第2章 现代感应加热电源
2.1 概述
感应加热电源经历了20世纪20年代的发电机组与真空管发生器，60年代初的晶闸管（SCR）发生器，80年代初的晶体管发生器，直到90年代中期的现代功率晶体管（IGBT、MOSFET等）发生器这样一个发展过程。
自20世纪60年代后期生产出了额定电流达300A的快速开关型晶闸管SCR（Silicon Controlled Rectifier）之后，使得在技术和经济性方面的障碍得以解决从而为提供SCR中频感应加热电源成为可能，并导致了中频发电机机式中频电源的淘汰。20世纪80年代中期，已开发出适合于新一代感应加热电源的新型功率元器件，其中包括：①具有功率大，开关速度快，损耗低的功率半导体器件MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）和IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）；②能满足高频、大容量（kvar）、低损耗、很小电感体积小，以及容易水冷的电容器；③能够承受大电流、电压比抽头灵活及容易实现负载匹配的高频（达300kHz）铁氧体磁心变压器，这使得研制和生产大中功率的超音频和高频感应加热电源成为可能。
现代感应加热电源就是指以各类功率晶体管，如MOSFET、IGBT等为功率器件的感应加热电源，也称为（全）固态感应加热电源。固态感应加热电源是针对老式晶闸管（SCR）和真空管感应加热电源来说的。
感应加热电源的频率范围很广，大致对频率低于10kHz以下的电源称为中频感应加热电源；频率为10～100kHz的称为超音频感应加热电源；频率高于100kHz的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。从目前IGBT感应加热电源的制造水平来看，国际上达到了1200kW／180kHz，我国为1000kW／50kHz MOSFET感应加热电源的制造水平，国际为2000kW／400kHz，我国为10～250kW／50～400kHz，1800kW／150kHz。
现代感应加热电源具有如下特点：
1）所涉及的电路基本理论变化不大，由于新型功率器件的问世，其电路及实现技术有了很快的发展。
2）功率整流及逆变电路的器件多采用模块器件代替单只功率器件。为了扩大输出功率，采用了功率器件的串联、并联或串并联。
3）控制电路及保护电路所采用的器件由原来主要采用晶体管等模拟器件而改为大量采用数字器件（如比较器、触发器、计数器、定时器、光隔离器锁相环等）；专用集成电路的采用也是现代感应加热电源的又一特点，如15～50kW／20～50kHz的MOSFET和IGBT电源广泛采用的集成PWM芯片SG3525及数字电位器；用于三相可控整流的相位控制与触发电路集成芯片TC787 TC788、CMOS-CD4536和MPU-1016可编程逻辑器件；集成芯片的采用简化了控制电路，提高了可靠性；比例积分（PI）电路、数字锁相环路频率自动跟踪电路、单片计算机技术的采用提高了控制品质及电源装置的性能，系统实现了智能控制。
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功率铁氧体应用于功率输出回路减少了损耗和电源体积等。
5）频率范围广（0.1～400kHz），覆盖了中频、超音频、高频的范围；输出功率（1.5～2000kW）可满足不同热处理工艺的要求。
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）整台装置结构紧凑，外形尺寸小，节省空间，与真空管电源相比可节省66％～84％。
8）保护电路完善，可靠性高。感应加热电源能够在工件碰触感应器、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：直流侧过电流交流侧过电流、断相保护、进线电压的过电压与欠电压保护、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、槽路电容过电压、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、机柜门与电源的联锁保护等。
9）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晶体管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为14kV左右。
正是由于固态感应加热电源体积小、低损耗、逆变器转换效率高、易控制和安全性好，已经完全取代了中频发电机机式电源，在某些领域也取代了真空管式感应加热电源。取代真空管式电源是一个系统工程，是否取代要做全面考虑，例如：感应加热工艺的要求、生产率、安全性、费用、可靠性及维护等从使用频率考虑，特别是高于450kHz的应用，真空管电源还有一席之地。就我国而言，真空管感应加热电源经过两个方面的技术改造还有相当数量的设备在继续使用。这两方面的改造是：①采用高压硅整流器代替（充汞）闸流管实现高压整流；②采用三相可控硅交流调压实现真空管阳压调节，从而实现输出功率的平滑调节。这就是典型的晶闸管交流调压—阳极变压器升压—高压硅整流器整流的电路结构。
感应加热电源是实现感应加热工艺要求的关键设备之一。它输出所需频率的交流电能给工件，以完成感应加热过程，达到所需的工艺要求。感应加热电源的电路结构框图如图2-1所示。图中，整流电路是三相整流或三相可控整流，它将50Hz交流电转换为直流电DC；逆变器（包括逆变桥和谐振回路）将DC转换为感应加热负载所需频率的交流电AC；控制电路为可控整流电路提供移相控制触发脉冲和为逆变电路提供驱动脉冲。uf为反馈信号电压，提供过电流及频率跟踪信号。
图2-1 感应加热电源的电路结构框图
感应加热电源按器件来分，可分为晶闸管（SCR）感应加热电源和功率晶体管型感应加热电源。晶闸管（SCR）感应加热电源又分为普通换流型SCR电源和可关断型SCR电源（包括GTO、SITH和MCT电源等）；功率晶体管型感应加热电源，包括MOSFET电源、IGBT电源等。本书将介绍负载换相式晶闸管中频电源及MOSFET电源和IGBT电源，它们是（全）固态感应加热电源。
图2-2 SCR、IGBT及MOSFET电源的功率和频率的对应关系
感应加热电源的功率和频率范围很广，图2-2所示为SCR、IGBT和MOSFET 电源的功率和频率的对应关系。可以看出，各种电源间有重叠区域，我们可以综合考虑后而加以选用
当今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加热热处理工艺的需求。不同的热处理工艺对频率、功率等的要求有所不同，图2-3所示为不同的感应加热热处理工艺的频率和功率的范围。
图2-3 不同的感应加热热处理工艺的频率和功率的范围
逆变器电路形式按直流电源供电的类型来分，有电压源逆变器和电流源逆变器；按谐振的相关组合，应用最多的电路形式是电流源并联谐振式逆变电路（见图2-4）和电压源串联谐振式逆变电路（见图2-5）。图中S1～S4为晶闸管（SCR）或功率晶体管开关器件（包括MOSFET和IGBT）。
电流源并联谐振式逆变电路非常适合于低阻抗感应器的应用场合，电压源串联式逆变电路非常适合于高阻抗感应器的应用场合。
图2-4 电流源并联谐振式逆变电路
图2-5 电压源串联谐振式逆变电路