3．1 产品概况

3．1．1产品介绍

IGBT全数字高效变频感应电炉使用的晶体管是具有自关断电能力的电子功率器件，它开关频率高，损耗小，配以完善智能化的保护驱动电路，实现了小体积、大功率和高效率，是当今国际上优先发展的可控开关功率器件。这一新的技术革命巨大地推动了人类的生产力的发展。经过多年努力，IGBT高效变频感应炉用电源相继研制成功。IGBT高效变频感应炉用电源，将传统模拟中频感应电源控制方式提升为数字式控制。它与传统中频炉相比，占地面积小，能耗低，维护简单，同时提高了劳动生产率，降低了劳动强度。同时由于无水耗，降低了废水处理费用，节约水源，保护环境，节约基本建设投资等，从而带来了良好的社会效益。

目前，该产品技术处于国际领先地位，国内仅有无锡环湖电炉厂研制生产，但其技术落后于我公司产品技术，且营销方式单一，管理方式陈旧，没有申请专利。我公司研发的IGBT全数字变频感应电炉已经通过成都电子学会专家组论证，成都市科委立项，并已申请技术专利。

该产品广泛用于精炼钢铁，也可用于熔炼铜、铝等有色金属。我公司与四川成套设备厂建立战略联盟，并签订了产品技术保密协议书。该产品核心技术部分元件——中央控制板由我公司建厂生产，其他大部分元件采取外购，整套电炉加工组装由四川成套设备厂完成。

我公司已组织技术力量研发新产品，进一步降低能耗，降低整机成本，并积极研制适应力更强的电炉，从而始终保持领先地位，甩开竞争对手，规避市场风险。

3．1．2技术特点

经国内外考查、分析、专家论证及初步试验，我公司提出了IGBT高效变频感应炉的电源系统方案，该系统是晶体管均质型场效应绝缘栅双极晶体管，与可控硅相比有许多优点。可控硅没有加负门极信号而使之关断的能力，因此采用电路的结构和模式都较为复杂的换向电路来实现可控的关断，从而装置的体积庞大，结构复杂，效率较低。而IGBT晶体管是20世纪90年代较为成熟的具有自关断能力的电子功率器件，它开关频率高，损耗小，配以完善智能化的保护驱动电路，实现了小体积，大功率和高效率，是当今国际上优先发展的可控开关功率器件。

IGBT高效变频感应炉的电源系统是以交流－直流－交流为基本形式，主电路结构以IGBT串联谐振全桥逆变电路为架构，辅以先进的现代控制技术而形成的整体控制系统。如图3—1所示，它的基本特征如下：

图3－1  IGBT变频感应电炉主电源电路

1．IGBT高效变频感应炉由于采用串联逆变电路，故流经感应器中的电流近似等于有功电流。较小，在感应器中造成的电损耗较小，经实践证明感应炉的电效率可达97%以上，与可控硅感应炉相比，该项节能达30%左右。

2．IGBT串联谐振电路所需补偿电容较之可控硅并联结构大为减少，并且由于采用了国际上先进的新型电容结构损耗很小，体积也很小，不用过去那样专门的电容架，设计时一体化放入电源柜，使电源系统的占地面积只及过去的1/12，方便了安装。同时该项节省的能源，达过去传统电补偿电路损耗的85%之多。

3．IGBT串联谐振逆变电路的输出特性，由于采用了现代控制技术，从而做到了从冷料轻负载到熔化重负载，全过程的满功率冶炼，极大地提高了设备运行效率，缩短了熔炼时间，减少了热损失，提高了劳动生产率。

4．IGBT串联逆变电路中，由于IGBT是自关断器件，无需依赖于负载的反压进行换向，因此逆变电路可以工作在谐振状态下，逆变器可以工作在较高的功率因数下，并实现零电流开通与关断，安全可靠效率高。

5．IGBT串联逆电路采用了恒压源供电方式，无需滤波电感保持电流连续，控制电压保证了可靠换流。由于器件本身反并联二极管的存在可靠续流，换向时间短，效率高，可在较高的频率下工作。

6．IGBT串联逆电路采用现代控制技术，上、下管开通留有稳定的死区，并设计了各种保护措施，避免产生直通短路现象，大大地提高了可靠性，可以做到长期无故障运行。同时设计了集成单一大密度控制板结构，维护极其简单。

7．IGBT高效变频电路，可以任意工作在他激或自激状态下，无需附加启动电路，不存在启动失败的问题，因此操作极其简单，体积小巧，易于掌握，无需专门人员，可以在任意条件下频繁启动。

