（电气工程专业论文）中频加热电源在铸造熔炼炉中的应用研究.pdf

山东大学硕 士 学 位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eh i 曲一p o w e ri fp o w e r , m e d i u mf r e q u e n c yi n d u c t i o n m e l t i n gf u r n a c e sa r eu s e dm o r ew i d e l yi nt h ef o u n d r yi n d u s t r y a c c o r d i n gt ot h e d i f f e r e n tc o m p e n s a t i o nm o d eo ft h ei n v e r t e r p a r t s ，i fp o w e ra r e d i v i d e di n t o p a r a l l e l - i n v e r t e r , s e r i e s - i n v e r t e ra n ds e r i e s p a r a l l e li n v e r t e r b a s e do nt h ec o m p a r i s o no ft h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fp a r a l l e li fp o w e ri n v e r t e r a n ds e r i e si fp o w e ri n v e r t e r , w ef i n dt h a td u r i n gt h ep r o c e s so fi fp a r a l l e lp o w e r h e a t i n gt h em e t a l ，a st h em e t a l sp e r m e a b i l i t ya n de l e c t r i e r e s i s t i v i t yh a v et a k e n s i g n i f i c a n tc h a n g e sw h e nt h et e m p e r a t u r ec l i m b so v e rt h ec u r i ep o i n t ，t h ee q u i v a l e n t l o a dr e s i s t a n c ea n di n d u c t a n c ew i l la l s ot a k eg r e a tc h a n g e s t h i sw i l ll e a dt ot h e c h a n g e so ft h el o a dc i r c u i tr e s o n a n ta n g u l a rf r e q u e n c ya n dt h eo u t p u tp o w e r i na d d i t i o n ， d e s p i t et h ew o r kf r e q u e n c yo fp a r a l l e l p o w e rc o u l da u t o m a t i c a l l yt r a c kt h er e s o n a n c e f r e q u e n c yo ft h el o a dc i r c u i t ，h o w e v e r , w h e nt h el o a dc i r c u i to u t p u tp o w e rc h a n g e s ，i f p o w e rw i l ln o tm a i n t a i nf u l lp o w e ro u t p u ti nt h ew h o l es m e l t i n gp r o c e s s a sar e s u l t ，t h e l o n g e rt h em e d i u mf r e q u e n c yi n d u c t i o nf u r n a c eh e a t s ，t h em o r ep o w e rw i l lb e c o n s u m e db y p e ru n i t ，a n dt h ee f f i c i e n c yo ft h ei fp o w e rs u p p l yw i l lb el o w e r h o w e v e r , t h es e r i e s - p a r a l l