可控硅中頻電爐和IGBT中頻電爐比較

1. 前言

　　在我國的鑄造界中，一般對配置可控硅(SCR)全橋并聯逆變固體電源的中頻感應電爐通常俗稱為中頻爐，而對配置IGBT半橋串聯逆變固體電源的中頻感應電爐通常俗稱為變頻爐(這個稱呼并不確切，只是為了與配置可控硅全橋并聯逆變器的中頻爐相區別)，。由于這二種感應電爐的逆變供電電源不同，所以它們的工作性能也有很大的區別。下文將對它們的優缺點和適用范圍作一簡單比較，以使用戶能夠根據各自的工藝要求正確選擇這二種不同類型的電爐，

　　2. 固體電源的各項性能比較

　　2.1 目前可以提供的上述二種產品規格

　　經過近幾十年的發展，可控硅已成為一種非常成熟的電力半導體元件。目前國外著名的SCR制造商可以提供2700 A/2500 V等級的快速可控硅器件。在SCR并聯逆變器中，并聯補償電容器和電爐的感應線圈自成振蕩回路，流過可控硅的電流通常是電爐感應線圈電流的1/6—1/10(熔化負載)。因此SCR全橋并聯逆變器通?？梢宰龅礁蟮墓β省，F在生產的SCR全橋并聯逆變固體電源的功率范圍一般是160 ~ 3000 kW

　　IGBT(絕緣柵雙極晶體管)是一種新型電力半導體器件，正處在成熟發展過程中?，F在進入實用階段的大電流IGBT的規格是1200 A/1200 V(德國進口)。在IGBT半橋串聯逆變器中，補償電容器與電爐的感應線圈串聯，不能自成回路，電爐感應線圈的電流必須全部流過IGBT。在這種電路中，IGBT通常采用多個并聯工作。但IGBT是一種快速開關器件，其關斷時由于連接銅排電感的作用，會在IGBT上產生較高的關斷過電壓。這個過電壓不能高于IGBT的額定耐壓，否則會造成IGBT損壞。也就是說，連接銅排的電感限制了IGBT可并聯的個數。因此，采用IGBT元件的半橋串聯逆變固體電源在目前條件下尚不能達到很大的功率。 多數公司現在生產的IGBT半橋串聯逆變固體電源的功率范圍是50~ 1800 kW。

　　2.2 電網側的功率因數和諧波干擾

　　電網側的功率因數取決于整流電路的工作方式。對于三相橋式整流器而言，如果整流元件在受正向電壓時始終開通(如二極管)，那么它的功率因數接近于1。如果整流元件在受正向電壓一段時間后開通 (如受移相控制的可控硅)，那么功率因數等于控制角(120°- 導電角)的余弦函數。當控制角為0°時，功率因數接近于1，此時整流器的輸出電壓最高。當控制角逐步增大時，功率因數隨之減小，整流器的輸出電壓也逐步降低。

　　對于SCR全橋并聯逆變器，由于可控硅不能自己關斷，SCR全橋并聯逆變器必須工作在電爐電流的相位超前于電爐電壓的相位狀態，它依靠反向施加在可控硅上的電爐電壓(或著補償電容器的電壓)使其關斷。這個超前的相位角(超前時間)取決于可控硅的關斷時間(20 ~ 50μs)，加上一定的安全余量，一般是不可調的。也就是說，SCR全橋并聯逆變器本身不能調節輸出功率。所以，它必須由SCR橋式整流器供電，依靠改變SCR橋式整流器的控制角來調節整流器的輸出電壓，從而調節輸出功率。因此，當SCR全橋并聯逆變器工作在額定輸出功率時，其電網側功率因數接近于1，而當輸出功率減小時，其電網側功率因數也相應地降低。

　　IGBT半橋串聯逆變器的情況有所不同。IGBT元件可以由門極電壓控制其開通或關斷，在任何情況下只要其門極沒有電壓，IGBT元件就被關斷。因此，IGBT半橋串聯逆變器的工作頻率可以任意改變。由串聯諧振電路的工作原理可知，當工作頻率改變時，電爐電壓和電流的相位角隨之改變，也就改變了送往電爐的功率。

