感應(yīng)加熱用中高頻電源技術(shù)的發(fā)展歷程與展望

1、引 言

感應(yīng)加熱用中頻電源技術(shù)是通過晶閘管或MOSFET或IGBT等電力半導(dǎo)體器件將工頻(50Hz)變換為中頻(400Hz~200kHz)的技術(shù)，由于它具有控制方式靈活，輸出功率大，效率較機組高，變化運行頻率方便等優(yōu)點，所以在建材、冶金、國防、鐵道、石油等行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用。本文想追尋我國此領(lǐng)域的發(fā)展歷史，介紹其發(fā)展現(xiàn)狀，進而探討其發(fā)展趨勢。

2、感應(yīng)加熱用中高頻電源技術(shù)的發(fā)展歷程

2.1 20世紀70年代眾多單位參與的開發(fā)研究期

縱觀我國感應(yīng)加熱用中頻電源的發(fā)展歷史，我們可把其發(fā)展概括為70年代的開發(fā)研究期、八十年代的成熟應(yīng)用期、九十年代的大范圍推廣期、20世紀末期的提高性能期。

我國應(yīng)用電力半導(dǎo)體器件研制感應(yīng)加熱用中高頻電源的歷史可追溯到20世紀70年代，伴隨著1963年我國第一只晶閘管的問世，在1970年左右我國開發(fā)出了快速晶閘管，1972年左右我國許多單位都開始了晶閘管中頻電源的研究，可以說二十世紀七十年代眾多單位參與的開發(fā)研究期掀起了國內(nèi)第一次中頻熱。這一時期的中頻熱主要表現(xiàn)在從事這一領(lǐng)域研究和開發(fā)的單位多，這個時期應(yīng)用的核心器件為快速晶閘管，其控制電路是由眾多分立元件構(gòu)成的多塊控制板組成的插件箱結(jié)構(gòu)，同時由于晶閘管制作工藝技術(shù)的限制，決定了主電路結(jié)構(gòu)因快速晶閘管的阻斷耐壓不夠高，而是兩個晶閘管或三個晶閘管串聯(lián)構(gòu)成逆變橋臂，所應(yīng)用快速晶閘管的數(shù)量為8只或12只，因而不可避免的伴隨著快速晶閘管的均壓網(wǎng)絡(luò)，同時應(yīng)當(dāng)看到這個時期一則由于晶閘管的關(guān)斷時間不能太短，所以決定了中頻電源的輸出頻率不能高;其二，由于快速晶閘管的動態(tài)參數(shù)dv/dt和di/dt不是很高，導(dǎo)致了系統(tǒng)中限制dv/dt及di/dt的網(wǎng)絡(luò)龐大而復(fù)雜;第三，在此階段由于整個晶閘管可靠性還很不理想(當(dāng)時國內(nèi)戲稱為“可怕硅”)，決定了這一階段中頻電源多是實驗室產(chǎn)品，工業(yè)中應(yīng)用的還很少。

2.2 二十世紀八十年代的成熟應(yīng)用期

到1980年之后，由于國產(chǎn)晶閘管制造工藝的長足進步，更由于改革開放技術(shù)引進我國晶閘管的可靠性獲得了很大的進步，因而逐步感應(yīng)加熱中頻電源已告別實驗室而進入了工業(yè)生產(chǎn)中使用，這一時期晶閘管中頻電源逆變橋已逐步從多快速晶閘管串聯(lián)向單個晶閘管過渡，但輸出工作頻率仍然不是很高，多在2.5kHz以下，要獲得4kHz或8kHz的輸出頻率仍不得不使用倍頻等復(fù)雜控制技術(shù)。再應(yīng)看到這一時期晶閘管中頻電源的起動方案多為帶有專門充電環(huán)節(jié)的撞擊式起動方案，且控制板為多塊小控制板構(gòu)成的插件箱式結(jié)構(gòu)。

一般整個控制系統(tǒng)由十二塊控制板構(gòu)成(六個整流觸發(fā)板、兩個逆變脈沖板、一個正電源板、一個負電源板、一個保護板、一個調(diào)節(jié)板)，還有這一時期快速晶閘管國產(chǎn)水平關(guān)斷時間最快為35µs左右，而阻斷電壓最高不超過1600V，通態(tài)平均電流最大為500A，由此決定了對功率容量超過350kW的感應(yīng)加熱用中頻電源不得不采用多快速晶閘管并聯(lián)的方案。