e li n v e r t e rp o w e rc o u l dm a i n t a i nc o n s t a n tp o w e rf a c t o ra n df u l lp o w e r o u t p u ti nt h ep r o c e s so fh e a t i n gl i q u i di r o n t h e r e f o r e ，t h es e r i e s - p a r a l l e li n v e r t e rp o w e r c o u l dn o to n l ys a v ee n e r g ye f f i c i e n t l y , b u ta l s og e ts a t i s f i e de c o n o m i cb e n e f i t i nt h i sp a p e r , t h ew o r kc o n d i t i o n so ft w od i f f e r e n tf o r m so fi n v e r t e rp o w e ra r e d e e p l ya n a l y z e da n ds t u d i e d t h er e a s o n sw h y t h ep a r a l l e lp o w e ri n v e r t e rc a nn o to u t p u t i v 山东大学硕士学位论文 t h ew h o l ep o w e ra n dt h es e r i e s - p a r a l l e lp o w e ri n v e r t e rc a nw o r kw i t hc o n s t a n tp o w e r f a c t o ra r ef o u n d r e s e a r c hs h o w st h a t ，r e a s o n a b l ea n da p p r o p r i a t es e l e c t i o no ft h es e r i e s c o m p e n s a t i o nc a p a c i t o r sa n di n d u c t o r sc a nc o m p e n s a t et h ec h a n g e so fl o a de f f e c t i v e l y i nt h es m e l t i n gp r o c e s s i no r d e rt or e d u c ec o n s u m p t i o na n dr a i s ep r o d u c t i o ne f f i c i e n t l y , t h i sa r t i c l e p r o m o t e st h ei m p r o v e m e n to fm e d i u mf r e q u e n c yi n d u c t i o nf u r n a c eo fp a r a l l e lp o w e r k e yw o r d s ：p a r a l l e lp o w e ri n v e r t e r ：s e r i e s p a r a l l e l t y p ep o w e ri n v e r t e r ； r e s o n a n tf r e q u e n c y ；p o w e rf a c t o r v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责 任由本人承担。 论文作者签名： 瑟益妇 e l期：加乎吼工7 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 猛到 导师签名：期：矽z 咿7 山东大学硕士学位论文 1 1 熔炼炉的发展 第一章绪论 使用加热的手段使炉膛中的炉料加热、熔化，并将液态金属再加热到所需温 度，这就是熔炼。熔炼广泛应用于金属冶炼和铸造领域。感应加热技术诞生以前， 都是使用煤气或石油为能源的装置来加热熔化金属。1 8 9 0 年瑞典人发明了第1 台 感应熔炼炉一开槽式有芯炉，1 9 1 6 年美国人制造出闭槽式有芯炉，用于有色金属 的冶炼。工频炉产生于2 0 世纪3 0 年代，1 9 2 1 年无芯炉在美国出现，采用火花式 中频电源，后来出现了中频机组电源和现在的晶闸管变频电源。 在我国，一个时期以来，感应熔炼炉得到迅速发展，在电力充足的情况下， 日渐取代冲天炉。