在熱加工領(lǐng)域中的應(yīng)用多頻段IGBT感應(yīng)加熱設(shè)備

鄭州科創(chuàng)電子有限公司（以下簡稱“科創(chuàng)”）主要從事串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱設(shè)備及配套設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)與銷售，產(chǎn)品涉及各種數(shù)控淬火機床和專用機床，熱加工中自動上下料系統(tǒng)及翻料系統(tǒng)，智能中央控制系統(tǒng)（具備數(shù)據(jù)記錄的能量監(jiān)控系統(tǒng)以及紅外測溫控制系統(tǒng)），IGBT感應(yīng)加熱電源（頻率0.1～500kHz，功率8～1000kW）等。本文主要探討多頻段IGBT感應(yīng)加熱設(shè)備在熱加工領(lǐng)域中的應(yīng)用。

一、IGBT串聯(lián)諧振技術(shù)的優(yōu)勢

1.節(jié)能省電

經(jīng)過多年的比對發(fā)現(xiàn)，IGBT串聯(lián)諧振技術(shù)比電子管設(shè)備節(jié)電40%～60%，比晶閘管設(shè)備節(jié)電20%～30%，比并聯(lián)IGBT設(shè)備節(jié)電10%～15%，其節(jié)能省電的優(yōu)勢符合國家當(dāng)前的節(jié)能減排政策的導(dǎo)向。

串聯(lián)諧振主電路中電感和線圈是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，而并聯(lián)諧振則是電感和線圈為并聯(lián)結(jié)構(gòu)。根據(jù)推導(dǎo)，并聯(lián)諧振回路的損耗是串聯(lián)諧振回路損耗的25倍左右。目前國家電網(wǎng)在輸電時采用高壓輸電方式，因為使用低壓輸電線路上損耗較大。串聯(lián)諧振技術(shù)與高壓輸電原理類似，采用的同樣是高電壓、小電流、低損耗的功率輸送方式。而并聯(lián)諧振技術(shù)的輸電就相當(dāng)于低壓輸電。

2.可靠性高

逆變器在工作中需要以諧振頻率進行電流和電壓換向，將直流電源轉(zhuǎn)換為高頻交流電源。普通逆變器的電流換向和電壓換向之間存在相位差，功率因數(shù)低，無功損耗較大?？苿?chuàng)通過使用第四代ZCT技術(shù)（見圖1），使得電流換向和電壓換向之間的相位差為零，器件承受的電流電壓沖擊很小，在全功率范圍內(nèi)都具有很高的功率因數(shù)，有效地節(jié)省能量，并且大大提高了設(shè)備穩(wěn)定性。

圖1

3.控制精度高

普通感應(yīng)加熱技術(shù)采用的功率控制技術(shù)——晶閘管整流技術(shù)，該項技術(shù)的缺點是響應(yīng)慢，深控下?lián)Q流過程中電流容易出現(xiàn)畸變，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低，對電網(wǎng)污染嚴重。

科創(chuàng)采用真正的全固態(tài)IGBT調(diào)功及變流控制技術(shù)，采用獨有的IGBT軟開關(guān)高頻斬波以及非晶態(tài)濾波進行功率調(diào)節(jié)，以及高速精準(zhǔn)的軟開關(guān)IGBT逆變控制，實現(xiàn)0.1～500kHz、8～1000kW產(chǎn)品化應(yīng)用。采用科創(chuàng)雙調(diào)控變流控制技術(shù)即功率和變頻獨立調(diào)控，用高頻斬波調(diào)功技術(shù)替代傳統(tǒng)的晶閘管調(diào)功技術(shù)，實現(xiàn)微秒級的控制，極大地實現(xiàn)功率輸出的快速調(diào)節(jié)及穩(wěn)定，輸出紋波極小，振蕩電流平穩(wěn)。在電網(wǎng)電壓波動時保證感應(yīng)加熱中被加工工件的溫度穩(wěn)定性。

4.負載匹配廣

使用諧振變壓器負載匹配技術(shù)，使得感應(yīng)加熱電源能夠在加熱不同工件時都能夠輸出額定功率，達到快速加熱的目的。

由于串聯(lián)諧振匹配變壓器輸入電壓高，變比多，因此負載匹配范圍廣。以500kW為例，使用同一臺匹配變壓器，能夠帶載單匝感應(yīng)器范圍可以達到φ20～φ1200mm，正常負載情況下都能輸出額定功率。

對于定點加熱領(lǐng)域，工件低溫和高溫下磁導(dǎo)率不同，對應(yīng)于電源的負載也不同。傳統(tǒng)感應(yīng)加熱電源的輸出功率隨工件溫度變化而變化，不能始終輸出最大功率，加熱效率較低。使用可調(diào)節(jié)的多變比變壓器，可以大大改善電源的匹配負載范圍，電源能夠在不同溫度變化情況下而均保持較大輸出功率，實現(xiàn)快速加熱。

