感應加熱用電源技術(shù)是通過(guò)晶閘管或MOSFET或IGBT等電力半導體器件將工頻(50Hz)變換為中高頻的技術(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(diǎn)，所以在建材、冶金、國防、鐵道、石油等行業(yè)獲得了廣泛的應用。本文想追尋我國此領(lǐng)域的發(fā)展歷史，介紹其發(fā)展現狀，進(jìn)而探討其發(fā)展趨勢。
2 感應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(kāi)發(fā)研究期
縱觀(guān)我國感應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(kāi)發(fā)研究期、八十年代的成熟應用期、九十年代的大范圍推廣期、20世紀末期的提高性能期。
我國應用電力半導體器件研制感應加熱用中高頻電源的歷史可追溯到20世紀70年代，伴隨著(zhù)1963年我國第一只晶閘管的問(wèn)世，在1970年左右我國開(kāi)發(fā)出了快速晶閘管，1970年左右我國許多單位都開(kāi)始了晶閘管中頻熔煉爐的研究，可以說(shuō)二十世紀七十年代眾多單位參與的開(kāi)發(fā)研究期掀起了國內第一次中頻電爐熱。這一時(shí)期的中頻熱主要表現在從事這一領(lǐng)域研究和開(kāi)發(fā)的單位多，這個(gè)時(shí)期應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成的多塊控制板組成的插件箱結構，同時(shí)由于晶閘管制作工藝技術(shù)的限制，決定了主電路結構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)構成逆變橋臂，所應用快速晶閘管的數量為8只或12只，因而不可避免的伴隨著(zhù)快速晶閘管的均壓網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)應當看到這個(gè)時(shí)期一則由于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間不能太短，所以決定了中頻電爐的輸出頻率不能高；其二，由于快速晶閘管的動(dòng)態(tài)參數dv/dt和di/dt不是很高，導致了系統中限制dv/dt及di/dt的網(wǎng)絡(luò )龐大而復雜；第三，在此階段由于整個(gè)晶閘管可靠性還很不理想(當時(shí)國內戲稱(chēng)為可怕硅)，決定了這一階段中頻電源多是實(shí)驗室產(chǎn)品，工業(yè)中應用的還很少。
2.2 二十世紀八十年代的成熟應用期
到1980年之后，由于國產(chǎn)晶閘管制造工藝的長(cháng)足進(jìn)步，更由于改革開(kāi)放技術(shù)引進(jìn)我國晶閘管的可靠性獲得了很大的進(jìn)步，因而逐步感應加熱中頻爐已告別實(shí)驗室而進(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(guò)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雜控制技術(shù)。再應看到這一時(shí)期晶閘管中頻電源的起動(dòng)方案多為帶有專(zhuān)門(mén)充電環(huán)節的撞擊式起動(dòng)方案，且控制板為多塊小控制板構成的插件箱式結構。一般整個(gè)控制系統由十二塊控制板構成(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)負電源板、一個(gè)保護板、一個(gè)調節板)，還有這一時(shí)期快速晶閘管?chē)a(chǎn)水平關(guān)斷時(shí)間最快為35us左右，而阻斷電壓最高不超過(guò)1600V，通態(tài)平均電流最大為500A，由此決定了對功率容量超過(guò)350kW的感應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用期
經(jīng)歷了前述兩個(gè)時(shí)期，可以說(shuō)我國晶閘管中頻電源技術(shù)已較成熟。進(jìn)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(shí)間進(jìn)一步縮短，國產(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、外橋轉換起動(dòng)等方案，加之國內建筑業(yè)對鋼材的大量需求，促使1991年 ~1993年全國出現了第二次中頻熱，幾年時(shí)間內國內新增加了投入運行的幾萬(wàn)臺中頻電源，以至于很多用戶(hù)提款待貨，促使了感應加熱中頻電源在國內大范圍推廣使用，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35us左右降到25us左右，甚至20us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分為并聯(lián)和串聯(lián)兩種。
2.4 二十世紀末期的提高性能期
1998年之后，由于國內狠抓建筑質(zhì)量促使對小鋼廠(chǎng)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，促使國內開(kāi)發(fā)單機容量 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，如今國內已能生產(chǎn)單管電流容量達2000A、2500A的快速晶閘管元件，但關(guān)斷時(shí)間對1500A以上的晶閘管仍然很難降到20us以下，更為了解決大中頻電源的重爐起動(dòng)問(wèn)題，國內電力電子行業(yè)開(kāi)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。
再應該提到，為了解決電網(wǎng)的污染問(wèn)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，國內感應加熱用中變頻電源已在小容量領(lǐng)域從晶閘管設備向以IGBT和MOSFET為主功率器件的高頻電源過(guò)渡(工作頻率為20kHz~200kHz范圍)，并已批量投入工業(yè)生產(chǎn)中應用，但由于IGBT或MOSFET等器件應用技術(shù)在國內大多數企業(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 感應加熱用中高頻電源技術(shù)的現狀