目前，无芯工频感应炉容量已达1 1 0t ，有芯工频感应炉容量 则高达2 7 0t 。近年来，中频感应炉的发展及其所呈现的优越性，给铸造领域的 生产注入了新的活力。 目前，在铸造生产中应用最多最普遍的感应熔炼炉有工频感应炉和中频感应 炉。工频感应电源在给熔炼炉送电时，有如下缺点： ( 1 ) 冷炉启动时，炉内需加入金属块，生产不够灵活； ( 2 ) 熔炼炉在加热和熔化金属时，炉料翻腾剧烈，对炉壁冲刷严重，炉衬使 用寿命短。 ( 3 ) 工频感应炉熔化冷料速度慢、不利于造渣； ( 4 ) 工频感应电源功率因数低，需配置大量补偿电容器，也增加了占地面积 和设备投资。 所以，目前工频感应熔炼炉向大容量发展已基本停止。 现阶段中频感应炉的发展令人瞩目。与工频炉相比中频感应熔炼炉的电效率 和热效率高、熔炼时间短、省电、占地面积较少、投资较低，易于实现过程自动 化和具有生产灵活性。中频炉对炉料的适应性较强，炉料的品种和块度可在较宽 的范围内变动。更适合熔炼铸铁，特别适合熔炼合金铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。 另外，中频感应炉的熔化率远远超过了工频感应炉，所以在铸铁生产领域中频感 山东大学硕士学位论文 应熔炼炉正在逐步取代工频感应熔炼炉。 中频熔炼炉的发展得益于感应加热电源技术的发展。感应加热用中频电源技 术是通过晶闸管或m o s f e t 或i g b t 等电力半导体器件将工频( 5 0 h z ) 变换为中频 ( 2 0 0 h z 一2 0 0 k h z ) 的技术。初期使用的机械式中频发电机电源，效率低( 7 0 一8 5 ) ， 己被逐步淘汰出感应加热范围，取而代之的是晶闸管中频电源。晶闸管电源由于 它的效率高、无污染、耐冲击、尺寸小等优点，适用范围大大扩展。8 0 年代发展 起来的新型感应加热电路i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o ：双极晶体 管门电路) ，由于将m o s f e t 和g t r 两者优点集于一身，因此发展很快，比晶闸管 电源更节约能源( 1 0 ) ，调节性能好，近年有取代部分晶闸管电源的趋势。随着功 率器件向大容量化、高频化发展，必将带动感应加热电源的发展，目前，中频电 源的效率已高达9 5 - - - 9 8 。作为感应炉使用的变频器额定功率不断提高，近来， 9 0 0 0k w 变频器已投产，极大的提高了铸铁的生产能力。 另外，中频感应炉的1 个独特发展是用1 套供电系统向2 台炉子供电，采用 这种电源可同时向l 台炉子输送熔化功率，向另l 台炉子输送保温功率，使电源 利用率达到1 0 0 。 目前，中频感应炉采用计算机控制系统，自动化程度较高。因为对于大功率 中频感应炉，熔化期非常短、过热率非常大，只有采用计算机控制系统才能发挥 设备潜力，才能对工厂和操作人员提供最有效的保护。2 5 - - - 3 0 m i n 速率过热 熔化炉料的炉子，在满功率状态几分钟无人看管，很可能造成灾难性事故。目前， 大型中频感应炉已装备了比较完整的计算机辅助监视和控制系统，其主要内容包 括： ( 1 ) 当炉子坩埚中铁液达到预编程温度时，保证自动降低炉子功率； ( 2 ) 炉子固定在测重仪上，测重仪为计算机提供炉子里金属炉料的质量数据； ( 3 ) 监测、计算和控制铁液温度； ( 4 ) 为新炉衬提供自动烧结程序； ( 5 ) 确定达到要求的铁液成分所需要的碳、硅及其他添加元素的数量； ( 6 ) 包括1 台自动冷启动装置在内的其他有用的必要的功能。 熔化处理系统能够对电源和炉体进行全面自诊断，如果非正常状态就会启动 系统报警。 2 山东大学硕士学位论文 1 2 感应加热的原理 1 2 1感应加热的本质 1 8 3 1 年法拉第发现了电磁感应现象，并建立了电磁感应定律，它是一切感应 加热的理论基础。 在导体中通入电流，由于导体有电阻，会引起导体发热，根据焦耳一楞茨定理 可得： q=i 2 r t ( 1 1 ) 式中q 导体的发热量； i 通过导体的电流强度； r 导体的电阻； t 电流通过导体的时间。 导体中通入直流电时，产生的磁场固定，不影响导体的导电性能；而通过交 流电时，产生的磁场是交变的，会引起集肤效应，使大部分电流向导体的表面流 通，即有效导电面积减小，电阻增加。交流电流的频率越高，集肤效应越严重。 由卜1 式可知，在电流不变的情况下，由于电阻增加，使导体的发热两增加。 同样，在高频电流通过彼此相距极近的导体，或者将直导体变成圆环、绕成 线圈时，其电流密度也会发生相应变化，引起所谓邻近效应和环形效应。无论是 集肤效应、邻近效应和环形效应都是由于导体中流过交变电流时，在导体周围形 成交变磁场，从而在导体中产生自感电动势迫使电流发生重新分配的结果。