2.3 二十世紀九十年代的大范圍推廣應(yīng)用期

經(jīng)歷了前述兩個時期，可以說我國晶閘管中頻電源技術(shù)已較成熟。進入1990年之后由于國產(chǎn)快速晶閘管制造工藝上采用中子幅照等工藝使關(guān)斷時間進一步縮短，國產(chǎn)快速晶閘管的容量進一步提高，控制技術(shù)已有撞擊式起動、零壓起動、內(nèi)、外橋轉(zhuǎn)換起動等方案，加之國內(nèi)建筑業(yè)對鋼材的大量需求，促使1991年~1993年全國出現(xiàn)了第二次中頻熱，幾年時間內(nèi)國內(nèi)新增加了投入運行的幾萬臺中頻電源，以至于很多用戶提款待貨，促使了感應(yīng)加熱中頻電源在國內(nèi)大范圍推廣使用，其功率容量已從幾十千瓦增加到500kW，甚至1000kW快速晶閘管的制造水平關(guān)斷時間已從35µs左右降到25µs左右，甚至20µs以下，阻斷電壓已從1600V上升到2000V左右，單管容量已從500A增加到1000A，這一階段主電路方案在國內(nèi)分為兩種，一種是以浙江大學(xué)為代表的并聯(lián)方案，另一種是以湘潭電機廠為代表的串聯(lián)方案。

2.4 二十世紀末期的提高性能期

1998年之后，由于國內(nèi)狠抓建筑質(zhì)量促使對小鋼廠進行大范圍整頓，很多省制定政策限制容量小于500kW的中頻電源使用，促使國內(nèi)開發(fā)單機容量1000kW以上的中頻電源，因而推動了快速晶閘管制造水平的進一步提高，如今國內(nèi)已能生產(chǎn)單管電流容量達2000A、2500A的快速晶閘管元件，但關(guān)斷時間對1500A以上的晶閘管仍然很難降到20µs以下，更為了解決大中頻電源的重爐起動問題，國內(nèi)電力電子行業(yè)開發(fā)出了第五代中頻電源控制板，這就是不要同步變壓器的自對相和相序自適應(yīng)的掃頻起動板，使晶閘管中頻電源的性能和水平上了一個很高的檔次。

再應(yīng)該提到，為了解決電網(wǎng)的污染問題，提高效率，借助于IGBT及MOSFET水平提高、容量的擴大和成本的下降，國內(nèi)感應(yīng)加熱用中變頻電源已在小容量領(lǐng)域從晶閘管設(shè)備向以IGBT和MOSFET為主功率器件的高頻電源過渡(工作頻率為20kHz~200kHz范圍)，并已批量投入工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用，在此領(lǐng)域生產(chǎn)量比較大的有保定紅星高頻設(shè)備廠等企業(yè)，但由于IGBT或MOSFET等器件應(yīng)用技術(shù)在國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)還不是很成熟，因而決定了高頻電源的生產(chǎn)企業(yè)相對還很少。

3、感應(yīng)加熱用中高頻電源技術(shù)的現(xiàn)狀

我國感應(yīng)加熱用中高頻電源從無到有，經(jīng)過了上述的四個發(fā)展階段已在國內(nèi)形成很大的規(guī)模，并已用于冶金、電力、石油、化工、電子等行業(yè)的焊接、淬火、熔煉、透熱、保溫等領(lǐng)域，其發(fā)展現(xiàn)狀可以概括為以下幾點：

(1) 以晶閘管為主功率器件的感應(yīng)加熱中頻電源已覆蓋了工作頻率為8kHz以下的所有領(lǐng)域，其單機功率容量分50、160、250、500、1000、2000、2500、3000kW幾種，工作頻率有400Hz、1kHz、2.5kHz、4kHz、8kHz幾種。

(2) 中頻電源中三相全控整流橋的觸發(fā)器已告別了分立器件構(gòu)成的多塊板結(jié)構(gòu)，現(xiàn)多為集脈沖形成、保護、功率放大、脈沖整形于一體的單一大板結(jié)構(gòu)(內(nèi)含逆變橋的脈沖產(chǎn)生與功放和調(diào)節(jié)器)。

(3) 中頻電源中三相整流橋的晶閘管觸發(fā)脈沖產(chǎn)生已從應(yīng)用同步變壓器，現(xiàn)場調(diào)試需對相序的控制模式逐步向不用同步變壓器的具有相位自適應(yīng)功能的觸發(fā)器過渡。

(4) 晶閘管中頻電源的啟動方式已從撞擊式起動、零壓起動、內(nèi)外橋轉(zhuǎn)換起動過渡到掃頻起動，其控制技術(shù)已從電壓或電流閉環(huán)調(diào)節(jié)進步到恒功率控制，從而使中頻電源的控制效果更好，提高了用戶使用的效率。

(5) 中頻電源用快速晶閘管的單管容量已達2500A/2500V，其最短關(guān)斷時間已達15µs，與中頻電源配套的無感電阻高頻電容等制造技術(shù)得到了長足的進步，為晶閘管中頻電源的制作帶來了極大的方便。

(6) 晶閘管中頻電源的零部件及配套件如散熱器、熔斷器、電抗器、控制板已標準化、系列化、批量生產(chǎn)化、給晶閘管中頻電源的制造商及維護人員帶來了極大的方便。

(7) MOSFET和IGBT等全控型電力半導(dǎo)體器件的容量已日益擴大，既奠定了中高頻電源的器件基礎(chǔ)，與IGBT及MOSFET配套的驅(qū)動器和保護電路已系列化和標準化，給中高頻和超音頻感應(yīng)加熱電源奠定了基礎(chǔ)和保證，帶來了極大的方便。

