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(jī)組高，變化運(yùn)行頻率方便等優(yōu)點(diǎn)，所以在建材、冶金、國(guó)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(guó)此領(lǐng)域的發(fā)展歷史，介紹其發(fā)展現(xiàn)狀，進(jìn)而探討其發(fā)展趨勢(shì)。

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(jì)70年代眾多單位參與的開發(fā)研究期

縱觀我國(guó)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(jì)末期的提高性能期。

我國(guó)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(jì)70年代，伴隨著1963年我國(guó)第一只晶閘管的問世，在1970年左右我國(guó)開發(fā)出了快速晶閘管，1972年左右我國(guó)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(jì)七十年代眾多單位參與的開發(fā)研究期掀起了國(guó)內(nèi)第一次中頻熱。這一時(shí)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(gè)時(shí)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(shí)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(gè)晶閘管或三個(gè)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(shí)應(yīng)當(dāng)看到這個(gè)時(shí)期一則由于晶閘管的關(guān)斷時(shí)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(dòng)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(gè)晶閘管可靠性還很不理想(當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)戲稱為“可怕硅”)，決定了這一階段中頻電源多是實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品，工業(yè)中應(yīng)用的還很少。

2.2 二十世紀(jì)八十年代的成熟應(yīng)用期

到1980年之后，由于國(guó)產(chǎn)晶閘管制造工藝的長(zhǎng)足進(jìn)步，更由于改革開放技術(shù)引進(jìn)我國(guó)晶閘管的可靠性獲得了很大的進(jìn)步，因而逐步感應(yīng)加熱中頻電源已告別實(shí)驗(yàn)室而進(jìn)入了工業(yè)生產(chǎn)中使用，這一時(shí)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(gè)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(shí)期晶閘管中頻電源的起動(dòng)方案多為帶有專門充電環(huán)節(jié)的撞擊式起動(dòng)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(gè)控制系統(tǒng)由十二塊控制板構(gòu)成(六個(gè)整流觸發(fā)板、兩個(gè)逆變脈沖板、一個(gè)正電源板、一個(gè)負(fù)電源板、一個(gè)保護(hù)板、一個(gè)調(diào)節(jié)板)，還有這一時(shí)期快速晶閘管國(guó)產(chǎn)水平關(guān)斷時(shí)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(duì)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(jì)九十年代的大范圍推廣應(yīng)用期

經(jīng)歷了前述兩個(gè)時(shí)期，可以說我國(guó)晶閘管中頻電源技術(shù)已較成熟。進(jìn)入1990年之后由于國(guó)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(shí)間進(jìn)一步縮短，國(guó)產(chǎn)快速晶閘管的容量進(jìn)一步提高，控制技術(shù)已有撞擊式起動(dòng)、零壓起動(dòng)、內(nèi)、外橋轉(zhuǎn)換起動(dòng)等方案，加之國(guó)內(nèi)建筑業(yè)對(duì)鋼材的大量需求，促使1991年~1993年全國(guó)出現(xiàn)了第二次中頻熱，幾年時(shí)間內(nèi)國(guó)內(nèi)新增加了投入運(yùn)行的幾萬臺(tái)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(guó)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(shí)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(guó)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(jī)廠為代表的串聯(lián)方案。

2.4 二十世紀(jì)末期的提高性能期

1998年之后，由于國(guó)內(nèi)狠抓建筑質(zhì)量促使對(duì)小鋼廠進(jìn)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(guó)內(nèi)開發(fā)單機(jī)容量1000kW以上的中頻電源，因而推動(dòng)了快速晶閘管制造水平的進(jìn)一步提高，如今國(guó)內(nèi)已能生產(chǎn)單管電流容量達(dá)2000A、2500A的快速晶閘管元件，但關(guān)斷時(shí)間對(duì)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(dòng)問題，國(guó)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(duì)相和相序自適應(yīng)的掃頻起動(dòng)板，使晶閘管中頻電源的性能和水平上了一個(gè)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(kuò)大和成本的下降，國(guó)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(guó)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(duì)還很少。

3、感應(yīng)加熱用中高頻電源技術(shù)的現(xiàn)狀

我國(guó)感應(yīng)加熱用中高頻電源從無到有，經(jīng)過了上述的四個(gè)發(fā)展階段已在國(guó)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(diǎn)：

(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(jī)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(hù)、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(chǎng)調(diào)試需對(duì)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(dòng)方式已從撞擊式起動(dòng)、零壓起動(dòng)、內(nèi)外橋轉(zhuǎn)換起動(dòng)過渡到掃頻起動(dòng)，其控制技術(shù)已從電壓或電流閉環(huán)調(diào)節(jié)進(jìn)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(dá)2500A/2500V，其最短關(guān)斷時(shí)間已達(dá)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(zhǎng)足的進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(hù)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(kuò)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(dòng)器和保護(hù)電路已系列化和標(biāo)準(zhǔn)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(guó)內(nèi)單機(jī)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(dá)4000kW，國(guó)內(nèi)有些企業(yè)正在開發(fā)單機(jī)容量達(dá)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(guó)內(nèi)已有批量生產(chǎn)的企業(yè)，但生產(chǎn)量相對(duì)晶閘管中頻電源來說還是很少，其單機(jī)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(shí)滿足高電壓、大電流的條件，所以不得不采用多個(gè)MOSFET并聯(lián)的方案，從目前使用的實(shí)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(gè)逆變橋并聯(lián)的;應(yīng)特別注意兩種實(shí)現(xiàn)方法都有均流的問題，后者不但有數(shù)個(gè)逆變器并聯(lián)均流的問題，而且有數(shù)個(gè)逆變橋輸出同相位、同幅值并聯(lián)的問題，同時(shí)這種方案造成控制系統(tǒng)有多個(gè)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(hù)方案總的來說存在著不足，應(yīng)增加流量繼電器的保護(hù)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(shì)探討

(1)以晶閘管為主功率器件的中頻電源仍然不會(huì)退出歷史舞臺(tái)，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(duì)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?cè)诖慊?、彎管等領(lǐng)域仍將使用一段時(shí)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(jìng)爭(zhēng)并逐漸縮小前者的市場(chǎng)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(jī)容量將隨著IGBT自身容量的不斷擴(kuò)大而不斷擴(kuò)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(jìn)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(kuò)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(duì)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(zhǎng)的時(shí)間。

(7)感應(yīng)加熱用中頻電源的配套件將不斷進(jìn)步，更加標(biāo)準(zhǔn)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(jī)功率容量將不斷擴(kuò)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(jìn)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(guó)中高頻電源領(lǐng)域獲得應(yīng)用并填補(bǔ)我國(guó)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(dòng)方式，控制技術(shù)將再獲得突破，并進(jìn)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(guó)工業(yè)生產(chǎn)中必用的設(shè)備，我國(guó)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(guó)中高頻電源的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，可給從事該領(lǐng)域研究的工程技術(shù)人員提供參考。