【正文】 于開發(fā)大功率全 固態(tài)高頻電源，一方面致力于開發(fā)高度自動化的熱處理成套處理系統(tǒng)。我國鑄件用量大，而鑄造行業(yè)仍以沖天爐熔煉為主，溫度及成分波動大，廢品率高。目前，我國較好的鑄造業(yè)廢品率也在 6%～ 15%間，而一般鑄造廠的廢品率高達 30%。隨著我國電力供應的改善，環(huán)保要求的提高，發(fā)展和擴大感應加熱的規(guī)模，在大型企業(yè)推廣雙聯(lián)熔煉工藝，改造我國鑄造行業(yè)是符合我國煤炭資源豐富特點的一條有效途徑。這項改造工程不但涉及到保溫爐的設計制造，雙聯(lián)熔煉工藝的最佳化控制系統(tǒng)設計，還涉及到大功率中頻感應加熱電源等。同樣地，在鍛造，焊接，淬火熱處理方面 全面推廣國外先進技術，改造我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)是必然趨勢。 近年來在某些高新技術的研究開發(fā)中也使用了感應加熱。上述這些先進技術的推廣和發(fā)展均與感應加熱電源技術的研究和發(fā)展密切相關。 感應加熱電源的發(fā)展階段 （ 1）在 50 年代前，感應加熱電源主要有 :工頻感應熔煉爐，電磁倍頻器，中頻發(fā)電機組和電子管振蕩器式高頻電源。 50 年代末可控硅的出現(xiàn)則標志著固態(tài)半導體器件為核心的現(xiàn)代電力電子學的開始。硅晶閘管的出現(xiàn)推動了感應加熱電源及應用的飛速發(fā)展。至今，在中頻（ 500Hz～ 10kHz）范圍內(nèi)，晶閘管中頻感應加熱裝置已完全取 代了傳統(tǒng)的中頻發(fā)電機組和電磁倍頻器。在高頻范圍內(nèi)，由于晶閘管本身開關特性等參數(shù)的限制，給研制該頻段的電源帶來了很大的技術難度，它必須通過改變電路拓撲結(jié)構(gòu)才有可能實現(xiàn)。 （ 2） 70 年代末到 80 年代初，現(xiàn)代半導體微機集成加工技術與功率半導體技術的結(jié)合，為開發(fā)新型功率半導體器件提供了條件，相繼出現(xiàn)了一大批全控型電力電子半導體器件，極大地推動了電力電子學發(fā)展，為固態(tài)超音頻，高頻電源的研制提供了堅實的基礎。 （ 3） 1983 年 IGBT 的問世進一步推動了感應加熱電源的發(fā)展。 IGBT 綜合了MOS 和雙極晶體管的優(yōu)點，具有通態(tài) 壓降低，開關速度快，易驅(qū)動等優(yōu)點，自 1988 5 年解決了擎住問題后，大功率高速 IGBT 己成為眾多加熱電源的首選器件，頻率高達 100kHz,功率高達 MW級電源已可實現(xiàn)。 （ 4）在超高頻 (100kHz 以上 )頻段，長期以來由電子管振蕩式變換器產(chǎn)生。80年代興起由大功率半導體開關器件為元件的逆變式高頻感應加熱電源。 感應加熱電源發(fā)展的主要因素 （ 1）感應加熱電源的發(fā)展與電力電子器件的發(fā)展密切相關，而電力電子器件的發(fā)展又是與半導體微機集成加工技術與功率半導體技術分不開的?？煽毓璩霈F(xiàn)后，一代又一代的電力半導體器件 先后問世，性能不斷改善，高耐壓和高耐流，低損耗、高頻率使得感應加熱電源的性能和實用性得到了體現(xiàn)。 （ 2）單片機、微型計算機技術和集成芯片技術的發(fā)展使得對感應加熱電源的復雜控制成為可能，體積和重量明顯減小，功率因素提高了，功率控制調(diào)節(jié)方便、準確。 （ 3）感應加熱電源的發(fā)展離不開材料學的進步如磁性材料學。同時，一些相關的技術如磁通集中器，感應線圈的材料和設計，絕緣技術，故障診斷技術和遠程控制、智能化技術等等也都影響其發(fā)展。可以說，感應加熱電源的發(fā)展是諸多學科和綜合技術共同決定的。 感應加熱電源的發(fā)展趨勢 （ 1）從電路的角度，感應加熱電源的大容量化技術分兩類 :一是器件的串并聯(lián)；二是多臺電源的串并聯(lián)。在器件的串并聯(lián)方式中，必須處理好串聯(lián)器件的均壓問題和并聯(lián)器件均流問題，由于器件制造工藝和參數(shù)的離散性，限制了器件的串并聯(lián)數(shù)目，且裝置的可靠性和串并聯(lián)數(shù)目成反比。多臺電源的串并聯(lián)技術是在器件串并聯(lián)技術基礎上進一步大容量化的有效手段，借助于可靠的電源串并聯(lián)技術，在單機容量適當?shù)那闆r下，可簡單地通過串并聯(lián)運行方式得到大容量裝置，每臺單機只是裝置的一個單元 (或一個模塊 )。 串聯(lián)逆變器輸出可等效為低阻抗的電壓源。當兩電壓源 并聯(lián)時，相互間的幅值，相位和頻率不同或波動時將導致很大的環(huán)流，以致逆變器件的電流產(chǎn)生嚴重不均。