(8) 在國內(nèi)單機容量在500kW以上的感應(yīng)加熱中頻電源基本上是清一色的晶閘管電源，但工作頻率最高不超過8kHz，容量最大已達4000kW，國內(nèi)有些企業(yè)正在開發(fā)單機容量達6000kW的晶閘管中頻電源，以IGBT和MOSFET為主功率器件的中高頻電源，在國內(nèi)已有批量生產(chǎn)的企業(yè)，但生產(chǎn)量相對晶閘管中頻電源來說還是很少，其單機容量在200kW以內(nèi)，工作頻率基本上都在20kHz~200kHz范圍，超過20kHz的中高頻電源基本上都是應(yīng)用MOSFET，由于MOSFET到今仍然難以制作出同時滿足高電壓、大電流的條件，所以不得不采用多個MOSFET并聯(lián)的方案，從目前使用的實際情況來看，有直接將MOSFET并聯(lián)，再逆變獲得較大功率輸出;也有直接將MOSFET構(gòu)成逆變橋，再多個逆變橋并聯(lián)的;應(yīng)特別注意兩種實現(xiàn)方法都有均流的問題，后者不但有數(shù)個逆變器并聯(lián)均流的問題，而且有數(shù)個逆變橋輸出同相位、同幅值并聯(lián)的問題，同時這種方案造成控制系統(tǒng)有多個控制單元。

(9) 現(xiàn)中高頻感應(yīng)加熱中頻電源的冷卻方式清一色為水冷卻，應(yīng)用水壓繼電器的居多，存在著水管堵死，水壓很高，但不能冷卻的問題，這很容易造成器件的過熱損壞，所以保護方案總的來說存在著不足，應(yīng)增加流量繼電器的保護與水壓繼電器配合使用。

4、感應(yīng)加熱用中高頻電源的發(fā)展趨勢探討

(1)以晶閘管為主功率器件的中頻電源仍然不會退出歷史舞臺，仍將壟斷大功率(幾千千瓦以上)的中頻電源領(lǐng)域，將是10噸、12噸、20噸煉鋼或保溫，用中頻電源的主流設(shè)備。

(2)小功率晶閘管中頻電源(功率容量小于1000kW)的將隨著對效率及煉鋼質(zhì)量的要求不斷提高，而逐漸減小使用量，但它們在淬火、彎管等領(lǐng)域仍將使用一段時間。

(3)主功率器件為IGCT及GTO的感應(yīng)加熱用中頻電源將與主功率器件為晶閘管的中頻電源展開激烈的競爭并逐漸縮小前者的市場份額。

(4)中高頻(頻率高于10kHz~30kHz)領(lǐng)域使用的中頻電源將以IGBT為主要器件，其單機容量將隨著IGBT自身容量的不斷擴大而不斷擴大，并獲得越來越大的使用范圍。

(5)高頻(頻率高于100kHz)領(lǐng)域的感應(yīng)加熱電源將以MOSFET為主要器件，伴隨著MOSFET制造工藝的不斷進步和突破以MOSFET為主功率器件的高頻電源將獲得廣泛的應(yīng)用，其容量將不斷擴大。

(6)感應(yīng)加熱用中頻電源的冷卻技術(shù)將獲得較大突破，將解決水冷方式對使用者帶來的漏水，水質(zhì)處理等不便，但這之間也許要經(jīng)過很長的時間。

(7)感應(yīng)加熱用中頻電源的配套件將不斷進步，更加標準化、更系列化，給高中頻電源的制造和維修帶來更大的方便。

(8)感應(yīng)加熱用中頻電源的單機功率容量將不斷擴大，有望突破10MW，其工作頻率將越來越高。

(9)與感應(yīng)加熱用中高頻電源配套的限制電網(wǎng)干擾，保證電網(wǎng)綠色化的EMI抑制技術(shù)，功率因數(shù)校正技術(shù)將獲得廣泛應(yīng)用，并進一步改善中高頻感應(yīng)加熱電源的輸出波形和效率。

(10)SIT及SITH這些器件將在我國中高頻電源領(lǐng)域獲得應(yīng)用并填補我國至今沒有自行開發(fā)應(yīng)用這些器件制作的中高頻感應(yīng)加熱電源的空白。

(11)中高頻感應(yīng)加熱電源的起動方式，控制技術(shù)將再獲得突破，并進一步提高這類電源的性能，采用新型控制策略的中頻電源將獲得大范圍應(yīng)用。

5、結(jié) 論

感應(yīng)加熱用中高頻電源是我國工業(yè)生產(chǎn)中必用的設(shè)備，我國從事這類電源的開發(fā)與生產(chǎn)已有幾十年的歷史，其發(fā)展水平仍需提高，文中涉及的我國中高頻電源的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，可給從事該領(lǐng)域研究的工程技術(shù)人員提供參考。