8．IGBT串联逆电路输入部分为恒压源供电方式，整流部分采用不控全桥整流，使用了大的滤波电容，使三相工频输入电流保持为正弦波，而中频谐波电流在大滤波电容的情况下全部被旁路。由于采用不控整流，没有换向缺口，对电网基本无干扰。

9．IGBT串联谐振电路，由于采用不控整流，当三相整流全桥每两对二极管导通时，大容量的滤波电容直接并联到输入线电压的端子上，故整流因数较高。

10．IGBT高效变频电源由于损耗下降，体积较小，经过周密设计严格考核，采用风冷方式散热，减少了冷却水的消耗，保护了环境，也消除了水冷方式下的检查与维护，减少了冬天放水的麻烦，整机的可靠性进一步提高。

通过上面十个方面的综合比较，可以看到，由于人类科技的进步，新的电子器件的出现，加上精心设计，使得IGBT感应炉在高效、节能、高可靠、占地面积小、安装方便、操作简便等方面上了一个新的高度。在为用户减少电耗，降低安装维修费用方面做出贡献的同时，有效率比过去提高三倍，也就是说降低了单位产品的人工费用摊销，相当于用现在一台设备的钱，购买了原来三台设备，并只需要一套设备的人工。据粗略计算，就生产普碳钢而言，用新型IGBT电炉与相当于传统设备吨钢综合成本相比可降低200元左右。图3．1为新型IGBT电炉的主电源电路。

传统中频炉与IGBT全数字变频感应电炉熔炼时间比较，如图3—2所示。

图3-2 IGBT全数字变频感应电炉与传统中频炉熔炼时间比较

总之，由于系统方案的先进合理，加之精心制作，严格试验，该项目研制成功后，不仅能使企业获得高水平的科技成果、降低产品成本、增加效益，还可填补我国在该领域的空白，向国内外提供高性能、高可靠性的智能化的中频电源设备，为降耗节能做出贡献。这是有着很大社会效益和经济效益的项目。

3.2市场调研与分析

3.2.1行业概况

目前，推广应用的晶闸管电源存在效率低、能耗高、操作维修不方便等问题，专家们为此曾做了大量工作。目前美国、德国研制的IGBT变频电源基本解决了这些问题。因此，国外很多相关大公司都投入了大量的人力、物力，尽快把这一成果转化成定型系统产品，抢先占领国际市场。而国内，该电源尚处在实验室试验阶段，仅有的无锡环湖电炉厂研制的IGBT变频感应电源，虽受用户欢迎，但要进一步完善并实现全数字化高效、节能等先进技术水平，还需解决很多关键技术问题。因此，为了满足重要的基础工业——机械工业及国民经济发展的需要，IGBT变频感应电源取代现有的晶闸管中频电源是必然的趋势，我们必须尽快开发研制这一项目，这是时代赋予我们的使命。

早期的感应炉领域配套的电源是中频发电机组，这种设备体积庞大，效率低，能耗高，设备造价高，占地面积大，还有较大的运行噪声。20世纪70年代，SCR晶闸管静止变频电源开始在我国应用，逐步代替了中频发电机组。由于它克服了中频机组的一些固有缺点，体现了极强的市场生命力，成为中频感应炉领域无可争议的主导产品，为冶炼浇铸这个领域做出了不可磨灭的贡献。传统的可控硅中频电源主电路图，如图3—3所示。

图3-3传统的可控硅中频电源主电路图

二十多年来这一领域的专家并没有停止对该结构形式的改进和完善，围绕提高效率、操作的方便性、可靠性，做了大量的工作。诸如控制系统的集成化，零电压启动等，使得这一以晶闸管调压整流、并联送变输出电路为结构框架的SCR晶闸管中频电源有了较大的进步。但几十年的实践证明这种结构仍有一些固有的缺点无法克服，在效率、可靠性、操作的方便性等方面均没有本质的改善，对用户来说直接的感觉就是操作不便，易出故障，电耗高，生产效率低，最终的结果是产品成本降不下来。经研究分析，这主要是由并联逆变电路固有的特征造成的，主要表现在以下诸多方面：

1．并联逆变电路流过感应器中的电流屯是桥输出有功电流的Q倍，对于中频熔炼钢铁炉一般Q=12左右，在感应器中的电阻r上产生的电损耗以·r计算十分惊人，一般可达有功功率的20%～30%，造成的大量的能源损失。

