新型鍛造用IGBT串聯(lián)諧振中頻感應加熱爐

1、新型鍛造用IGBT串聯(lián)諧振中頻感應加熱爐成都多林電器有限責任公司曾曉林本文分析了現(xiàn)有可控硅中頻爐存在的不足，介紹了一種用于鍛造的新型中頻感應加熱爐，它的功 率器件由IGBT擔任，電路特征為串聯(lián)諧振，它具有顯著的節(jié)能效果及可在任何負載條件下均可啟動 成功的特點。日前絕大多數(shù)鍛造廠家使用的鍛造用中頻感應加熱爐主要是上世紀70年代初發(fā)展起來的由可控硅擔任變頻的中頻感應加熱設備，主體電路如下圖：（圖一）此電路的主要特點：可控硅斬波調(diào)壓、可控硅變頻、并聯(lián)諧振。整流部分由6只可控硅完成將三相交流電變成百流，同時擔任設備的功率 調(diào)節(jié)。此整流電路的缺點是：功率調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)可控硅的導通角實現(xiàn)的，導通 角減小，

2、電網(wǎng)的功率因數(shù)就會降低，用戶不得不另配功率因數(shù)補償柜，增加新的 投入。整流后的直流濾波由直流電抗器完成，此部分帶來1%3%的損耗，變頻 電路由4只可控硅完成，變頻電路的損耗大約為5%。受可控硅關斷的制約，變 頻回路的功率因數(shù)只能達到0.80.85。輸出電路是由感應線圈（爐體）和補償電 容組成的并聯(lián)諧振電路。受可控硅耐壓的限制，中頻電壓通常W 750V，因此， 感應線圈上的電流通常是直流電流的1015倍，（1015是振蕩回路的品質(zhì)因數(shù)， 也叫Q值，并聯(lián)諧振電路的特征是振蕩電流是直流電流的Q倍）所以并聯(lián)諧振 輸出電路通常有較大的損耗，約占整機功率的25%-30%。因此可控硅變頻中頻 感應加熱設備的

3、整機效率大約只有60%-70%左右。顯然，提高感應線圈上的電壓和降低振蕩回路的Q值，均可提高中頻爐的 效率，但在并聯(lián)諧振電路中，感應線圈兩端直接接于可控硅上，提高感應線圈的 電壓必須同時提高可控硅的反向耐壓，因此會提高設備制造成本同時也會受到器 件反向耐壓的制約，可控硅是半控型功率器件，當振蕩回路的Q值10時，易 出現(xiàn)停振或不起振的現(xiàn)象，使用過中頻爐的用戶都知道，若將冷料填滿爐體中頻 爐就很難起振就是這個道理;因此要想提高中頻爐的效率必須另外尋求一種功率 器件及使用另外一種線路。上世紀90年代初國際上誕生了一種新的功率器件IGBT，它具有功率大、 開關損耗低、工作頻率高（可達100Khz），I

4、GBT的制造技術經(jīng)過20年的發(fā)展， 已經(jīng)相當成熟，特別是INFINEON公司制作的第四代IGBT，其飽和壓降已W1.7 而硬開關頻率已達20KHZ，IGBT在變頻器領域、開關電源領域、感應加熱領域 已是絕對的主角。由IGBT擔任變頻的中頻感應加熱爐主電路如下圖：（圖二）此電路的主要特點：不控整流、IGBT變頻、串聯(lián)諧振整流部分由6只二極管擔任，直接整流不斬波，不會導致電網(wǎng)的功率因數(shù) 下降。串聯(lián)諧振電路去掉了龐大而笨重的濾波電抗器，減小了損耗，濾波由電容 C1擔任?？煽毓鑄1在這里只作開關用，當電容C1上的電被充到一定電壓后即 開通，變頻電路由4只IGBT構成，IGBT的導通損耗與可控硅相當，而

5、開關損 耗低于可控硅的開關損耗，因此變頻電流的損耗大約在3%。該電路的功率調(diào)節(jié) 有兩種方式：1、改變變頻電路的工作頻率（變頻），2、改變IGBT的導通時間 （調(diào)寬）。輸出電路的特征是感應線圈與補償電容串聯(lián)構成串聯(lián)諧振電路。此電 路的特征是流過IGBT的電流與流過感應線圈及補償電容的電流相等，而感應線 圈上的電壓是整流后直流電壓的310倍，（串聯(lián)諧振電路的特征是振蕩線圈的 電壓是直流電壓的Q倍）。感應線圈上的電壓直接由補償電容提供，所以提高感 應線圈的電壓不需要同時提高功率器件的耐壓。感應線圈上的功率P=感應線圈上的電壓（V） X流過感應線圈的電流（I）。 現(xiàn)在我們來比較并聯(lián)諧振與串聯(lián)諧振，感應

6、線圈的損耗。假設感應線圈上的功率 都是P。并聯(lián)諧振：P=V并XI并；P=750XI并；I并=P/750； 串聯(lián)諧振：P=V 串XI 串；P=1500XI 串；I 串=P/1500； （V串以最小3倍直流電壓計算3X500=1500）則【串=；/并；我們知道感應線圈的損耗只與線圈的電阻相關，假設線圈 的電阻為R，則損耗功率為：P=I2R；P 并=I2 并 R ；P 串=I2 串 R（ 21 并e = | 并2 R因此可見在相同的功率與相同的感應線圈的情況下，串聯(lián)諧振感應線圈的 損耗最多只有并聯(lián)諧振感應線圈的L。因此，串聯(lián)諧振輸出電路的損耗約占整4機功率的5%-10%，所以串聯(lián)諧振變頻的中頻感應加熱設備的整機效率為 80%-90%。在串聯(lián)諧振電路中，感應線圈上中頻電壓的高低與變頻功率器件的耐壓無關，只要感應線圈的絕緣允許，提高中頻電壓就可以進一步降低感應線圈的損耗， 整機效率就會進一步提高，這和輸電為什么要用高壓輸送是一個道理。IGBT是一種全控型功率器件，它的開通與關閉是由其柵極直接控制，與振 蕩回路的功率因素無關，與振蕩回路的Q值無關，所以，無論負載的輕重均可成 功啟動，因此，只要在設計中選擇合適的Q值，就可既保證設備的可靠性又能使 設備具有很高的效率，從而達到節(jié)電的目的。由IGBT變頻的串聯(lián)諧振型中頻