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1、感应加热变频电源综述出志明胡彩娥摘要：简要回顾感应加热变频电源的发展史，主要论述了当前国内外的发展水平和我国今后感应加热变频电源的发展方向。关键词：感应加热 变频电源 感应炉晶闸管1前言感应加热虽然它的原理发现的早，但人类真正广泛应用该项技术还是近三十年的事情。现在它的重要性越来 越被人们所认识。早在十九世纪科学家就发现了电磁感应现象：1831年法拉第（Michael Faraday ）发现电磁感应规律 e = -N-； 1868年福考特（Foucault）提出涡流理论；1840年焦耳-楞茨确定了电阻发热的关系式，Q = I2Rt ,dt这些都是感应加热的理论基础。感应加热装置由两部分组成，一
2、部分是提供能量的交流电源，也称变频电源，变频电源有低频、工频、中频、 超音频和高频之分：另一部分是完成电磁感应能量转换的感应线圈及机械结构，称感应炉。早期的感应加热电源 有工频固态（50或60Hz）电源、中频有发电机旋转和固态电源、高频电子管电源。第二次世界大战前后的感应加热 设备基本上是上述的初级发展水平。制约感应加热发展的主要是感应加热电源，而电源受制于高频或大功率的开关器件。电力电子功率器件的发 展，才真正促进了感应加热电源的发展。1957年美国研制出世界上第一只普通的阻断型可控硅，我们现在称为晶 闸管（SCR）,经过60至70年代工艺完善和产品开发，70年代后期己形成从低电压小电流到高
3、压大电流的系列产 品，从而使固态感应加热电源产生了革命，走向实用化的阶段。与此同时，世界各国研制了大量的派生器件。如 逆导晶闸管（RCT）,门极辅助关断晶闸管（GATT）,光控晶闸管（LTSCR）、及80年代发展的可关断晶闸管（GTO）等。今天的电力半导体功率器件的发展更是琳琅满目，简单归纳一下有：、大功率二极管：、晶闸管（SCR）； 、双向晶闸管；、门极关断（GTO）晶闸管（最大8500V , 3500A）；、双极结型晶体管（BTT或BPT）：、 电力M0SFET；、静电感应晶体管（SIT）,（最大1000V , 300A, 50MIIz）；、绝缘双极型晶体管（IGBT）（最大 6500V,
4、 2500A）；、M0S控制晶闸管（MCT）；、集成门极换向晶闸管（IGCT）。这些器件还正在不断更新和完 善中，这些电力半导体器件是现代电力电子设备的核心，更是感应加热电源赖以发展的基础。它为感应加热电源设备带来前所未有的活力和广阔的发展前景。2感应加热应用范围和优越性感应加热的历史，算起来也不过一百多年，在我国大规模应用也是改革开放以后的事，但发展前景非常看好。1890年瑞典人发明了第一台感应炉-开槽式有心炉。1916年美国人制造出闭槽式有心炉，用于有色金属冶 炼。无心炉是1921年在美国出现，当时采用的是火花式中频电源后来才出现了中频机组电源和固体式晶闸管变 频电源。工频炉和工频电源产生
5、于20世纪30年代，高频电源等由于不同的工艺要求而后相继问世。感应加热早期主要用于有色金属熔炼和热处理工艺，现在已广泛应用于下列领域（见表2-1）：表2-1感应加热的应用领域应用行业主要用途冶金黑色，有色金属的熔炼和保温；金属材料的热处理；圮坍熔炼、区域熔炼、合金材料生产、悬浮熔 炼等制取超纯材料；锻造、挤压、轧制等型材生产的透热；焊管生产的焊缝。机械制造黑色和有色金属的铸造和精密制造金属的熔炼；机器零件的淬火，表面淬火以及淬火后的回火、退 火、正火等热处理的加热；化学热处理的感应加热；压力加工（锻、挤、轧等）前的透热，模锻， 精锻；钎焊；对焊；硬质合金的熔焊；加热弯管；低温金属涂层及其它场合