　　所以，IGBT半橋串聯逆變器可以通過調節工作頻率來調節輸出功率。它可以由固定的電壓源供電，通常采用二極管三相橋式整流器，其電網側功率因數接近于1，并與輸出功率無關。

　　固體電源對電網的諧波干擾取決于整流電路的型式。對三相橋式整流器而言，無論是可控硅整流或二極管整流，都會產生5次，7次，11次和更高次的諧波電流，他們的大小分別是基波電流的1/5，1/7和1/11。

　
　　2.3 變換效率

　　變換效率是固體電源中頻輸出功率與工頻輸入功率之比。固體電源內部的損耗越小，則變換效率越高。

　　對于SCR全橋并聯逆變器，其損耗一般包括整流可控硅損耗，濾波電感器損耗，逆變可控硅損耗，補償電容器損耗和連接銅排損耗。其中濾波電感器損耗占的比例較大，因為濾波電感器通常由銅管繞制，必須有一定的圈數，受體積限制，銅管也不能太粗。

　　對于IGBT半橋串聯逆變器，其損耗一般包括整流二極管損耗，濾波電容器損耗，逆變IGBT損耗，補償電容器損耗和連接銅排損耗。其中IGBT的損耗占的比例較大，因為IGBT的導通壓降大于可控硅的導通壓降，通過IGBT的電流又是全部電爐電流，并且IGBT的數量較多。此外，IGBT半橋串聯逆變器的連接銅排損耗也比同容量的SCR全橋并聯逆變器大。這是因為前者的連接銅排長度和截面積都大于后者。

　　比較二臺中等功率(1000 kW)的固體電源可以發現，SCR全橋并聯逆變器和IGBT半橋串聯逆變器具有幾乎相等的變換效率。事實上，現代設計良好的固體電源(無論可控硅或IGBT)其變換效率一般都可達到97%以上。但是隨著功率的增大，SCR全橋并聯逆變器的變換效率會略高于IGBT半橋串聯逆變器。原因是大功率的SCR全橋并聯逆變器需要較小的濾波電感量(濾波電感器的銅重減少，鐵重增加)，而IGBT半橋串聯逆變器的長的大電流銅排會產生更大的損耗。

　　2.4 負載適應范圍

　　一臺熔化電爐將爐料從室溫加熱到熔化狀態時，其感應線圈的阻抗變化范圍通?？蛇_到1.7：1。為了使固體電源在熔化過程中始終送出額定功率，固體電源負載適應能力必須滿足電爐阻抗變化的要求。

　　如前文所述，SCR全橋并聯逆變器是依靠調節整流控制角(即改變整流器的輸出直流電壓)來調節輸出功率的，這就意味著固體電源的負載適應能力完全由整流器的電流余量決定。電流余量越大，負載適應能力越強。舉例來說，一臺1000 kW的SCR全橋并聯逆變器，由三相575 V供電，整流器輸出的最高直流電壓是750 V，如果將直流電流限定在1330 A，那末只有當負載的等效直流電阻為0.56 Ω時，固體電源剛好輸出額定功率。等效直流電阻變大或變小時，整流器將限壓或限流，從而使輸出功率下降。如果將直流電流限定在1600 A，那末當負載的等效直流電阻在0.39 ~ 0.56 Ω范圍內變化時，固體電源都能輸出額定功率。這時固體電源的負載適應范圍為1.43：1。但是，由于受電源變壓器和整流可控硅容量的限制，電流余量不能無限增加，所以一般的SCR全橋并聯逆變器不能在整個熔化過程中始終送出額定功率。通常當爐料是冷態的時候，由于負載阻抗較小，整流器工作在限流狀態，輸出功率會小于額定功率。

　　我公司生產的SCR全橋并聯逆變器采用了先進的微控制器控制技術，其逆變控制部分采用了人工智能控制程序。該程序在需要時可以在小范圍內改變逆變器的逆變角(在可控硅關斷時間允許范圍內)，因此使SCR全橋并聯逆變器具有了小范圍調節負載等效直流電阻的能力，和整流器的電流余量相配合，使這種SCR全橋并聯逆變固體電源具有接近恒功率輸出的能力(不能完全達到)。