因此，串聯(lián)逆變器存在并機擴容困難 :而對并聯(lián)逆變器，逆變器輸入端的直流大，電抗器可充當各并聯(lián)器之間的電流緩沖環(huán)節(jié)，使得輸入端的 AC/DC 或DC/DC 環(huán)節(jié)有足夠的時間來糾正直流電流的偏差，達到多機并聯(lián)擴容。 （ 2）目前，感應加熱電源在中頻段主要采用晶閘管，超音頻段主要是 IGBT，而高頻段，隨著 MOSFET 和 IGBT 性能不斷改進， SIT 將失去存在價值。感應加熱電源諧振逆變器可實現(xiàn)軟開關，但由于通常功率較大，對功率器件，無 源器件，電纜，布線，接地屏蔽等均有很多特殊要求，尤其是高頻電源。因此，實現(xiàn)感應 6 加熱電源高頻化仍有許多應用基礎技術需進一步探討。 （ 3）感應加熱電源多應用于工業(yè)現(xiàn)場，其運行工況比較復雜，它與鋼鐵，冶金和金屬熱處理行業(yè)具有十分密切的聯(lián)系，它的負載對象各式各樣，而電源逆變器與負載是一有機的整體，負載直接影響到電源的運行效率和可靠性。對焊接，表面熱處理等負載，一般采用匹配變壓器連接電源和負載感應器，對高頻，超音頻電源用的匹配變壓器要求漏抗很小，如何實現(xiàn)匹配變壓器的效率，從磁性材料選擇到繞組的設計已成為重要課題。另外 ，從電路拓撲上負載結(jié)構(gòu)以三個無源元件代替原來的二個無源元件，以代替匹配變壓器實現(xiàn)高效，低成本隔離匹配。 （ 4）隨著感應熱處理生產(chǎn)線自動化程度及對電源高可靠性要求提高，感應加熱電源正向智能化控制方向發(fā)展。具有計算機智能接口、遠程控制、故障自動診斷等控制性能的感應加熱電源正成為下一代發(fā)展目標。 （ 5）由于感應加熱用電源一般功率都很大，目前對它的功率因數(shù)，諧波污染指標還沒有具體要求。但隨著減少電網(wǎng)無功及諧波污染要求的提高，具有高功率因數(shù) (采用大功率三相功率因數(shù)校正技術 )及低諧波污染電源必將成為今后發(fā)展趨勢。 （ 6）當今高新技術飛速發(fā)展，新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)，感應加熱是一個重要的研發(fā)和加工手段。因此，感應加熱電源是某些高新技術研發(fā)中心不可缺少的裝備?？梢钥隙ǖ恼f，隨著科學技術的發(fā)展，感應加熱電源在高新技術領域會有更廣泛的應用。在這一領域，對感應加熱電源的可靠性和可控性要求更高。如何設計制造大功率超高頻、高性能的感應加熱電源，是電力電子科技工作者的重要課題。 基本工作原理 感應加熱是利用導體處于交變電磁場中產(chǎn)生感應電流（渦流）所形成的熱效應使導體本身發(fā)熱。根據(jù)不同的加熱工藝要求，感應加熱采用 的電源的頻率有工頻（ 50～ 60Hz）、中頻 (60～ 10000Hz)和高頻 (高于 10000Hz)。感應加熱的物體必須是導體，感應加熱能在被加熱物體內(nèi)部直接生熱，因而熱效率高，升溫速度快，容易實現(xiàn)整體均勻加熱或局部加熱（包括表面加熱）。 感應加熱是利用交流電建立交變磁場產(chǎn)生渦流對金屬工件進行感應加熱的。基本工作原理如圖 1 所示，圖中 A 為感應線圈（也稱負載線圈）， B 為被加熱的金屬工件。若線圈 A中通以交流電流 i1，則在線圈 A內(nèi)產(chǎn)生隨時間變化的磁場，置于交變磁場中的被加熱工件 B 要產(chǎn)生感應電動勢 e2，形成渦流 i2，這些渦 流使金屬工件發(fā)熱，消耗電能。由上可知，感應加熱是靠感應線圈把電能傳遞給要加 7 熱的金屬工件，然后在金屬內(nèi)部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，感應線圈與被加熱金屬不直接電接觸，能量是通過電磁感應傳遞的。 B A 圖 1 感應加熱基本原理 由電磁感應定律可知，感應電動勢 2e 為： 2 de dt??? （ 21） 設磁通 ? 對時間 t 按正弦規(guī)律變化，即 ? ＝ M? sint? 則 2e ＝ － M? cos t?? ＝ M? sin( 90 )t??? ＝ 2ME sin( 90 )t? ? （ 22） 其中感應電動勢的幅值為： 2ME ＝ M?? ＝ 2 mf?? 為了要使金屬工件加熱到一定的溫度，必須要求金屬工件內(nèi)有足夠大的渦流，亦即要求金屬工件內(nèi)有較大的電動勢 2e ，從式（ 22）可知，要增大 2e 有如下兩種途徑： （ 1）增大線圈 A中的電流 1i 。增大 1i 即增大金屬工件中的交變磁通的最大值M? 。 （ 2）增大線圈中電流 1i 的頻率。因為金屬工件中的感應電動勢 2e 正比于磁通變化率，所以 1i 的頻率越高，感應電動勢 2e 就越大。近代感應加熱廣泛采用中頻及高頻電源的原因就在于此，也是成為感應加熱電源研究的方向和追求的必然。 基本結(jié)構(gòu)