幾種感應(yīng)加熱電源產(chǎn)品性能比較分析

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信息編輯：鄭州高氏發(fā)布時(shí)間：2012-06-12

       感應(yīng)加熱電源廣泛應(yīng)用于金屬熱處理、淬火、退火、透熱、熔煉、焊接、熱套、半導(dǎo)體材料煉制、塑料熱合、烘烤和提純等場合；利用在高頻磁場作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電流引起導(dǎo)體自身發(fā)熱而進(jìn)行加熱。感應(yīng)加熱與爐式加熱、燃燒加熱或者電熱絲加熱相比，具有顯著節(jié)能、非接觸、速度快、工序簡單、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。

　　感應(yīng)加熱電源主要由整流單元、逆變單元、諧振輸出單元、和感應(yīng)器四部分組成。其中整流單元將工頻三相交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓；逆變單元電能變換成為幾千至上百千赫茲的高頻電能；諧振輸出單元一端連接逆變器，另一端連接感應(yīng)器，經(jīng)隔離和阻抗匹配，通過諧振的方法在感應(yīng)器中產(chǎn)生強(qiáng)大的高頻電流。加熱時(shí)，感應(yīng)器在工件中感生高頻電流，因此導(dǎo)體迅速被加熱。早期的感應(yīng)加熱設(shè)備中，逆變單元所需的高頻逆變器件決定了裝置的形式，它經(jīng)歷了從電子管、晶閘管到目前普遍采用IGBT 的發(fā)展歷程。

　　在目前主流的 IGBT 式感應(yīng)加熱產(chǎn)品中，仍有較多的電路和結(jié)構(gòu)方式差異。從整流單元看有可控整流方式和不可控整流方式；從逆變單元看有脈寬調(diào)制逆變方式和斬波調(diào)壓逆變方式；從諧振輸出單元看有并聯(lián)諧振方式和串聯(lián)諧振方式。各種電路和結(jié)構(gòu)方式在效率、功率因數(shù)、可靠性等性能上各有差異。

       目前感應(yīng)加熱電源所存的問題：

　雖然采用 IGBT 取代晶閘管和電子管已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，但目前大多數(shù)生產(chǎn)廠商研制生產(chǎn)的感應(yīng)加熱電源設(shè)備仍然存在一些普遍問題，這些問題主要表現(xiàn)為：

　　a 效率較低、電能和冷卻水消耗大b 功率元件 IGBT 容易損壞c 電抗器或輸出變壓器容易損壞d 冷卻水回路故障較多e 功率因數(shù)較低、諧波污染大f 設(shè)備可靠連續(xù)運(yùn)行性能欠佳這些問題主要是因?yàn)樵O(shè)計(jì)上的缺陷所致，現(xiàn)針對這些問題探討其原因：

　　a 由于 IGBT、電抗器、輸出變壓器、諧振電容器均采取水冷結(jié)構(gòu)，不僅損耗較大、效率較低，冷卻水消耗大，而且容易發(fā)生因?yàn)殂~管結(jié)垢堵塞導(dǎo)致器件燒毀，也容易發(fā)生漏水導(dǎo)致故障范圍擴(kuò)大等問題；且由于水路并聯(lián)支路很多，系統(tǒng)無法保證每一支路均具有斷水保護(hù)功能。

　　b 由于模擬式控制電路不能適應(yīng)各種變化工況，使得功率元件IGBT 脫離過零軟開關(guān)狀態(tài)，因此開關(guān)損耗增加、并經(jīng)常導(dǎo)致IGBT 過熱損壞。

　　c 脈寬調(diào)制型（無斬波調(diào)壓）產(chǎn)品采用軟開通、硬關(guān)斷（或帶緩沖的硬關(guān)斷）電路，因此IGBT 損耗大，且這種方式容易脫離軟開關(guān)狀態(tài)導(dǎo)致IGBT 損壞。
　　d 設(shè)備在過壓、過載、感應(yīng)圈短路或部分短路、功率元件過熱等情況下控制電路不能起到有效限制和保護(hù)作用，導(dǎo)致設(shè)備損壞。

