可控硅中频电炉和IGBT中频电炉比较

1. 前言

　　在我国的铸造界中，一般对配置可控硅(SCR)全桥并联逆变固体电源的中频感应电炉通常俗称为中频炉，而对配置IGBT半桥串联逆变固体电源的中频感应电炉通常俗称为变频炉(这个称呼并不确切，只是为了与配置可控硅全桥并联逆变器的中频炉相区别)，。由于这二种感应电炉的逆变供电电源不同，所以它们的工作性能也有很大的区别。下文将对它们的优缺点和适用范围作一简单比较，以使用户能够根据各自的工艺要求正确选择这二种不同类型的电炉，

　　2. 固体电源的各项性能比较

　　2.1 目前可以提供的上述二种产品规格

　　经过近几十年的发展，可控硅已成为一种非常成熟的电力半导体元件。目前国外著名的SCR制造商可以提供2700 A/2500 V等级的快速可控硅器件。在SCR并联逆变器中，并联补偿电容器和电炉的感应线圈自成振荡回路，流过可控硅的电流通常是电炉感应线圈电流的1/6—1/10(熔化负载)。因此SCR全桥并联逆变器通常可以做到更大的功率。现在生产的SCR全桥并联逆变固体电源的功率范围一般是160 ~ 3000 kW

　　IGBT(绝缘栅双极晶体管)是一种新型电力半导体器件，正处在成熟发展过程中。现在进入实用阶段的大电流IGBT的规格是1200 A/1200 V(德国进口)。在IGBT半桥串联逆变器中，补偿电容器与电炉的感应线圈串联，不能自成回路，电炉感应线圈的电流必须全部流过IGBT。在这种电路中，IGBT通常采用多个并联工作。但IGBT是一种快速开关器件，其关断时由于连接铜排电感的作用，会在IGBT上产生较高的关断过电压。这个过电压不能高于IGBT的额定耐压，否则会造成IGBT损坏。也就是说，连接铜排的电感限制了IGBT可并联的个数。因此，采用IGBT元件的半桥串联逆变固体电源在目前条件下尚不能达到很大的功率。 多数公司现在生产的IGBT半桥串联逆变固体电源的功率范围是50~ 1800 kW。

　　2.2 电网侧的功率因数和谐波干扰

　　电网侧的功率因数取决于整流电路的工作方式。对于三相桥式整流器而言，如果整流元件在受正向电压时始终开通(如二极管)，那么它的功率因数接近于1。如果整流元件在受正向电压一段时间后开通 (如受移相控制的可控硅)，那么功率因数等于控制角(120°- 导电角)的余弦函数。当控制角为0°时，功率因数接近于1，此时整流器的输出电压最高。当控制角逐步增大时，功率因数随之减小，整流器的输出电压也逐步降低。

　　对于SCR全桥并联逆变器，由于可控硅不能自己关断，SCR全桥并联逆变器必须工作在电炉电流的相位超前于电炉电压的相位状态，它依靠反向施加在可控硅上的电炉电压(或着补偿电容器的电压)使其关断。这个超前的相位角(超前时间)取决于可控硅的关断时间(20 ~ 50μs)，加上一定的安全余量，一般是不可调的。也就是说，SCR全桥并联逆变器本身不能调节输出功率。所以，它必须由SCR桥式整流器供电，依靠改变SCR桥式整流器的控制角来调节整流器的输出电压，从而调节输出功率。因此，当SCR全桥并联逆变器工作在额定输出功率时，其电网侧功率因数接近于1，而当输出功率减小时，其电网侧功率因数也相应地降低。

　　IGBT半桥串联逆变器的情况有所不同。IGBT元件可以由门极电压控制其开通或关断，在任何情况下只要其门极没有电压，IGBT元件就被关断。因此，IGBT半桥串联逆变器的工作频率可以任意改变。由串联谐振电路的工作原理可知，当工作频率改变时，电炉电压和电流的相位角随之改变，也就改变了送往电炉的功率。