导体 周围磁场的强弱直接直接与电流强度成正比。 如果将材料放在高频磁场内( 例如放到通有高频电流的线圈内部) ，则磁力线 同样会切割材料，在材料中产生感应电动势，从而产生涡流。涡流也是高频电流， 同样具有高频电流的一些性质。由于材料具有电阻，结果使材料发热，利用感应 涡流的热效应进行加热，叫感应加热。由此可知，感应加热必须具备两个条件： ( 1 ) 感应线圈中通入的必须是交变电流： ( 2 ) 感应线圈中的被加热材料必须是能导磁的，或用导磁体作为发热体，利 3 山东大学硕士学位论文 用导体发出的热量去间接加热非导磁材料。 金属工件 线圈 图1 - 1感应加热的原理图 图1 1 是感应加热的原理示意图，根据电磁感应定律，设工件的等效匝数为n 2 ， 则感应电势： e 一：孚 ( 1 - 2 ) 负号是因为感应电势总是力图阻止磁通的变化。如果磁通是交变的， 设 = 矽。s i n 国t 则 e = 一：警一n ：矽。c o s 脚r ( 1 - 3 ) 有效值为： e = 4 4 4 ，n ：矽 ( 卜4 ) 由于被加热体是导体，有一定的电阻，于是感应电势在被加热体中必然会产生 电流i ，在一定的电阻作用下，由于集肤效应和涡流损耗，便会发热，其热量由式 1 1 得： q2 ，z 2r t ( 1 5 ) 式中i 。感应电流有效值( 安) 这就是感应加热的原理，它把电能直接送到工件内部变成热能，将工件加热。 金属中产生的功率为： p = e ic o s 币= 4 4 4 ，n 2 币mc o s 牵 ( 】一6 ) 4 山东大学硕士学位论文 可见，要使被加热体加热到一定的温度，必须在金属内产生足够大的电流i ， i 则是由感应电势e 产生的。e 、p 与磁通的频率f 有关，所以为了获得一定的感 应电势e 和热量q ，电源必须具有一定的频率，近代感应加热领域应用工频、中 频、超音频和高频电源。另外，如果被加热工件截面增大，那么在相同外电流i 作用下，穿过金属工件的磁通就会增大，感应电势e 以及金属内感应得到的功率 也增大。 图1 - 1 中，负载是由感应线圈和置于其中的工件组成，发生于负载中的物理 现象主要是电磁感应和热传导。当线圈中注入正弦交变电流时，产生的轴向磁场 强度也按正弦规律变化。这个交变磁场作用于炉内的铁水或铁块时便产生涡流， 使铁水温度升高或铁块融化。所以，感应加热炉原理也可以用变压器原理来解释， 感应加热炉效应可以看成一台变压器效应。其电路模型如图1 - 2 ，感应线圈相当 于变压器的原边，炉内的被加热工件既相当于变压器的副边又相当于铁芯，被加 热的工件通常认为是单匝且短路的，当漏磁为零时，负载电流应 i tp 图1 - 2 感应加热炉电路模型 等于电源电流乘以线圈的匝数比，即i 。= n i 。由于次级线圈匝数为1 ，阻抗值很小， 所以次级线圈中的短路电流将很大，最大可以达到几千甚至上万安培。对同样的 加热效果，频率越高，感应线圈中的电流就可以小一些，这样可以减少线圈中的 功率损耗，提高设备的电效率。 1 2 2 熔炼炉中感应加热的频率与电流的透入深度 1 、透入深度 山东大学硕士学位论文 在高频电流的作用下，被加热导体的电流分布呈集肤效应，这种分布以表面 最强，在径向从外到里按指数函数方式减小，这种电流不均匀分布的现象，随电 流频率升高而趋显著，电流透入深度与频率的关系可用下式表示： l 仃= 一 2 万 一万 ( 1 - 6 ) 式中6 电流分布带的宽度，a m ： p 金属的电阻率，q c i i l ： ur 金属的相对导磁率； 卜_ 电流频率，h z ； 6 是电流密度降为表面电流密度的1 e ( 即3 6 8 ) 处的深度，定义为电流透入深 度。在电流透入深度的范围内吸收的功率，为被加热金属吸收总功率的8 6 5 ， 因此6 便成为选择加热电流频率的重要参数。常用铜管绕制感应线圈，从技术经 济指标考虑，选用铜管的最佳壁厚为，2l 5 7 艿，一般应取铜管壁 厚a = 1 3 万。 2 、感应加热的频率 ( 1 ) 最低加热频率 用于感应加热的电源频率可为5 0h z 到及几m h z 。选择频率的最重要的依据 是加热效率和温度分布。其次是考虑熔炼、透热和淬火等各加热工艺对电源频率 的一些特殊要求。对于熔炼炉需要考虑功率密度和搅拌力。 单位长圆柱体的被加热金属吸收的功率可用下式近似的表示： p = 2 万2h 。2d 扛了i 万可 1 7 式中p 单位长圆柱吸收的功率，w c m ： 6 h 。