6、的加热烘干；热装配等。轻工罐头封口加热，医药瓶金属膜封口包装，软包装铝箔密封，合成纤维生产中间加热，民用感应加热 锅炉，电磁炉、淋浴器等。石油化工化学反应釜等容器的加热，输油管道缝焊接，输油管路的加热和保温，钻铤，钻杆的热处理。电子电子管，显象管生产中内部件的真空除气和加热。金属材料板材、管材的热镀锌，线材的表面镀铜等。板材的横向加热。电磁包浇铸。感应加热的广泛应用，究其原因，主要是它本身相对于别的加热方式有下面的一些独特性:(1) 加热速度快，可节能。被加热金属氧化层薄，金属烧损小。感应加热是从金属内部，透入深度层开始加 热，大大节省了热传导时间。其它加热是从外到内，导热时间长。据实验，加热
7、同一坯料到一定温度，感应加热 只需火焰炉加热时间的十分之一。(2) 加热温度高，而且是非接触式的电磁感应加热。(3) W进行局部加热，容易控制加热部位和深度。加热工件的质量在现性与重复性好，各种参数容易控制。(4) 控制温度的精度高，可保证温差在土0.5-1%以内。(5) 感应加热的热效率高，节能，一般可达50-70%o而火焰炉的热效率一般只有30%左右。(6) 容易实现自动化控制。(7) 作业环境好，几乎无热，噪声，粉尘等污染，环保。作业占地少，生产效率高。(8) 能加热形状复杂的工件，加热或熔炼都能间歇工作。(9) 熔炼中溶液有电磁搅拌作用。可以均匀的调金属液成份，溶液温度均匀，不会出现局
8、部髙温。金属烧损少, 这一点，对熔炼稀有金属更重要。3国外感应加热现状工频(50脱或60也)感应加热电源。这种电源比较实用大型工件的整体透热、大容量炉的熔炼和保温。在频 率要求较低的感应加热场合，普通采用工频感应炉。国外的工频感应加热装置单台可达数百兆瓦，用于数10吨 的大型工件透热或数百吨的钢水保温。虽然固态功率器件构成的电源有取代工频感应加热电源的趋势，但短期内， 在电源的容量、价格和可靠性方面难以与构造简单的工频感应电源竞争。小频电源(50Hz或60Hz以上lOKHz)。晶闸管感应加热电源已完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频 器。国外的装置单台容量已达数十兆瓦。超音频电源(10KlO
9、OKIIz)。早期采用晶闸管一一时间分割电路和倍频电路构成超音频电源。80年代开始，随着新型器件(GTO、GTR、MCT、IJBT、BS1T、S1TH和1GBT)的相继问世由这些器件构成的 简单逆变桥电路得到了很大的发展，占据了感应加热电源主导地位。其中IGBT更是一支独秀，受到了开发者的重 视。90年代初期，日本就采用TGBT研制出了 1200KW/50KH7的电流型感应加热电源。我国98年进1丨口本的 3200KW/80KHZ感应加热线在上海运行，是国际上最先进的电源之一。一些发达国家如美国，英国，法国，瑞士等 都研制出了超音频感应加热电源，已达数千千瓦。高频电源(100KHZ以上)。目前
10、正处在传统的电子管振荡器向固态电源的过度阶段。领先的国家有日本，西 班牙，德国，比利时，美国等，采用的器件有SIT和MOSFET，感应加热电源水平可达到lMW/15-600KHZo我国与国外先进国家在感应加热方血进行比较，存在较大的差距。图1美国某公司感应炉计算机控制管理画面图2国内最大的701.感应保温炉图3国内最大的中频电源(20000KW)4国内感应加热电源技术发展与现状我国感应加热技术的应用，起源于上世纪50年代，主要用于机床、纺机、汽车、拖拉机等制造业。感应加热 集小在工件表面淬火方面，熔炼和透热方面用的较少。感应加热的技术几乎全来自前苏联和捷克国家。20世纪60 年代，由于和苏联的
11、关系破裂，我国走上了感应加热技术独立发展的道路。这段时间直到改革开放后的80年代, 由浙大开发了第一台并联式晶闸管中频电源，并向全国推广。有关单位相继也生产出了容量在几百千瓦，频率 0. 5SKHz中频电源。电子管式超音频电源也研制成功，填补了我国8K200KHZ之间的频率缺口。感应加热电源真正大量应用于工业生产则是20世纪80年代后。近20多年间感应加热电源和感应加热领域发 生了令人注目的变化：此阶段从徳国、美国、英国、法国、日本、意大利、西班牙、比利时和俄罗斯等工业发达 国家引进了数百套感应加热成套装置(含电源)。粗分类有:各种淬火设备及电源；透热设备及电源：高频纤焊设备: 熔炼设备及电源