　　所以，IGBT半桥串联逆变器可以通过调节工作频率来调节输出功率。它可以由固定的电压源供电，通常采用二极管三相桥式整流器，其电网侧功率因数接近于1，并与输出功率无关。

　　固体电源对电网的谐波干扰取决于整流电路的型式。对三相桥式整流器而言，无论是可控硅整流或二极管整流，都会产生5次，7次，11次和更高次的谐波电流，他们的大小分别是基波电流的1/5，1/7和1/11。

　
　　2.3 变换效率

　　变换效率是固体电源中频输出功率与工频输入功率之比。固体电源内部的损耗越小，则变换效率越高。

　　对于SCR全桥并联逆变器，其损耗一般包括整流可控硅损耗，滤波电感器损耗，逆变可控硅损耗，补偿电容器损耗和连接铜排损耗。其中滤波电感器损耗占的比例较大，因为滤波电感器通常由铜管绕制，必须有一定的圈数，受体积限制，铜管也不能太粗。

　　对于IGBT半桥串联逆变器，其损耗一般包括整流二极管损耗，滤波电容器损耗，逆变IGBT损耗，补偿电容器损耗和连接铜排损耗。其中IGBT的损耗占的比例较大，因为IGBT的导通压降大于可控硅的导通压降，通过IGBT的电流又是全部电炉电流，并且IGBT的数量较多。此外，IGBT半桥串联逆变器的连接铜排损耗也比同容量的SCR全桥并联逆变器大。这是因为前者的连接铜排长度和截面积都大于后者。

　　比较二台中等功率(1000 kW)的固体电源可以发现，SCR全桥并联逆变器和IGBT半桥串联逆变器具有几乎相等的变换效率。事实上，现代设计良好的固体电源(无论可控硅或IGBT)其变换效率一般都可达到97%以上。但是随着功率的增大，SCR全桥并联逆变器的变换效率会略高于IGBT半桥串联逆变器。原因是大功率的SCR全桥并联逆变器需要较小的滤波电感量(滤波电感器的铜重减少，铁重增加)，而IGBT半桥串联逆变器的长的大电流铜排会产生更大的损耗。

　　2.4 负载适应范围

　　一台熔化电炉将炉料从室温加热到熔化状态时，其感应线圈的阻抗变化范围通常可达到1.7：1。为了使固体电源在熔化过程中始终送出额定功率，固体电源负载适应能力必须满足电炉阻抗变化的要求。

　　如前文所述，SCR全桥并联逆变器是依靠调节整流控制角(即改变整流器的输出直流电压)来调节输出功率的，这就意味着固体电源的负载适应能力完全由整流器的电流余量决定。电流余量越大，负载适应能力越强。举例来说，一台1000 kW的SCR全桥并联逆变器，由三相575 V供电，整流器输出的最高直流电压是750 V，如果将直流电流限定在1330 A，那末只有当负载的等效直流电阻为0.56 Ω时，固体电源刚好输出额定功率。等效直流电阻变大或变小时，整流器将限压或限流，从而使输出功率下降。如果将直流电流限定在1600 A，那末当负载的等效直流电阻在0.39 ~ 0.56 Ω范围内变化时，固体电源都能输出额定功率。这时固体电源的负载适应范围为1.43：1。但是，由于受电源变压器和整流可控硅容量的限制，电流余量不能无限增加，所以一般的SCR全桥并联逆变器不能在整个熔化过程中始终送出额定功率。通常当炉料是冷态的时候，由于负载阻抗较小，整流器工作在限流状态，输出功率会小于额定功率。

　　我公司生产的SCR全桥并联逆变器采用了先进的微控制器控制技术，其逆变控制部分采用了人工智能控制程序。该程序在需要时可以在小范围内改变逆变器的逆变角(在可控硅关断时间允许范围内)，因此使SCR全桥并联逆变器具有了小范围调节负载等效直流电阻的能力，和整流器的电流余量相配合，使这种SCR全桥并联逆变固体电源具有接近恒功率输出的能力(不能完全达到)。