5.組合式設(shè)計

采用頻率自動跟蹤電路，啟動成功率可達100%?？苿?chuàng)通過將感應(yīng)加熱設(shè)備功率、頻率、負載進行模塊化組合，成為一拖一單頻、一拖一雙頻、一拖二單頻、一拖二雙頻等多種不同組合產(chǎn)品，更大限度地發(fā)揮設(shè)備使用效率。

科創(chuàng)產(chǎn)品采用成套設(shè)備模塊化設(shè)計，如各種頻段的感應(yīng)加熱電源、數(shù)控機床、機器人上下料系統(tǒng)、能量補償監(jiān)控系統(tǒng)、紅外控溫系統(tǒng)、閉式水冷卻設(shè)備等模塊，靈活組合，大大方便了客戶使用感應(yīng)加熱設(shè)備，擴展了感應(yīng)加熱應(yīng)用領(lǐng)域，節(jié)約了客戶財力成本及人力成本。

串聯(lián)諧振技術(shù)在透熱、釬焊、熔煉等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，在感應(yīng)熱處理工藝中也被眾多企業(yè)應(yīng)用。由于IGBT串聯(lián)諧振技術(shù)在應(yīng)用中表現(xiàn)出來的諸多優(yōu)勢，因此串聯(lián)諧振技術(shù)將會成為感應(yīng)熱處理應(yīng)用的發(fā)展趨勢。

先進IGBT串聯(lián)技術(shù)還具備其他優(yōu)勢，如控制功能齊全，外部接口豐富，無污染，以及占地面積小等。

科創(chuàng)IGBT全固態(tài)電源技術(shù)已經(jīng)逐步成熟并系列化。低頻段取代晶閘管電源，高頻段取代電子管式高頻電源是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。目前，我國提出以實現(xiàn)節(jié)能減排為目標(biāo)，建設(shè)現(xiàn)代化企業(yè)，熱加工領(lǐng)域甚至包括傳統(tǒng)軍工單位，生產(chǎn)力升級后都在逐步淘汰老設(shè)備，采用新式IGBT電源作為首選的感應(yīng)加熱設(shè)備，以達到節(jié)能減排的目的?？苿?chuàng)IGBT感應(yīng)加熱設(shè)備已經(jīng)廣泛用于汽車零部件、航天、航空、新能源等領(lǐng)域。

二、IGBT串聯(lián)諧振技術(shù)典型應(yīng)用案例

1.石油鉆桿、銷軸調(diào)質(zhì)自動生產(chǎn)線

設(shè)備配置：IGBT串聯(lián)諧振電源，自動控制系統(tǒng)，自動上下料進料系統(tǒng)，淬回火冷卻系統(tǒng)，水冷系統(tǒng)。表1是銷軸淬火工藝數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

表 1

圖2是現(xiàn)場應(yīng)用照片，兩個感應(yīng)器，工件溫度非常均勻。與傳統(tǒng)的感應(yīng)加熱相比，加熱快速，節(jié)能效果明顯。

圖2

2.鋸條（鋼帶）淬火生產(chǎn)線

莆田一家客戶所購科創(chuàng)的淬火生產(chǎn)線應(yīng)用于鋸條熱處理，鋸片厚度1.5mm左右，要求加熱溫度均勻、加熱快速、節(jié)能效果明顯。該公司用感應(yīng)加熱做預(yù)備熱處理+馬弗爐保溫+感應(yīng)加熱設(shè)備做回火預(yù)熱+馬弗爐回火保溫，氮氣冷卻。表2是加熱數(shù)據(jù)統(tǒng)計表。

表 2

3.砼泵管內(nèi)壁淬火生產(chǎn)線

圖3是科創(chuàng)為國內(nèi)一家上市公司做的砼泵管內(nèi)壁淬火生產(chǎn)線代替原電子管老式加熱設(shè)備，表現(xiàn)出來的優(yōu)勢是節(jié)能效果明顯，加熱快速均勻，設(shè)備可靠性高。表3為該砼泵管內(nèi)壁淬火生產(chǎn)線與原有設(shè)備參數(shù)對比。

圖3

表 3

4.雙工位軸類熱處理加工中心

該熱處理中心采用兩臺獨立的數(shù)控系統(tǒng)，優(yōu)勢是雙工位效率高，兩個工位可單獨設(shè)定熱處理工藝，結(jié)構(gòu)緊湊節(jié)約空間。

