里只作开关用，当电容C1上的电被充到一定电压后即开通，变频电路由4只IGBT构成，IGBT的导通损耗与可控硅相当，而开关损耗低于可控硅的开关损耗，因此变频电流的损耗大约在3%。该电路的功率调节有两种方式：1、改变变频电路的工作频率（变频），2、改变IGBT的导通时间（调宽）。输出电路的特征是感应线圈与补偿电容串联构成串联谐振电路。此电路的特征是流过IGBT的电流与流过感应线圈及补偿电容的电流相等，而感应线圈上的电压是整流后直流电压的3~10倍，（串联谐振电路的特征是振荡线圈的电压是直流电压的Q倍）。感应线圈上的电压直接由补偿电容提供，所以提高感应线圈的电压不需要同时提高功率器件的耐压。

感应线圈上的功率P=感应线圈上的电压（V）×流过感应线圈的电流（I）。现在我们来比较并联谐振与串联谐振，感应线圈的损耗。假设感应线圈上的功率都是P。

并联谐振：P=V并×I并；P=750×I并； I并= P/750；

串联谐振：P=V串×I串；P=1500×I串； I串= P/1500；（V串 以最小3倍直流电压计算3×500=1500）则I串=；我们知道感应线圈的损耗只与线圈的电阻相关，假设线圈的电阻为R，则损耗功率为：P=I2R；P并=I2并R ；P串=I2串R= =

因此可见在相同的功率与相同的感应线圈的情况下，串联谐振感应线圈的损耗最多只有并联谐振感应线圈的。因此，串联谐振输出电路的损耗约占整机功率的5%-10%，所以串联谐振变频的中频感应加热设备的整机效率为80%-90%。

在串联谐振电路中，感应线圈上中频电压的高低与变频功率器件的耐压无关，只要感应线圈的绝缘允许，提高中频电压就可以进一步降低感应线圈的损耗，整机效率就会进一步提高，这和输电为什么要用高压输送是一个道理。

IGBT是一种全控型功率器件，它的开通与关闭是由其栅极直接控制，与振荡回路的功率因素无关，与振荡回路的Q值无关，所以，无论负载的轻重均可成功启动，因此，只要在设计中选择合适的Q值，就可既保证设备的可靠性又能使设备具有很高的效率，从而达到节电的目的。

由IGBT变频的串联谐振型中频感应加热炉，具有功率因素高≥0.95；节电显著（比传统可控硅中频炉节电10%—30%），在任何负载下均可成功启动等优点，是锻造厂家节能改造替代传统可控硅中频炉的最佳选择