【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(dá) 30%。隨著我國電力供應(yīng)的改善，環(huán)保要求的提高，發(fā)展和擴(kuò)大感應(yīng)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(diǎn)的一條有效途徑。這項(xiàng)改造工程不但涉及到保溫爐的設(shè)計(jì)制造，雙聯(lián)熔煉工藝的最佳化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還涉及到大功率中頻感應(yīng)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(jìn)技術(shù)，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(shù)的研究開發(fā)中也使用了感應(yīng)加熱。上述這些先進(jìn)技術(shù)的推廣和發(fā)展均與感應(yīng)加熱電源技術(shù)的研究和發(fā)展密切相關(guān)。 感應(yīng)加熱電源的發(fā)展階段 （ 1）在 50 年代前，感應(yīng)加熱電源主要有 :工頻感應(yīng)熔煉爐，電磁倍頻器，中頻發(fā)電機(jī)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(biāo)志著固態(tài)半導(dǎo)體器件為核心的現(xiàn)代電力電子學(xué)的開始。硅晶閘管的出現(xiàn)推動了感應(yīng)加熱電源及應(yīng)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(yīng)加熱裝置已完全取 代了傳統(tǒng)的中頻發(fā)電機(jī)組和電磁倍頻器。在高頻范圍內(nèi)，由于晶閘管本身開關(guān)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(shù)難度，它必須通過改變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)才有可能實(shí)現(xiàn)。 （ 2） 70 年代末到 80 年代初，現(xiàn)代半導(dǎo)體微機(jī)集成加工技術(shù)與功率半導(dǎo)體技術(shù)的結(jié)合，為開發(fā)新型功率半導(dǎo)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(dǎo)體器件，極大地推動了電力電子學(xué)發(fā)展，為固態(tài)超音頻，高頻電源的研制提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 （ 3） 1983 年 IGBT 的問世進(jìn)一步推動了感應(yīng)加熱電源的發(fā)展。 IGBT 綜合了MOS 和雙極晶體管的優(yōu)點(diǎn)，具有通態(tài) 壓降低，開關(guān)速度快，易驅(qū)動等優(yōu)點(diǎn)，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(dá) 100kHz,功率高達(dá) MW級電源已可實(shí)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(dǎo)體開關(guān)器件為元件的逆變式高頻感應(yīng)加熱電源。 感應(yīng)加熱電源發(fā)展的主要因素 （ 1）感應(yīng)加熱電源的發(fā)展與電力電子器件的發(fā)展密切相關(guān)，而電力電子器件的發(fā)展又是與半導(dǎo)體微機(jī)集成加工技術(shù)與功率半導(dǎo)體技術(shù)分不開的?？煽毓璩霈F(xiàn)后，一代又一代的電力半導(dǎo)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(yīng)加熱電源的性能和實(shí)用性得到了體現(xiàn)。 （ 2）單片機(jī)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)和集成芯片技術(shù)的發(fā)展使得對感應(yīng)加熱電源的復(fù)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(zhǔn)確。 （ 3）感應(yīng)加熱電源的發(fā)展離不開材料學(xué)的進(jìn)步如磁性材料學(xué)。同時(shí)，一些相關(guān)的技術(shù)如磁通集中器，感應(yīng)線圈的材料和設(shè)計(jì)，絕緣技術(shù)，故障診斷技術(shù)和遠(yuǎn)程控制、智能化技術(shù)等等也都影響其發(fā)展。可以說，感應(yīng)加熱電源的發(fā)展是諸多學(xué)科和綜合技術(shù)共同決定的。 感應(yīng)加熱電源的發(fā)展趨勢 （ 1）從電路的角度，感應(yīng)加熱電源的大容量化技術(shù)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(shù)是在器件串并聯(lián)技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)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(shù)，在單機(jī)容量適當(dāng)?shù)那闆r下，可簡單地通過串并聯(lián)運(yùn)行方式得到大容量裝置，每臺單機(jī)只是裝置的一個(gè)單元 (或一個(gè)模塊 )。 串聯(lián)逆變器輸出可等效為低阻抗的電壓源。當(dāng)兩電壓源 并聯(lián)時(shí)，相互間的幅值，相位和頻率不同或波動時(shí)將導(dǎo)致很大的環(huán)流，以致逆變器件的電流產(chǎn)生嚴(yán)重不均。