成都多林电器有限责任公司      曾晓林

        本文分析了现有可控硅中频炉存在的不足，介绍了一种用于锻造的新型中频感应加热炉，它的功率器件由IGBT担任，电路特征为串联谐振，它具有显著的节能效果和极高的功率因数极小的谐波及可在任何负载条件下均可启动成功的特点。

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：                         

此电路的主要特点：可控硅斩波调压、可控硅变频、并联谐振。

(图一)

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，通常在0.6-0.85之间，用户不得不另配功率因数补偿柜或增大供电变压器的容量，这样会增加新的投入。整流后的直流滤波由直流电抗器完成，由于电抗器存在铜损和铁损，因此电抗器会带来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%，因为可控硅是一种低频功率器件，开通和关断速度都相对较慢，这会带来较大的开关损耗。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、逆变焊机、感应加热、风力及太阳能发电、机车牵引等领域得到了广泛的应用。

由IGBT担任变频的串联谐振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，因此变频电路的损耗大约在2-3%。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（调频），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3~6倍，（串联谐振电路的特征是感应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。

下面我们再对采用并联谐振和串联谐振两种线路的设备作一个比较：

1、功率因数：

下图表为两种线路设备在不同功率下的功率因数，兰色是并联谐振设备在不同功率下的功率因数，功率从10%-100%变化时，功率因数的变化是30%-85%，而同样的功率变化，串联谐振线路的设备，功率因数却一直保持在95%不变（橙色部分），用户在设备的使用过程中，功率大小的调节是不可避免的；功率因数对用户的直接影响是设备需配置的供电变压器功率大小的差别，举例说明，某客户需上一套600KW的中频加热设备，如果设备为可控硅并联谐振线路，则需配置的供电变压器为（平均功率因数以0.6计）600/0.6=1000KVA;如果是IGBT串联谐振线路的设备，需配置的供电变压器为600/0.95=630KVA，我们知道用电超过500KVA的用户，每月需向电力公司支付28元/KVA的资源占用费，那么使用可控硅并联谐振的设备一年需多付的该项费用是（1000-630）*28*12=124320元。

2、谐波：

串联谐振线路由于直接采用二极管整流，谐波很小，而并联谐振线路由于需要斩波调压，所以会产生大量的谐波，干扰电网，同时干扰用户的数控设备，我公司一山东淄博客户原使用一台100KW可控硅并联谐振设备，只要该设备一开机，数控机床就不能正常工作，后上了我公司2套IGBT串联谐振的设备，合计功率为850KW，我公司的设备无论运行功率大小，对客户的数控机床均没有干扰。

3、能耗：

下图为我公司客户“漳州恒忆锻造工业有限公司”对我公司IGBT串联谐振中频设备和某国际知名品牌的可控硅串联谐振中频设备进行能耗测试后所出具的报告，从报告中看出，多林IGBT中频吨耗电为330度，某国际知名品牌为388度，我公司IGBT中频比某国际知名品牌中频节电（388-330）/388=15%

成都多林电器有限责任公司成立于1996年，从成立至今一直致力于IGBT感应加热设备的研发、制造，为国内最大的大功率IGBT感应加热设备生产制造企业，获得过多项国家发明专利。本公司目前感应加热设备品种有四大类，型号六十余种，下图为我公司第四代IBGT中频感应加热设备的外形及内部照片。

从内部照片可以看出，我公司的IGBT中频设备，无论功率大小均采用标准化模块设计，每个模块为一个功率单元，功率为100KW，上图为350KW设备，由4个功率单元构成，最大功率400KW，所以，如果一个用户拥有我公司多套不同型号的中频设备，只需配备一套功率单元即可维修所以的中频设备，这样大大降低了客户的设备维护成本，同时我公司IGBT中频还具有以下特点：

1、模块化设计，方便维修，每个IGBT都可单独拆装，无需拆装其他部件；

2、专利均流技术（ZL201310264330.7），确保每个IGBT的电流均衡，可靠性进一步提高；

3、每个模块均能独立工作，若其中一个模块发生故障，隔离故障模块，将设备功率适当降低，设备仍能正常工作；

4、使用寿命长达10年的薄膜电容代替电解电容，杜绝了电容寿命故障；

5、整流端加电感隔离，进一步减小电网谐波干扰；

6、使用紫铜散热器，散热能力大大提升，同时提高了抗腐蚀性能；

7、水路与电路分离，水路若发生滴漏，不会引起电路故障；

8、每一个故障保护点均有发光二极管指示，极大地方便了客户对设备故障的判断。

9、采用具有软启动功能的可控硅半控整流技术，淘汰了交流接触器。

10、采用韩国进口橡胶复合管作水管，密封性好，耐压高，不易老化，寿命长。

11、全密闭机箱，保证内部电器的清洁运行环境，降低故障率。