　　IGBT半桥串联逆变器具有良好的恒功率输出的能力，它可在整个熔化过程中始终输出额定功率。当电炉的负载阻抗变化时，它可以调节工作频率，从而使负载的等效直流电阻回到额定值。因为频率可以在很宽的范围内调节(阻抗匹配能力远大于电炉阻抗的变化范围)，从而在熔化过程中使负载的等效直流电阻一直固定在其额定值。因此，向IGBT半桥串联逆变器供电的整流器不需要有电流余量，这同时也减小了电源变压器的余量。

　　2.5 工作频率

　　相对于IGBT而言，可控硅属于慢速器件。要关断可控硅，必须使其承受一定时间的反向电压(如前文所述)。因此SCR全桥并联逆变器不适合工作在较高的频率上。通常使用快速可控硅的并联逆变器的工作频率一般不超过2500 Hz。因此SCR全桥并联逆变器不适合用作表面淬火电源。

　　IGBT是一种快速开关器件，其开通或关断时间通常小于2 μs。只要大电流铜排布局合理，关断过电压不超过其额定电压，IGBT半桥串联逆变器可以工作在很高的频率上。一般用于表面淬火的IGBT半桥串联逆变器的工作频率可以高达100 kHz。

　　2.6 器件的过流容量和过流保护

　　可控硅的过流容量比较大，一般在20 ms内允许有6倍于额定值的电流通过。

　　SCR全桥并联逆变器在直流通路上串联有滤波电感器。当可控硅直通短路时，这个电感器可以限制短路电流的增长速度。当过流保护动作使整流器被关闭后，滤波电感器限制峰值短路电流在允许的范围内，从而避免可控硅的损坏。同样以1000 kW的SCR全桥并联逆变器为例，其最高直流电压是750 V，额定工作电流是1330 A，滤波电感器的电感量是2 mH。当逆变可控硅短路时，直流电流的上升率由下式确定:

　　di/dt = Vdc /L (Vdc 是直流电压，L是电感量)

　　代入上面的数字可知直流电流的上升率是0.375 A/μs。

　　此时如果过流保护动作将整流可控硅的触发脉冲关闭，原来导通的二只整流可控硅最长将在6.6 mS后关断， 最大短路电流可由下式估算：

　　Imax = Idc + di/dt*t (Idc 是额定工作电流，t等于6.6 mS)

　　计算得到最大短路电流是2475 A。事实上，在短路保护期间，直流电压并非保持750 V不变，而是按正弦函数逐步上升然后再下降到零，实际最大短路电流将比上式计算的还要小。无论如何，这个最大短路电流远小于可控硅的允许短路电流。而且，在整流器的进线处一般都装有快速保险丝，如果过流保护电路不动作，10 ~ 20 mS后快速保险丝会烧断。因此，当SCR全桥并联逆变器出现可控硅直通短路故障时一般不会损坏可控硅元件。

　　IGBT的过流容量比较小。当IGBT直通短路时，其最大短路电流仅由IGBT门极电压决定，一般是其额定电流的6 ~ 10倍，IGBT承受短路电流的时间不能超过10 μs，否则会造成IGBT损坏。所以，与可控硅相比，IGBT是一种比较脆弱的器件。

　　IGBT半桥串联逆变器采用电容器作直流滤波，电容器和IGBT直接用铜排相联。当IGBT直通短路时，电流上升的速度非常快，一般在1 ~ 2 μs内电流就可上升到IGBT额定电流的6 ~ 10倍。过流保护电路必须在10 μs内关闭IGBT，否则就会造成IGBT损坏。所以在IGBT半桥串联逆变器中对过流检测和保护电路的要求非常高，这些电路必须快速动作，响应速度应控制在数微秒内。IGBT直通短路时，大电流快速通过直流母排时会产生很大的电磁干扰，保护电路还应有足够的抗干扰能力以保证动作正常。众所周知，在10 μs内快速保险丝是不可能被烧断的。

　　2.7 双向供电

　　SCR全桥并联逆变固体电源是通过调节整流器的直流电压来调节输出功率，所以一台整流器只能带一台逆变器工作。也就是说，一台SCR全桥并联逆变固体电源同一时刻只能向一台电炉供电。