因此，串聯(lián)逆變器存在并機(jī)擴(kuò)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(dāng)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(shí)間來糾正直流電流的偏差，達(dá)到多機(jī)并聯(lián)擴(kuò)容。 （ 2）目前，感應(yīng)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(jìn)， SIT 將失去存在價(jià)值。感應(yīng)加熱電源諧振逆變器可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，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(shí)現(xiàn)感應(yīng) 6 加熱電源高頻化仍有許多應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)需進(jìn)一步探討。 （ 3）感應(yīng)加熱電源多應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，其運(yùn)行工況比較復(fù)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(fù)載對象各式各樣，而電源逆變器與負(fù)載是一有機(jī)的整體，負(fù)載直接影響到電源的運(yùn)行效率和可靠性。對焊接，表面熱處理等負(fù)載，一般采用匹配變壓器連接電源和負(fù)載感應(yīng)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(shí)現(xiàn)匹配變壓器的效率，從磁性材料選擇到繞組的設(shè)計(jì)已成為重要課題。另外 ，從電路拓?fù)渖县?fù)載結(jié)構(gòu)以三個(gè)無源元件代替原來的二個(gè)無源元件，以代替匹配變壓器實(shí)現(xiàn)高效，低成本隔離匹配。 （ 4）隨著感應(yīng)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(yīng)加熱電源正向智能化控制方向發(fā)展。具有計(jì)算機(jī)智能接口、遠(yuǎn)程控制、故障自動診斷等控制性能的感應(yīng)加熱電源正成為下一代發(fā)展目標(biāo)。 （ 5）由于感應(yīng)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(biāo)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(shù) )及低諧波污染電源必將成為今后發(fā)展趨勢。 （ 6）當(dāng)今高新技術(shù)飛速發(fā)展，新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)，感應(yīng)加熱是一個(gè)重要的研發(fā)和加工手段。因此，感應(yīng)加熱電源是某些高新技術(shù)研發(fā)中心不可缺少的裝備?？梢钥隙ǖ恼f，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，感應(yīng)加熱電源在高新技術(shù)領(lǐng)域會有更廣泛的應(yīng)用。在這一領(lǐng)域，對感應(yīng)加熱電源的可靠性和可控性要求更高。如何設(shè)計(jì)制造大功率超高頻、高性能的感應(yīng)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(yīng)加熱是利用導(dǎo)體處于交變電磁場中產(chǎn)生感應(yīng)電流（渦流）所形成的熱效應(yīng)使導(dǎo)體本身發(fā)熱。根據(jù)不同的加熱工藝要求，感應(yīng)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(yīng)加熱的物體必須是導(dǎo)體，感應(yīng)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(shí)現(xiàn)整體均勻加熱或局部加熱（包括表面加熱）。 感應(yīng)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(jìn)行感應(yīng)加熱的?；竟ぷ髟砣鐖D 1 所示，圖中 A 為感應(yīng)線圈（也稱負(fù)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(shí)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(yīng)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(yīng)加熱是靠感應(yīng)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?yīng)線圈與被加熱金屬不直接電接觸，能量是通過電磁感應(yīng)傳遞的。 B A 圖 1 感應(yīng)加熱基本原理 由電磁感應(yīng)定律可知，感應(yīng)電動勢 2e 為： 2 de dt??? （ 21） 設(shè)磁通 ? 對時(shí)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(yīng)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?yàn)榻饘俟ぜ械母袘?yīng)電動勢 2e 正比于磁通變化率，所以 1i 的頻率越高，感應(yīng)電動勢 2e 就越大。近代感應(yīng)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(yīng)加熱電源研究的方向和追求的必然。 基本結(jié)構(gòu)