12、；熔炼设备无心感应炉、有心感应炉。20世纪90年代，国外的一些感应电炉公司直接到中国来办厂，如美国的英达感应加热公司，彼乐公司等， 和国内的同行业厂家同台竞争。他们的产品技术含量高，电源功率大，品牌全，炉子吨位大，生产线规模大，占 据了国内的很大一部分市场。只是他们的设备价格高（国内同性能产晶大约是其价格的1/5左右），这才使技术落 后于他们的国内厂家，有了一定的市场发展空间。国内感应加热方面除了国外在国内的办事机构外，从地域上还分“南派”和“北派”技术和产品方面的竞争。 “南派”以浙江大学为中心源地，从技术和人事关系上衍生出浙江，上海，苏杭一带的感应电炉公司，其代表有 振吴、四达、兆力等公司
13、，主导着南方的熔炼炉市场。“北派”是以西安交大、西安电炉研究所、西安重型电炉厂 （现西安鹏远重型电炉厂）所在地西安为中心，衍生出西安，洛阳，山东，河北，山西等地的电炉公司。仅西安市 感应加热的公司就达百家之多，是名副其实的小国电炉设计、制造中心。这些厂家中比较有影响的有：西安电炉 研究所有限公司、西安鹏远重型电炉厂、西安机电研究所、陕西海意、西安动化、博大、华立等电炉公司。感应加热的市场发展前景看好，据行内人士讲，西安的几个大的感应炉公司，2007、2008年的各年产值，各 公司均在一个亿至几千万间，产值逐年度快速递增。其中电炉所，海意公司，机电所，动化公司等有多台感应炉 出口第三世界国家。目
14、前国内感应加热电源的技术水平表现在下面几点：感应加热的高频、中频小功率电源大量的采用IGBT及M0SFET晶体管功率器件，功率在几千瓦到几百千瓦； 频率从10KHZ到几百KHZ.这种电源多用于淬火，适应于不同透入深度工件硬层处理。另有少量的双频电源和超高 频（27. 12MHz）小功率电源。双频电源一般是指高频与超音频组合，超音频40K1IZ和中频0. 5KIIz组合。这样的感应 加热电源不但效率高，而且更适应处理不同透入深度工件。感应透热方面，工频电源和中频电源在市场上同时都在应用。在中频电源未发展起来的前20年，工频电源在 感应透热和熔炼方面起着主导作用，现正在逐步退出市场。两种电源的区别
15、在:工频电源是由50HZ输出，频率不 变，功率的调节靠前端的变压器抽头调输出电压达到调功率的目的。由于负载是一相，输入是三相电，所以，电 源内有三相调平衡装置；工频电源功率因数可补偿到1。中频电源是众所周知的AC-DC-AC典型的变频结构.即先 把三相工频电源整流成单相直流，滤波后再逆变为各种频率的中频单相交流电源，供给负载感应线圈。一般300mm以上的金属棒料、锭料透热，大型轴承表面处理多选用工频电源。300mm以下的金属棒料等多 选用中频电源。但也有例外的情况，如2005年公布的国家科技进步一等奖第六项“100MN铝挤压设备技术”，其 中用的是2600KW中频加热电源，炉子加热的是560m
16、m X 1950mm铝锭，属于国际上特大型设备之一。该项目采 用计算机控制，梯度加热。他们还设计了 297mm X 279mm X 580mm钢锭透热装置，用的中频电源是2400KW, 400Hz, 加热温度达到1300Co国内还有儿台不同功率的电源在同一透热线上联合工作的情况，这些电源功率从2000KW以下至儿百千瓦，每 个电源负担几个加热线圈完成一个区域的加热。几个电源和各自若干个线圈组合起来，达到了整个生产线的感应 加热要求。感应熔炼方面，近10年发展特别快。10年前，5t以上无心感应熔炼炉很少见，基本上都配的是工频电源。 中频炉因电源功率小，所配炉子大多数都在2t以下。现在的无心感应炉已生产出5t, 7t, 10t, 15t, 20t, 25t, 30t, 35t, 40t熔炼炉