　　e 并聯(lián)諧振方式的設(shè)備容易發(fā)生逆變單元過壓而損壞器件。

　　f 控制電路抗干擾能力差，系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定或保護(hù)限制功能容易誤動(dòng)作，設(shè)備可靠性差；或設(shè)備設(shè)備由于外界因素或偶然因素保護(hù)停機(jī)后不能自動(dòng)重起動(dòng)。
　　g 整流后直接采用大容量電力電容濾波，無濾波電感或直流側(cè)IGBT 斬波電路，因此功率因數(shù)低，輸入電流諧波大；如采用電力電解電容，還有發(fā)熱、串聯(lián)均壓問題、壽命較短等缺陷。

目前，感應(yīng)加熱電源主要存在電子管式、晶閘管式、MOSFET 式、IGBT 式；而IGBT式又有如下幾種主流產(chǎn)品：

　　a 可控調(diào)壓 IGBT 并聯(lián)諧振式（變壓器隔離型或非隔離型）；

　　b 不可控調(diào)壓 IGBT 并聯(lián)諧振式（變壓器隔離型或非隔離型）；

　　c 脈寬調(diào)制 IGBT 串聯(lián)諧振式（變壓器隔離型）；

　　d 斬波調(diào)壓 IGBT 串聯(lián)諧振式（變壓器隔離型）；

       對于一個(gè)感應(yīng)加熱系統(tǒng)，考慮節(jié)能時(shí)，不僅要考慮感應(yīng)加熱電源本身，更應(yīng)考慮感應(yīng)器結(jié)構(gòu)及其匹配是否恰當(dāng)。然而，感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)與采取何種方式的感應(yīng)加熱電源并沒有直接關(guān)系，而主要由用戶的工藝要求所決定。有時(shí)優(yōu)化感應(yīng)器設(shè)計(jì)所得到的節(jié)能效果遠(yuǎn)比提高感應(yīng)加熱電源本身效率的節(jié)能效果要好；又或者如果匹配不恰當(dāng)，所損失的電量也很大。但由于感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)主要是由用戶的工藝要求所決定，變數(shù)較大，難以對其節(jié)能效果進(jìn)行定量分析。

　對于設(shè)備本身，除了效率外，功率因數(shù)也很重要，因?yàn)橛脩舨粌H需要支付有功功率的費(fèi)用，也需要支付無功功率的費(fèi)用。而且因?yàn)橹C波引起的功率因數(shù)下降還不能用補(bǔ)償電容的方法進(jìn)行補(bǔ)償。

　　大多數(shù)場合下，設(shè)備不是在滿功率下運(yùn)行的，如果一臺(tái)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行功率因數(shù)只有0.6，那么顯而易見，用戶在無功功率上需要支付的費(fèi)用將大為超過因設(shè)備效率引起的有功功率損失費(fèi)用（按照供電規(guī)則，功率因素高于0.85 時(shí)，不增收電費(fèi)；功率因數(shù)為0.60 時(shí)，月電費(fèi)增收15％，低于0.60 時(shí)，每低0.01，增收2％，也就是說如果功率因素為0.40，則月電費(fèi)將增收55％）。

      傳統(tǒng)感應(yīng)加熱電源產(chǎn)品存在損耗大、電能和水的消耗大、功率因數(shù)低、水系統(tǒng)故障多、運(yùn)行可靠性不高等缺陷。

　　新型數(shù)字式空冷感應(yīng)加熱電源通過采取數(shù)字式全空冷結(jié)構(gòu)、IGBT 軟開關(guān)等措施降低系統(tǒng)損耗，不僅提高了效率，而且消除了系統(tǒng)來自水系統(tǒng)的故障；通過采用DSP實(shí)現(xiàn)全數(shù)字式控制，不僅提高了系統(tǒng)跟蹤和控制準(zhǔn)確度，而且系統(tǒng)的可靠性和先進(jìn)性也得以提高；通過直流側(cè)IGBT 斬波電路結(jié)構(gòu)，不僅實(shí)現(xiàn)了逆變IGBT 的過零開通和過零關(guān)斷，而且提高了電源的功率因數(shù)。

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