2．可控硅并联逆变输出电路有着大量的补偿电容，占地面积大。由于电容存在损耗，一台0．5T中频炉的补偿电容造成的电损耗达10kW，造成能源损失。

3．由于并联逆变器的输出特性，如图3．3所示，在整个熔炼过程中负载的等效电阻变化约1．7倍的情况下，而中频电源的额定输出电压与额定电流又受设备所限，平均输出功率仅能达到额定的70%～90%，出现了如图3．3所示的功率凹角，使得熔炼周期长，热损失大，效率降低，即设备不能全程输出额定功率，增加了能耗。

4．可控硅并联逆变电路中可控硅的换向依赖于反向负载电压，逆变可控硅换向时，需要一个换向时间，因此最小角受到换向时间所限，逆变电路不能工作在完全谐振状态下，导致逆变器的功率因数下降，可控硅的工作压力加大。

5．可控硅并联逆变电路是恒流源供电，要求电流必须连续。也就是讲，必须保证逆变器上下桥臂可控硅在换流时，是先开通后并断，也即在换流期所有可控硅都处于导通状态，虽然由于滤波电抗的存在不会短路，但换流时间长，系统效率低。

6．可控硅并联逆变电路强迫换流依赖于负载，几乎不论分主元件，集成系统还是微机控制，大都采用负载电压对每个半波进行控制，在启动时或其他异常状态下，由于控制的差异，易出现换向失败，造成直通等故障。

7．可控硅并联逆变电路，由于必须在自激状态下工作，在启动初期必须附加启动电路，帮助启动后再转化为自激状态工作，故启动较为困难，不适于启动频繁的场合，所以在国家考核是一个重点指标。虽然各厂家想了许多办法，但没有从根本上解决它不易启动、操作麻烦的问题。

8．可控硅并联逆变电路要求恒流源输入、三相全控调压，从而使三相输入电流被切割，变成方波电流，分解出三次及以上高次谐波，使三相输入线电压出现整流换向缺口，使中频电压有一部分越过电抗Ld进入电网，给电网造成公害。

9．可控硅并联逆变电路一般都是通过三相全控桥整流电路的桥相电压改变逆变桥的直流输入电压，从而实现调功的。这样，造成功率因数差，特别是在熔炼的后期，负载变重，设备起限流作用，降压运行，平均功率因数只有0．7左右。

10．由于传统方式损耗较大，为保证正常运行，一般均采用水冷方式进行冷却，对水质、压力均有一定要求，也是日常检查维护的一项重要内容，一旦出现问题将导致设备故障。当今水资源日趋宝贵，同时导致设备的可靠性下降。

3．2．2顾客界定

新创业务的顾客界定为冶炼、铸造行业中的特殊钢厂、机械厂、铸造厂，以及一些相关的乡镇企业等。

3．2．3市场规模与发展趋势

IGBT全数字变频感应电炉替代传统的晶闸管中频感应炉炼钢中频炉，应用于冶炼、铸造行业中的频炉工艺，服务于生产特殊钢、高温合金、精密合金、有色金属的产业细分市场。在该行业中，它的市场规模不大，仅占行业的15%。但由于它的创新性和技术特点，使其价值链与该细分市场相结合，并在服务于该市场时相比其竞争对手带来低成本和歧异性，扩展或缩小所服务的市场的地理范围。为提高冶炼、铸造行业的装备水平，提高效益、降低成本，满足钢厂、机械厂、铸造厂商的需求，专家们研发了这样一个高性能、高可靠性的智能化的中频电源设备，具有一定的持久性的潜在市场。

3．2．4目前市场与竞争的态势与创新业务的竞争优势

目前市场与之竞争的产品是传统的晶闸管中频感应炉，它配套的电源是中频发电机组。这种设备存在体积大、效率低、能耗高、设备造价高、占地面积大、运行噪声大、生命力差等缺点。新发明的IGBT全数字变频感应电炉虽说是替代产品，但目前市场上还没有生产这种独立产品的厂家，我们采取购买此产品的最终买方的类型，以服务最终买方的销售渠道，形成销售网络，地理位置定义为西南地区。

从公司整体来看，竞争优势来源于设计、生产、营销、交货等过程及辅助过程中所进行的许多相互分离的活动。这些活动中的每一种都对公司的相对成本地位有所贡献，并且奠定了标新立异的基础。

3．2．4．1我公司的价值链

在人力资源准备上进行招聘培训，在技术开发上采用自动化系统的设计，元件设计，机器设计，总装设计，检测程序能源管理，信息系统开发，市场研究，销售支持和技术文献，服务手册和程序系统。在采购上采用运输服务，原材料，能源，物质供应，电力／电子部件，计算机服务，运输服务，中介机构服务，物资供应，出差和经贴，备用件出差和经贴，进货材料搬运，进货检查和交货，部件装配总装，调节和检测设备作业，订单处理装运，广告，促销，销售队伍，服务信誉备用件系统。