5.雙工位自動上下料熱處理中心

該中心結(jié)構(gòu)是中間為機械手，兩邊為兩臺臥式淬火機床，中間位可集中儲料，兩邊臥式淬火機床可以靈活組合，可以完成一種工件兩邊同時加工，也可以一種工件的兩個工序分左右進行。優(yōu)勢就是機器手自動上下料，結(jié)構(gòu)緊湊效率高，適合盤類、軸類等。

另外，科創(chuàng)還有自動化程度高、高精度工藝質(zhì)量控制、生產(chǎn)效率高、節(jié)約人力的短軸自動淬火專用機床；雙工位控制集成化、生產(chǎn)效率高、設(shè)備可靠性高、節(jié)約人力成本的雙工位盤式淬火機床；效率高、工藝質(zhì)量高、設(shè)備可靠性高的鏈板鏈軌節(jié)淬火生產(chǎn)線；效率高、工藝質(zhì)量高、定位精度可靠軸承圈內(nèi)壁淬火機床；效率高、加熱均勻、操作簡單可靠的鋼板加熱流水線；速度快、工件一致性好、設(shè)備可靠性高的錘面淬火生產(chǎn)線；組合靈活、一機多用、操作簡單可靠的組合盤式立式淬火機床；生產(chǎn)效率高、工件一致性好、占地面積小的三工位退火機床；淬硬層仿形均勻、效率高、操作簡單速度快、復(fù)合磁場加熱的齒條齒面專用淬火機床。

圖4為配有200kW、8kHz IGBT中頻感應(yīng)加熱電源，工件淬火仿形效果好，淬火層均勻（2mm）的球頭銷淬火案例。

圖4

圖5為外滾道淬火生產(chǎn)線案例：200k W、40kHz IGBT超音頻感應(yīng)加熱電源，滾道面淬火均勻，工件變形量小。

圖5

圖6為內(nèi)滾道淬火生產(chǎn)案例：設(shè)備配置為100kW、150kHz IGBT高頻電源，內(nèi)滾道專用機床，閉式水冷系統(tǒng)，能量監(jiān)控系統(tǒng)。滾道面淬火均勻，淬硬層淺，工件變形量小。

圖6

圖7為齒圈內(nèi)齒單齒淬火專用機床案例：配有160kW、10kHz IGBT中頻感應(yīng)加熱電源，分度機床控制，自動化程度高，淬火均勻，工件變形量小。

圖7

另外，科創(chuàng)還成功開發(fā)出刀片刃口在線式淬火回火生產(chǎn)線，其設(shè)備配置：淬火使用16kW、250kHz IGBT超高頻電源，回火使用40kW、40kHz IGBT超音頻電源，刀片收放線傳送裝置；刃口淬火均勻、速度快、淬回火在線式一體完成的鋸條刃口連續(xù)淬火生產(chǎn)線。在鍛打透熱領(lǐng)域中有能耗低、加熱到1100℃噸耗電320kW·h，匹配范圍寬的加熱機床，例如φ100mm的爐膛加熱φ50～φ100mm的棒料都能達到最佳效果，占地面積小，操作方便。

三、IGBT串聯(lián)諧振技術(shù)的發(fā)展方向

目前科創(chuàng)已經(jīng)成功組合多套設(shè)備，將感應(yīng)加熱電源、自動化機床、自動上下料機器人完美組合，大大提高了機械行業(yè)的感應(yīng)熱加工領(lǐng)域的自動化程度。隨著感應(yīng)加熱電源的外控功能多樣化，自動化機床的智能化發(fā)展，未來熱加工領(lǐng)域?qū)絹碓蕉嗟貞?yīng)用機床自動上下料系統(tǒng)。機器人將會替代人工作業(yè)，完成工件在機床上的上料、下料甚至碼垛等工作。能量監(jiān)控系統(tǒng)和溫度監(jiān)控系統(tǒng)將會替代人工判斷加工工件的熱處理工藝是否合格，熱處理過程是否有異常情況發(fā)生，并且對加工工件進行分選等工作。未來感應(yīng)加熱在熱加工領(lǐng)域的智能化程度將會進一步提高，并向無人化方向發(fā)展。

IGBT串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源向更智能化方向發(fā)展。計算機技術(shù)、DSP智能控制芯片和FPGA等的發(fā)展都為感應(yīng)加熱電源智能化提供了堅實的基礎(chǔ)。具有計算機智能接口遠程控制、故障自動診斷等控制性能的感應(yīng)加熱電源成為發(fā)展方向。

隨著新型元器件的發(fā)展，感應(yīng)加熱電源正朝著大功率和高頻率相統(tǒng)一的方向發(fā)展。大功率開關(guān)元器件進一步降低損耗，以及更大功率、更高頻率的軟開關(guān)技術(shù)的研究也是發(fā)展方向，未來新型軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用將會更加廣泛。