　　IGBT半橋串聯逆變器具有良好的恒功率輸出的能力，它可在整個熔化過程中始終輸出額定功率。當電爐的負載阻抗變化時，它可以調節工作頻率，從而使負載的等效直流電阻回到額定值。因為頻率可以在很寬的范圍內調節(阻抗匹配能力遠大于電爐阻抗的變化范圍)，從而在熔化過程中使負載的等效直流電阻一直固定在其額定值。因此，向IGBT半橋串聯逆變器供電的整流器不需要有電流余量，這同時也減小了電源變壓器的余量。

　　2.5 工作頻率

　　相對于IGBT而言，可控硅屬于慢速器件。要關斷可控硅，必須使其承受一定時間的反向電壓(如前文所述)。因此SCR全橋并聯逆變器不適合工作在較高的頻率上。通常使用快速可控硅的并聯逆變器的工作頻率一般不超過2500 Hz。因此SCR全橋并聯逆變器不適合用作表面淬火電源。

　　IGBT是一種快速開關器件，其開通或關斷時間通常小于2 μs。只要大電流銅排布局合理，關斷過電壓不超過其額定電壓，IGBT半橋串聯逆變器可以工作在很高的頻率上。一般用于表面淬火的IGBT半橋串聯逆變器的工作頻率可以高達100 kHz。

　　2.6 器件的過流容量和過流保護

　　可控硅的過流容量比較大，一般在20 ms內允許有6倍于額定值的電流通過。

　　SCR全橋并聯逆變器在直流通路上串聯有濾波電感器。當可控硅直通短路時，這個電感器可以限制短路電流的增長速度。當過流保護動作使整流器被關閉后，濾波電感器限制峰值短路電流在允許的范圍內，從而避免可控硅的損壞。同樣以1000 kW的SCR全橋并聯逆變器為例，其最高直流電壓是750 V，額定工作電流是1330 A，濾波電感器的電感量是2 mH。當逆變可控硅短路時，直流電流的上升率由下式確定:

　　di/dt = Vdc /L (Vdc 是直流電壓，L是電感量)

　　代入上面的數字可知直流電流的上升率是0.375 A/μs。

　　此時如果過流保護動作將整流可控硅的觸發脈沖關閉，原來導通的二只整流可控硅最長將在6.6 mS后關斷， 最大短路電流可由下式估算：

　　Imax = Idc + di/dt*t (Idc 是額定工作電流，t等于6.6 mS)

　　計算得到最大短路電流是2475 A。事實上，在短路保護期間，直流電壓并非保持750 V不變，而是按正弦函數逐步上升然后再下降到零，實際最大短路電流將比上式計算的還要小。無論如何，這個最大短路電流遠小于可控硅的允許短路電流。而且，在整流器的進線處一般都裝有快速保險絲，如果過流保護電路不動作，10 ~ 20 mS后快速保險絲會燒斷。因此，當SCR全橋并聯逆變器出現可控硅直通短路故障時一般不會損壞可控硅元件。

　　IGBT的過流容量比較小。當IGBT直通短路時，其最大短路電流僅由IGBT門極電壓決定，一般是其額定電流的6 ~ 10倍，IGBT承受短路電流的時間不能超過10 μs，否則會造成IGBT損壞。所以，與可控硅相比，IGBT是一種比較脆弱的器件。

　　IGBT半橋串聯逆變器采用電容器作直流濾波，電容器和IGBT直接用銅排相聯。當IGBT直通短路時，電流上升的速度非?？?，一般在1 ~ 2 μs內電流就可上升到IGBT額定電流的6 ~ 10倍。過流保護電路必須在10 μs內關閉IGBT，否則就會造成IGBT損壞。所以在IGBT半橋串聯逆變器中對過流檢測和保護電路的要求非常高，這些電路必須快速動作，響應速度應控制在數微秒內。IGBT直通短路時，大電流快速通過直流母排時會產生很大的電磁干擾，保護電路還應有足夠的抗干擾能力以保證動作正常。眾所周知，在10 μs內快速保險絲是不可能被燒斷的。

　　2.7 雙向供電

　　SCR全橋并聯逆變固體電源是通過調節整流器的直流電壓來調節輸出功率，所以一臺整流器只能帶一臺逆變器工作。也就是說，一臺SCR全橋并聯逆變固體電源同一時刻只能向一臺電爐供電。