我國感應爐用中高頻電源從無(wú)到有，經(jīng)過(guò)了上述的四個(gè)發(fā)展階段已在國內形成很大的規模，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成的多塊板結構，現多為集脈沖形成、保護、功率放大、脈沖整形于一體的單一大板結構(內含逆變橋的脈沖產(chǎn)生與功放和調節器)。
3．中頻電源中三相整流橋的晶閘管觸發(fā)脈沖產(chǎn)生已從應用同步變壓器，現場(chǎng)調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功能的觸發(fā)器過(guò)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)、內外橋轉換起動(dòng)過(guò)渡到掃頻起動(dòng)，其控制技術(shù)已從電壓或電流閉環(huán)調節進(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(hù)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(shí)間已達15us，與中頻電源配套的無(wú)感電阻高頻電容等制造技術(shù)得到了長(cháng)足的進(jìn)步，為晶閘管中頻電源的制作帶來(lái)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(lái)了極大的方便。
7．MOSFET和IGBT等全控型電力半導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，與IGBT及MOSFET配套的驅動(dòng)器和保護電路已系列化和標準化，給中高頻和超音頻感應加熱電源奠定了基礎和保證，帶來(lái)了極大的方便。
8．在國內單機容量在500kW以上的感應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(guò)8kHz，容量最大已超過(guò)4000kW，國內有些企業(yè)正在開(kāi)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(lái)說(shuō)還是很少，其單機容量在200kW以?xún)?，工作頻率基本上都在20kHz~200kHz范圍，超過(guò)20kHz的中高頻電源基本上都是應用 MOSFET，由于MOSFET到今仍然難以制作出同時(shí)滿(mǎn)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(lái)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構成逆變橋，再多個(gè)逆變橋并聯(lián)的；應特別注意兩種實(shí)現方法都有均流的問(wèn)題，后者不但有數個(gè)逆變器并聯(lián)均流的問(wèn)題，而且有數個(gè)逆變橋輸出同相位、同幅值并聯(lián)的問(wèn)題，同時(shí)這種方案造成控制系統有多個(gè)控制單元。
9．現中高頻感應加熱中頻電源的冷卻方式清一色為水冷卻，應用水壓繼電器的居多，存在著(zhù)水管堵死，水壓很高，但不能冷卻的問(wèn)題，這很容易造成器件的過(guò)熱損壞，所以保護方案總的來(lái)說(shuō)存在著(zhù)不足，應增加流量繼電器的保護與水壓繼電器配合使用。
4 感應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(huì )退出歷史舞臺，仍將壟斷大功率的中頻電源領(lǐng)域，將是10噸、12噸、20噸煉鋼或保溫，用中頻電源的主流設備。
2．小功率晶閘管中頻電源(功率容量小于1000kW)的將隨著(zhù)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(shí)間。
3．主功率器件為IGCT及GTO的感應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(kāi)激烈的競爭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，其單機容量將隨著(zhù)IGBT自身容量的不斷擴大而不斷擴大，并獲得越來(lái)越大的使用范圍。
5．高頻(頻率高于100kHz)領(lǐng)域的感應加熱電源將以MOSFET為主要器件，伴隨著(zhù)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用，其容量將不斷擴大。
6．感應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(lái)的漏水，水質(zhì)處理等不便，但這之間也許要經(jīng)過(guò)很長(cháng)的時(shí)間。
7．感應加熱用中頻電源的配套件將不斷進(jìn)步，更加標準化、更系列化，給高中頻電源的制造和維修帶來(lái)更大的方便。
8．感應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(lái)越高。
9．與感應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)，功率因數校正技術(shù)將獲得廣泛應用，并進(jìn)一步改善中高頻感應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)域獲得應用并填補我國至今沒(méi)有自行開(kāi)發(fā)應用這些器件制作的中高頻感應加熱電源的空白。
11．中高頻感應加熱電源的起動(dòng)方式，控制技術(shù)將再獲得突破，并進(jìn)一步提高這類(lèi)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用。

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