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1、锻造用中频感应加热设备几种电路形式的能耗比较成都多林电器有限责任公司 曾晓林目前国内使用的锻造用中频感应加热设备主要有四种电路形式，其中使用量最大的是上世纪 80 年代初发展起来的由可控硅变频的中频感应设备，主体电路如下图： (图一)此电路的主要特点：可控硅斩波调压、可控硅变频、并联谐振。D1 D5D3D6D4D2T1T2L2CT4T3L1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，用户不得不另配功率因数补偿柜，增加新的投入， （如果用户不另配功率因数补偿柜，将会导致用户
2、配电室的功率因数补偿柜电容损坏或供电变压器发热） 。整流后的直流滤波由大的直流电抗器完成，此部分带来 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%。受可控硅关断的制约，变频回路的功率因数只能达到 0.80.85。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750V，因此，感应线圈上的电流通常是直流电流的 510 倍，（510 是振荡回路的品质因数俗称 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
3、60%-70%左右。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） ，由 IGBT 变频的中频感应加热设备有两种线路：一种为并联谐振；另一种为串联谐振。并联谐振的主电路如下图： （图二）此电路的主要特点：可控硅斩波调压、IGBT 变频、并联谐振。D9J3J4D3 D5D6D4D2D1 D7L1J1J2D8BG3BG1BG2 BG4CL2D10从主电路上可以看出，此线路与（图一）唯一的差别就是用 IGBT 和快速二极管替代了可控硅。IGBT 和快速二极管的组合其导通损耗大于可控硅的导通损耗，但 IGBT 是一种可以工作在较高
4、频率的功率器件，其开关损耗比可控硅低。因此此线路的变频损耗与可控硅的变频损耗大致相当，大约 5%，功率调节仍然是通过改变整流可控硅的导通角实现的，因此电网的功率因数会受到影响。IGBT 是一种全控型半导体器件，所以变频回路的功率因数可以近为1，受快速二极管的耐压限制，IGBT 并联型变频的中频电压550V ，由此可见，IGBT 并联型变频电路的振荡电流将比可控硅变频的振荡电流还大。因此，IGBT 并联中频感应加热设备的总效率不会超过可控硅并联谐振感应加热设备的总效率，大约也在 60%-70%之间。 IGBT 变频的中频感应加热设备的另外一种线路为串联谐振，主电路如下图： （图三）此电路的主要特
5、点：不控整流、IGBT 变频、串联谐振J3J4D3 D5D1D6D4D2T1RC1BG2BG1L CBG3BG4J1J2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
6、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 310 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 3500=1
7、500）则 I 串 = 并21；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= RI21）（ 并 = I241并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 41。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
8、什么要用高压输送是一个道理。由可控硅变频的中频感应加热设备的另外一种线路为串联谐振，主电路如下图： （图四）此电路的主要特点：不控整流、可控硅变频、串联谐振此线路与由 IGBT 变频的串联谐振线路相比，最大的不同就是变频是由可控硅担任，它仍然具有串联谐振节能的优点；那么 IGBT 变频的串联谐振与可应 达 线 路L控硅变频的串联谐振相比较各有哪些优缺点呢？1. 仅就变频功率器件价格而言：可控硅价格便宜，IGBT 的价格较高。2. IGBT 是一种高频功率器件，它的开关损耗低，可控硅是一种低频功率器件，它的开关损耗高。3. IGBT 是一种全控型功率器件，可控硅是一种半控型功率器件，它必须工作在 Q 值较高（10）的振荡回路中；Q 值高就意味着损耗高。4. 在串联谐振的线路中，一旦发生过流，要求功率器件必须快速关断（10us） ，IGBT 很容易实现，而可控硅是半控器件，很难实现；这就是可控硅为什么多用在并联谐振线路中而很少用在串联谐振线路中的原因。基于以上因素，所以 IGBT 更适合使用在串联谐振线路中；由 IGBT 担任变频的串联谐振线路，比由可控硅担任变频的串联谐振线路更节能。目前在锻造用中频感应加热设备的生产厂家中只有我们成都多林电器有限公司，采用 IGBT 串联谐振变频技术。
