KGPS与IGBT中频电源在金属冶金领域中的特点与应用

摘要：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。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、工作频率高的特点。

关键词：IGBTKGPS感应加热中频熔炼

中图分类号：TG155文献标识码： A

一．感应加热的作用原理

感应加热是电热应用的较好形式，它利用电磁感应的原理将电能转变为热能。当交变电流通入感应圈时，感应圈内便产生交变磁通，使置于感应器中的工件受到电磁感应而产生感应电势。感应电势在工件中产生电流使工件内部（更确切地说，是工件表面的电流透入深度层）开始加热。

为了使金属能加热到一定温度，在金属内必须有足够大的电流，为此在金属内必须感应出足够大的电势。感应电势与磁通、频率有关。为了获得必须的感应电势，可以提高电源频率。同样的发热效果，频率越高，磁通及感应圈中的电流就可以减小，所以近代的感应加热除了工频电源外，还广泛采用中频和高频电源。

二．KGPS中频感应电源的工作原理及特点

1. 可控硅中频电源的基本工作原理

可控硅中频电源的基本工作原理,就是通过一个三相桥式整流电路,把50 Hz的工频交流电流整流成直流,再经过一个滤波器(直流电抗器)进行滤波,最后经逆变器将直流变为单相中频交流以供给负载,所以这种逆变器实际上是一只交流―直流―交流变换器。

2.感应炉对可控硅中频电源提出了下述一些要求：

2.1 感应炉对可控硅中频电源的输出功率要求。

可控硅中频电源的输出功率必须满足感应炉的最大功率,还要考虑到输出功率能很方便的调节,这是因为通常感应炉的坩埚的寿命约熔炼数十炉后就损坏了,必须重新修筑坩埚炉衬,而新的坩埚炉衬筑好后必须对其进行低功率烘炉,通常烘炉是从10-20%的额定功率开始,然后每隔一定时间升高10%功率,直至额定功率。再则,熔炉过程中,当炉料熔化后,必须对炉料的成分进行化验,而化验期间为不使炉料熔化后沸腾剧烈,这时中频电源必须减小输出功率,使炉料保温。鉴于以上情况,所以要求可控硅中频电源能从10%-100%额定输出功率的范围内方便的调节。用于锻造的透热炉不存在烘炉的过程。

2.2感应炉对可控硅中频电源的输出频率要求。

感应炉的电效率与频率之间的关系是相关连的。从电效率出发可以决定可控硅中频电源的输出频率。例如我们称这一频率为fo 。感应器实际上是一个电感线圈，而为要补偿线圈的无功功率,在线圈的两端并联电容,这就组成了LC 震荡回路。当可控硅逆变器的输出频率f等于感应炉回路的固有震荡频率fo时,则此时回路的功率因数等于1 。感应炉内将得到最大的功率。从以上可以看出,回路的固有震荡频率与L和C的数值有关,一般补偿电容C的值是固定不变的,而电感L则因炉料的导磁系数变化而变化,例如炼刚时,冷炉钢的导磁系数μ很大,所以电感L较大,而当钢的温度高到过居里点时钢的导磁系数 μ=1,所以电感L 减小,因而感应炉回路的固有震荡频率 fo 将由低变高。为了使感应炉在熔炼过程中始终都能得到最大的功率,这就要求可控硅中频电源的输出频率f能随着 fo 的变化而变化，始终保持频率自动跟踪。

2.3对可控硅中频电源的其他要求。

这是因为当炉料在熔炼过程中,一旦中频电源发生故障,严重时会损坏坩埚所以要求可控硅中频电源工作要可靠,还须具备必要的限压限流保护,过压过流保护,断水保护,等其它自动保护装置。此外,要求可控硅中频电源启动成功率要高,启动停止操作要方便。

三.IGBT串联谐振中频感应电源的原理及特点

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在变频器领域、开关电源领域、感应加热领域已是绝对的主角。

由IGBT担任变频的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，因此变频电流的损耗大约在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（变频），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3~10倍，（串联谐振电路的特征是振荡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。

由IGBT变频的串联谐振型中频感应加热炉，具有功率因素高≥0.95，若采用12脉冲整流功率因素可≥0.97；节电显著（比传统可控硅中频炉节电10%―30%），在任何负载下均可成功启动等优点。

四．结束语

由此可见，传统的KGPS中频电源具有效率高、操作维修方便、启动灵活等特点。新一代的IGBT中频电源具有功率因数高，节电显著，对电网污染小等特点。他们分别在金属冶金领域发挥着巨大的作用。锻造厂家可根据自己的实际需要和场地要求合理的选择中频电源，实现最大收益。

参考文献

[1]韩至成.电磁冶金技术及设备.北京:冶金工业出版社，2008

[2]吴红奎.IGBT基础与应用实务.科学出版社，2010

[3]曲学基 曲敬铠IGBT及其集成控制器在电力电子装置中的应用.电子工业出版社.2013