一一导体表面的平均磁场强度，安匝a m ； d 一圆柱导体的直径( 或炉内径) ，a m ： | l ，一导体的相对磁导率； p 一导体的电阻率，q a m ： f 一流过线圈的电流频率h z k 一小于1 的修正系数，它是d 26 的函数； 山东大学硕士学位论文 k 值越接近1 ，得到的p 就越大，也即加热效率越高，为了提高效率，就必须增大 9 26 。 一般用d 26 = 5 作为极限来计算感应熔炼炉的最低工作频率。即 n 2 5 1 08 寿( h z ) ( 1 - 8 ) 在实际设计中，往往选用较上式高一档的电源，因为频率高的太多，会引起 炉料的温差过大，反而会使加热时间增长。 ( 2 ) 加热时的温度分布。 当感应加热圆柱导体时，由于集肤效应，只有表面会快速升温，而中心部分 则需靠热传导作用，从表面高温区向内部低温区传导热量，因此升温慢。表面与 中心的温度差at ，可用下式表示 a ，- 2 5 x 午生k ，( 1 - 9 ) 式中d 导体直径( 或炉内直径) ，c m ： k o - 导体的热导率，w ( m k ) ： k t - - - 与d 26 和p n p a 有关的小于1 的修正系数； p a - - - 功率密度( 等于导体吸收功率导体表面积) ，w c m 2 p 。= p 。一p ，w c m 2 p r - - - 导体的散热损失。 由上式说明为使被加热工件的温度平均分布，对d 28 值的要求，与满足高 的电效率对d 26 的要求是矛盾的。 ( 3 ) 炉容与频率的关系 感应熔炼炉的基本特性取决于频率、功率密度和搅拌力三要素。搅拌力可用 下式表示： f - 3 1 6 、丝上 (1-】，、)pf z d h 1 - 1 u 、， k ， 式中f 一搅拌力，k g c m 25 p 一炉料吸收的功率； d 一一坩埚内径； h 一熔体高度。 7 山东大学硕士学位论文 上式表明，在炉料性质相同的情况下，搅拌力与加热功率成正比，即加热功 率越大，搅拌越激烈；升高电源频率，搅拌减弱；坩埚体积增大，搅拌也减弱。 在炉子容量已定的情况下，为了满足融化率的要求，且达到适当的搅拌，则电源 频率就不能低于某一定值，这是为熔炼炉选择电源频率时需考虑的附加条件；换 言之，相对于每一级频率，炉子容量有一界限，在此界限内，炉子工作的技术经 济指标就高。 通过以上分析，我们可以综合炉容、温度分布、搅拌力等各种因素，通过计 算可知，用于铸造行业的1 0 t 以上中频感应熔炼炉电源的适用频率大约在5 0 - - 1 0 0 0 h ：之间。合理的选择中频电源的频率范围不但可以满足生产的需要，更重要 的是可以达到节能降耗的目的。 1 3 课题的提出及意义 济钢铸管公司现有三台中频感应熔炼炉，两台容量为2 5 0 0 k w ，频率为4 0 0 h z ， 并联型逆变电源，另一台为容量为3 0 0 0 k w ，频率为5 0 0 h z ，串并联型逆变电源。前 者使用三年来一直存在当电源在加热铁液时不能全功率输出的问题，实际最大输 出功率只在1 5 0 0 k w 左右，功率因数在0 6 左右，高于2 0 0 0 k w 使用经常造成逆变 可控硅损坏，维修费用昂贵。后者目前使用情况良好，最大输出功率在2 9 0 0 k w 左 右，可以稳定运行在2 7 0 0 k w 左右，功率因数在0 9 以上，故障率较低。 下面对实际使用的这两种电源电能消耗情况做一下比较： 以一台炉子为单位，具有并联型逆变电路的中频感应熔炼炉的功率因数c o s 1 l r = o 7 8 具有串并联型逆变电源的中频感应熔炼炉的功率因数c o s1 l r = 0 9 6 ，将铁 液从1 0 0 0 。c 提温至1 3 0 0 。c ，单位重量铁液升温所需电能q 按下式计算： q = 2 2 8 9 3x1 0 咱( t 2 - t 。) ( k w h kg ) 式中t 。一升温后铁液温度， t 广升温前铁液温度， 2 2 8 9 3 1 0 一一每l k g 铁液升温l 所需电能，k w h ( k g ) 现在并联逆变电源每班次生产铁液2 0 0 0 0 k g ，加热时间6 小时，每班次加热过 程的耗电量为 8 山东大学硕士学位论文 q = 2 0 0 0 0 x2 2 8 9 3x1 0 。5 ( 1 3 0 0 1 0 0 0 ) x6 = 8 2 4 1 5k w h 逆变电源输出的功率为： p 。= q c o sv = 8 2 4 1 5 o 7 8 = 1 0 5 6 6k w h 平均每吨铁液升温耗电量为p = p o 2 = 5 2 8 3k w h k g 而串并联逆变电源每班次生产3 0 0 0 0 k g 加热时间6 小时，加热过程耗电量为 q = 3 0 0 0 0 x2 2 8 9 3x1 0 咱( 1 3 0 0 1 0 0 0 ) x6 = 1 2 3 6 2 k w h 逆变电源输出功率为： p 。