　　IGBT半桥串联逆变固体电源是通过调节逆变器的工作频率来调节输出功率，整流器输出的直流电压是固定的。因此一台整流器可以同时带多个逆变器工作。在双向供电情况下，一台整流器同时向二台逆变器供电，可使二台电炉同时工作。

　　2.8 价格

　　相同功率的IGBT半桥串联逆变固体电源的价格通常比SCR全桥并联逆变固体电源的价格高20 ~ 30 %，当功率变大时价格差距将更加明显。价格的差异主要取决于二方面。一是IGBT半桥串联逆变固体电源采用电容器滤波，这些电容器的价格通常高于同功率的SCR全桥并联逆变固体电源使用的滤波电感器的价格。二是IGBT器件的价格约为相同规格的快速可控硅价格的一倍。此外，在半桥串联逆变器中IGBT要承受全部电炉电流。因此，同功率情况下IGBT的数量要明显多于可控硅。按现在国际市场行情，大电流IGBT器件的价格要明显高于二个一半电流IGBT器件价格之和，所以大功率的IGBT半桥串联逆变固体电源的价格与SCR全桥并联逆变固体电源相比差距会更大。

　　3. 电炉的性能比较

　　3.1 电效率

　　按照感应电炉的设计计算公式，感应器—炉料系统的电效率可由下式计算。

　　η=ρ2 · R2/R0

　　其中 η -- 电效率

　　ρ -- 感应器—炉料系统的偶合系数

　　R2 -- 炉料的电阻

　　R0 -- 感应器—炉料系统的单匝折合电阻

　　从上式可见，感应电炉的电效率仅取决与感应器—炉料系统自身，与固体电源的输出电压或逆变型式无关。设计良好的感应电炉的电效率通常可以达到75 %以上。

　　3.2 感应线圈的绝缘性能

　　SCR全桥并联逆变固体电源的额定输出电压一般控制在2000 V以内，所以它对感应线圈的表层绝缘没有特殊的要求。而IGBT半桥串联逆变固体电源为了减小通过IGBT的电流，一般将额定输出电压定的较高，通常在3000 V等级。这个电压等级要求感应线圈具有比较高的绝缘性能。这对制造厂通常不是问题，但在使用中如果感应线圈表面的绝缘破损，会增加用户维修的复杂程度。

　　4. 配套选用原则

　　综上所述，IGBT中频感应电炉的优点是恒功率输出，熔化速度快，能耗低，并且功率因数始终接近于1。可控硅中频感应电炉的优点是在能耗略高的基础上，设备造价低，工作稳定可靠，并且零配件的价格较低。用户在选型时应根据具体需要决定。

　　4.1 配套于感应熔化电炉

　　当电炉的功率在1500 kW以下时，如果需要高性能，能耗低，可以选择IGBT中频感应电炉。如果要求低价格，则可选择SCR全桥中频感应电炉。当电炉的功率在1500 kW以上时，通常应该选择SCR全桥中频感应电炉，它具有更高的稳定性和可靠性。对于熔化电炉而言，因为电炉经常工作在满功率状态，所以功率因数已不是主要问题。

　　如果需要双向供电，功率共享型电炉，则只能选择IGBT中频感应电炉，只有二个串联逆变器才可以共用一个整流器，实现功率共享。

　　4.2 配套于感应保温电炉

　　保温电炉的特点是炉内的存料量经常发生变化，时多时少。这就要求经常调节保温功率。在这种情况下应选择IGBT中频感应电炉，它的电网侧功率因数始终接近于1，而与输出功率无关。这样长期连续工作时可以减少供电线路和电源变压器的损耗。

　　4.3 配套于透热炉或表面淬火感应电炉

　　这二种电炉都应选择IGBT串联逆变固体电源。透热炉需要频繁启动，并且还需要恒定输出功率以保证工件的温度。小直径的透热炉和表面淬火电炉除了需要频繁启动外，更需要高的工作频率，这些要求只能由IGBT完成。