　　IGBT半橋串聯逆變固體電源是通過調節逆變器的工作頻率來調節輸出功率，整流器輸出的直流電壓是固定的。因此一臺整流器可以同時帶多個逆變器工作。在雙向供電情況下，一臺整流器同時向二臺逆變器供電，可使二臺電爐同時工作。

　　2.8 價格

　　相同功率的IGBT半橋串聯逆變固體電源的價格通常比SCR全橋并聯逆變固體電源的價格高20 ~ 30 %，當功率變大時價格差距將更加明顯。價格的差異主要取決于二方面。一是IGBT半橋串聯逆變固體電源采用電容器濾波，這些電容器的價格通常高于同功率的SCR全橋并聯逆變固體電源使用的濾波電感器的價格。二是IGBT器件的價格約為相同規格的快速可控硅價格的一倍。此外，在半橋串聯逆變器中IGBT要承受全部電爐電流。因此，同功率情況下IGBT的數量要明顯多于可控硅。按現在國際市場行情，大電流IGBT器件的價格要明顯高于二個一半電流IGBT器件價格之和，所以大功率的IGBT半橋串聯逆變固體電源的價格與SCR全橋并聯逆變固體電源相比差距會更大。

　　3. 電爐的性能比較

　　3.1 電效率

　　按照感應電爐的設計計算公式，感應器—爐料系統的電效率可由下式計算。

　　η=ρ2 · R2/R0

　　其中 η -- 電效率

　　ρ -- 感應器—爐料系統的偶合系數

　　R2 -- 爐料的電阻

　　R0 -- 感應器—爐料系統的單匝折合電阻

　　從上式可見，感應電爐的電效率僅取決與感應器—爐料系統自身，與固體電源的輸出電壓或逆變型式無關。設計良好的感應電爐的電效率通?？梢赃_到75 %以上。

　　3.2 感應線圈的絕緣性能

　　SCR全橋并聯逆變固體電源的額定輸出電壓一般控制在2000 V以內，所以它對感應線圈的表層絕緣沒有特殊的要求。而IGBT半橋串聯逆變固體電源為了減小通過IGBT的電流，一般將額定輸出電壓定的較高，通常在3000 V等級。這個電壓等級要求感應線圈具有比較高的絕緣性能。這對制造廠通常不是問題，但在使用中如果感應線圈表面的絕緣破損，會增加用戶維修的復雜程度。

　　4. 配套選用原則

　　綜上所述，IGBT中頻感應電爐的優點是恒功率輸出，熔化速度快，能耗低，并且功率因數始終接近于1?？煽毓柚蓄l感應電爐的優點是在能耗略高的基礎上，設備造價低，工作穩定可靠，并且零配件的價格較低。用戶在選型時應根據具體需要決定。

　　4.1 配套于感應熔化電爐

　　當電爐的功率在1500 kW以下時，如果需要高性能，能耗低，可以選擇IGBT中頻感應電爐。如果要求低價格，則可選擇SCR全橋中頻感應電爐。當電爐的功率在1500 kW以上時，通常應該選擇SCR全橋中頻感應電爐，它具有更高的穩定性和可靠性。對于熔化電爐而言，因為電爐經常工作在滿功率狀態，所以功率因數已不是主要問題。

　　如果需要雙向供電，功率共享型電爐，則只能選擇IGBT中頻感應電爐，只有二個串聯逆變器才可以共用一個整流器，實現功率共享。

　　4.2 配套于感應保溫電爐

　　保溫電爐的特點是爐內的存料量經常發生變化，時多時少。這就要求經常調節保溫功率。在這種情況下應選擇IGBT中頻感應電爐，它的電網側功率因數始終接近于1，而與輸出功率無關。這樣長期連續工作時可以減少供電線路和電源變壓器的損耗。

　　4.3 配套于透熱爐或表面淬火感應電爐

　　這二種電爐都應選擇IGBT串聯逆變固體電源。透熱爐需要頻繁啟動，并且還需要恒定輸出功率以保證工件的溫度。小直徑的透熱爐和表面淬火電爐除了需要頻繁啟動外，更需要高的工作頻率，這些要求只能由IGBT完成。