感应加热电源技术发展历程

感应加热电源技术发展历程

感应加热电源的发展大致经历了这样几个阶段：20世纪20年代的电机发电机（机式中 频）和真空管（又称电子管）振荡器，20世纪60年代的晶闸管（可控硅）感应加热电源， 20世纪80年代的晶体管感应加热电源，20世纪90年代中期直至现在的以静电感应晶体管 （SIT）、场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）功率器件为核心的新一 代感应加热电源。

由于数字电子技术、微电子技术与集成电路、大功率高频器件，以及大功率元器件（如 陶瓷板形槽路电容器、全膜介质结构的电热电容器、高频大功率铁氧体、陶瓷振荡管等）的 发展，使得传统类型的感应加热电源（晶闸管SCR中頻感应加热电源、真空管高频感应加 热电源）在效率、可靠性等方面都有了很大的提高，其结构更加紧凑，体积进一步减小。

晶闸管（SCR）中频感应加热电源的技术进步，主要体现在以下几方面。

① 晶闸管的触发电路及控制电路由数字集成电路替代了绝大部分的晶体管分离元件 电路。

② 主回路釆用频率扫描方式自动启动逆变，不需要预充电的附加启动电路。

③ 具有频率自动跟踪和为保持恒功率而自动调节功率的电路。

④ 采用了全膜介质结构的RFM型电热电容器组成谐振电容器组以改善功率因素，替代 了中频RYS电热电力电容器组，使得设备的结构更紧凑，减小了体积。

真空管（电子管）感应加热电源的技术进步，主要体现在以下几方面。

① 高压整流及阳压调节电路。淘汰了体积较大、故障较多、整流效率低、不易维护的 充汞闸流管整流装置，取而代之的是三相高压硅堆三相整流桥；釆用晶闸管三相交流调压器 接在阳极变压器低压侧与三相交流电源之间，通过调节晶闸管的导通角q,来改变加在阳极 变压器输入端的三相交流电压，从而调节阳压，进而调节输出功率，这就是典型的“晶闸管 三相交流调压-阳极变压器升压-三相高压硅堆整流”的阳压调节电路的结构。

② 保护电路及晶闸管三相交流调压器的触发电路采用了单片微处理器。

③ 采用了陶瓷盘式电容器作槽路电容，替代了容量小的罐式电容器，去掉了罐式电容 器的水冷管路，减小了体积。

④ 陶瓷外壳的（真空）振荡管将会逐步取代玻璃外壳的（真空）振荡管，前者具有较 好的电气性能、不易损坏及体积较小的优点。

新一代感应加热电源的新型功率元器件包括以下几种：

① 静电感应晶体管S1T。

② 具有功率大、开关速度快、损耗低的功率半导体器件MOSFET和IGBT。

③ 能浦足髙輝、大容敝、低损耗、很小内部电感、体积小以及容易水冷的电容器。

④ 能够承受大电流、变比抽头灵活及容功容现仇载此配的髙頻（达500kHz）铁氣体磁 心变压器,这使得研制和生产中、大功率等级的现代剧音频和高频感应加热电源成为可能。

以SIT、MOSFET、I（；BT等为功率器件的感应加热电源是现代感应加热电源的主流电 源类型,称为（个）固态感应加热电源。“固态”感应加热电源是针对真空管高频感应加热 电源来说的，逆变电路的核心器件姑大功率半导体器件₀

现代感应加热电源具有如下一些特点。

① 由f新型功率器件的问世，其电路结构及实现技术有r很快的发展。

② 整流及逆变电路的器件多采用模块器件代替单个功率器件。为了扩大输出功率，采 用了功率器件的串联、并联或串并联結构。

③ 控制电路及保护电路所采用的器件由原来大量釆用晶体三极管等模拟器件，发展为 大量采用数字器件（如比较器、触发器、计数器、定时器、光电隔离器、锁相环等）；专用 集成电路的采用也是现代感应加热电源的又一特点。

④ 新型电路元件，如美国CDE （无感）电容模块、无感电阻应用于缓冲电路，能大大 提高吸收效果；Mn-Zn大功率铁氧体应用于功率输出回路，减少了损耗和电源体积。

⑤ 频率范围广，其范围为0.1〜400kHz,这覆盖了中频、超音频和高频；输出功率范 围为1.5〜2000kW，可满足不同热处理工艺的需求。

⑥ 转换效率高，节能明显。对于晶体管逆变器的负载功率因数可接近于1,这可减少输 入功率22%〜30%,减少冷却水用量44%〜70%。

⑦ 具有频率自动跟踪和为保持恒功率输出的自动调节电路。

⑧ 整台装置结构紧凑，外形尺寸小，与真空管电源相比可节省66%〜84%的空间。

⑨ 保护电路完善，可靠性高。感应加热电源能够在工件碰触到感应器、输出变压器空 载或过载以及其他误操作情况下安全运行。电路的安全措施有：直流侧电流过流、交流侧电 流过流、缺相保护、进线电压的过压与欠压保护、工作频率超限与功率超限保护等。器件的 安全措施有：逆变桥的桥臂电流不平衡与直通、功率器件的过热、槽路线圈短路、槽路电容 过压与槽路电压超限等。设备的安全措施有：冷却水的流量与进出口的水温检测、电源柜门 与电源的联锁保护等。

⑩ 电源内部或输出端没有高压（相对于真空管电源），因而工作电压低，安全性高。 采用单相交流电工作的小功率固态感应加热电源的直流工作电压为220-250V,采用三 相交流电源的直流工作电压为510〜560V,而真空管电源的直流工作电压最高可达13kV 左右。

现代感应加热电源的功率和频率范围很广，SCR电源、IGBT电源和 MOSFET电源的功率及频率的对应关系。各种电源间有重叠区域，可 以综合考虑后而加以选用。对频率低于10kHz以下的电源称为中频感应加热电源，频率在 10〜100kHz之间的电源称为超音频感应加热电源，频率高于100kHz的电源称为高频感应 加热电源。按照功率器件SCR、MOSFET和IGBT的频率特性及功率容量来看，SCR主要 应用于中频感应加热，'功率等级在800kW左右，频率等级在8kHz左右；就目前IGBT感 应加热电源的制造水平来看，国际上达到了 1200kW/180kHz,国内为500kW/50kHz, MOSFET感应加热电源的制造水平国际上大致为1000kW/400kHz,国内为（10〜250）kW/ （50 〜400）kHz。

目前已有许多类型和型号的现代感应加热电源可以满足各种感应热处理工艺的需求，不 同的热处理工艺对频率、功率等的要求有所不同。