3．2．4．2成本优势

IGBT感应炉在高效、节能、高可靠、占地面积小、安装方便、操作简便等方面上了一个新的高度。在为用户减少电耗，降低安装维修费用方面做出贡献的同时，其效率比过去提高三倍，降低了单位产品的人工费用摊销，相当于用现在一台设备的钱购买了原来三台设备，并只需要一套设备的人工。据计算，就生产普碳钢而言，用新型IGBT电炉比传统设备每吨钢综合成本可降低200元左右。我公司定价为每台售价25万元，国外同类产品每台售价150万元。

3．2．4．3技术优势

（1）节电：与传统炉相比节电30%以上。

（2）高效：从装料到熔化整个周期都能满功率运行，熔炼周期极短，比原来快1～2倍。

（3）启动容易：无论何种工况、何种负载，无启动失败现象，均可一次成功，并迅速开到满功率。

（4）操作方便：操作方式极为简单，即使没有培训过的操作者几分钟就会使用，无需专门人员。

（5）可靠性高：器件本身线路结构比较合理，可长期无故障运行。

（6）功率因数高：对电网基本无干扰，可保证功率因数0．98以上。

（7）可维护性好：控制系统集成，微机化单一大板结构，及快速连接器，可迅速更换，不影响生产。

（8）安装方便：体积小，是传统体积的1/12，无电容架，节约电气室面积，减少投资。

（9）环境性好，使用方便：电源系统无水冷装置，免去检查防断水之累，节省水源，保护环境。

（10）钢液质量好：金属元素烧损小，熔渣少，有较好的溶液质量。

（11）铸件质量高：铸件的气孔夹渣、夹杂等缺陷显著下降。

（12）竞争力强：在提高铸件质量的同时，大幅降低了电耗成本，提高了生产率，节约了单位产品的人工费。由于现在的一台设备顶过去的两台以上，故也节约了固定资产投入而获得的大的生产能力，使使用者在同行业中明显地提高了竞争能力和获利水平。

3．2．5技术经济分析

3．2．5．1主要研究创新内容

1．电源的主电路串联谐振结构设计优化。

2．全数字微机控制系统采用的方式及实现办法，主要研究自动跟踪谐振，提高功率因素移相调功的优越性。

3．设计优化，主要是冷却系统的设计，改电源系统水冷为风冷，提高可靠性。

4．专用元件组的改进。如补偿电容组特殊设计减少体积，使整个系统总体积仅为传统设备的1/6左右。

5．人机界面在的改进，使操作简易，可靠性高，同时设备自动记录历史数据，便于管理。

3．2．5．2预期指标

预期可获得的成果，达到的技术水平电源的系统方案先进、经济，控制数字化、主要性能指标达到：

1．功率因数字：达到0．98，对电网基本无干扰。

2．可靠性高：采用全数字化微机控制，可长期无故障运行。

3．高效：从装料到熔化整个周期都能满功率运行，自动跟踪谐振频率，熔炼时间缩短50%。

4．启动容易：无论何种工况、何种要求，均可一次启动成功，并迅速达到满功率。

5．操作维修方便。

3．2．5．3预期效益分析

项目完成后预期达到的经济，社会、环境效益分析。

1．对于企业可以实现

（1）上品种：新增1个系列4个品种的高科技产品。

（2）上质量：先进、经济的系统方案、高性能的基础器件、计算机控制技术及完善的检测试验，为设备的可靠运行提供了保证。

（3）上水平：各项指标达到设计要求、获得省市以上的科技成果。产品定型后力争成为国家级新产品。

（4）上效益：产品定型批量生产后，年产量100台套，产值3000万元，利税300万元。

2．对用户和社会带来的效益

（1）从节能方面看，按吨铁或吨钢节约120元，IGBT感应炉作业率50%计算，使用10月即可收回设备投资。

（2）设备配套的基本建设比过去传统设备可节约50%，占地相应减少。

（3）操作维护人员减少50%，相应开支大幅降低，工人劳动强度也下降了。

（4）由于设备使用效率提高，一台相当于传统的2．5台，生产能力大幅提高。虽然单台设备价格上升，但生产能力的投入却下降了40%。

（5）因用水量下降，电源部分无水冷，节约了宝贵的水资源，缩短了冶炼周期，也减少了对环境的污染，社会效益显著。

3．在一定的产销量下，单位成本与单位产品的客户边际效用和定价的对比关系（见表3-1）

表3-1  边际效用和定价的对比关系表