= q c o s1 l r = 1 2 3 6 2 0 9 6 = 1 2 8 7 7 k w h 平均每吨铁液升温耗电量为p = p 。3 = 4 2 9 2 k w h k g 按每班次串并联电源比并联电源多生产1 0 t 铁液，一天三班次计算，每年一台 串并联电源比一台并联电源节约电能为： q = ( 5 2 8 3 - 4 2 9 2 ) 1 0 x1 0 3 3 x3 6 5 = 1 0 8 5 x1 0 4 k w h 经济效益可观。 基于这三台熔炼炉的运行状况，需要对并联式中频电源和串并联式中频电源 进行深入的分析、研究，以便对设备进行进一步的改造，以期提高设备的产能， 并达到节能降耗的目的。 9 山东大学硕士学位论文 第二章中频感应加热电源 2 1中频电源的基本工作原理 功率给定 图2 - 1 中频感应加热电源的系统原理图 中频电源工作原理：如图2 一l ，中频电源的主电路是由整流器、滤波电路、 逆变器、负载组成的，整流器在控制系统的作用下将5 7 5 v 的三相工频交流电经过 整流变成最高7 7 5 v 的直流电，直流必须经过滤波，才能送到逆变器。如果是后面 是并联型逆变器，滤波部分就必须是大电感，这样得到的就是电流平直的直流电； 如果是串联型逆变器，滤波部分必须是大电容滤波，所得到的是电压基本平直的 直流电。滤波后的直流电送到逆变器，逆变器再将直流电变成频率可调的交流电 送给负载。 逆变器是感应加热装置中不可缺少的组成部分，它的工作频率和输出功率决 定了装置的频率和功率，而这两个重要参数则取决于由被加热物的形状、加热温 度和温度分布等决定的加热条件和单位时间内的物料处理量。 在感应熔炼炉中，变频电流是通过感应线圈把能量输送给负载的，而感应线 圈往往是逆变器中的一个部件。感应线圈和炉料一起，显示的功率因数很低。感 应熔炼炉的自然功率因数与炉体结构、炉料性质等因素有关。据统计，铸造行业 中应用的耐火材料坩埚无芯炉的自然功率因数在0 0 5 - 0 2 5 之间。为了提高功率 因数，需要由补偿电容器向感应加热线圈提供无功能量。在实际生产中，由于电 容器与感应线圈的连接方式不同，构成了性能差异的各种逆变器，甚至决定了感 1 0 山东大学硕士学位论文 应加热装置本身的特点和适用范围。并联逆变型电源在我国发展较早，控制方式 已趋成熟，本文的研究重点是并联电源的两种方式：并联逆变电源和串并联逆变 电源的功率输出的情况。 2 2中频感应加热电源各部分组成元件的选择 现阶段中频感应加热电源主电路的拓扑结构经过不断的完善，己形成一种固 定的变换形式，如图2 2 所示。图中的整流器和逆变器都是利用电力半导体器件 工作的。电力半导体器件种类繁多，各具特点。 - 滤 波 流i 环 节 图2 - 2 中频电源主电路结构图 d 2 实践中应根据感应加热装置的频率和容量，以及目前己商品化的电力半导体 的开关速度高低，单管或单个模块的容量大小，价格高低来选用。 2 2 1 电力半导体器件的选择和比较 选用电力半导体器件时应考虑半导体器件的性能特点和关键参数，下面主要 是以晶闸管s c r 和晶体管i g b t 作比较，具体分析如下： 1 、允许最高工作电压 现在铸造行业中用的中频感应熔炼炉的电源中，整流器的进线电压多为5 7 5 v ， 无论是晶闸管还是晶体管的耐压值都比这一电压高。 2 、允许最大工作电流 山东大学硕士学位论文 现在晶闸管s c r 的最大工作电流可达几万安；而晶体管中只有i g b t 的最大工 作电流可达几千安左右。所以目前在3 5 0 0 k w 以上的中频感应熔炼炉电源中，都是 采用晶闸管s c r 。 3 、通态压降 晶闸管的通态压降普遍低于晶体管，导通损耗小。 4 、工作频率 晶闸管s c r 的容量大，但工作频率低，其工作频率在0 一几千h z 左右；i g b t 的 容量比晶闸管s c r 小很多，但工作频率却比晶闸管大得多，大概在0 一几百千h z 。 5 、驱动功率 s c r 和i g b t 都属于电压驱动。 6 、对缓冲电路的要求 晶体管中以i g b t 对缓冲电路的要求最高， 7 、有无自关断能力 一般快速晶闸管s c r 虽然没有自关断能力，需用换流关断电路，但在感应加 热装置中，由于有改善炉子功率因数用大容量的匹配电容器，逆变晶闸管可以利 用谐振能量进行换流，无需特约设置换流电路。所以，没有自关断能力的晶闸管 也不会妨碍其在感应加热装置中的使用，而它却有高压、大电流、低损耗、价廉 等突出优点。具有自关断能力的晶体管i g b t ，在关断能力上有一定优势，还可以 提高逆变效率，但是在其他方面i g b t 均不如s c r 。因此，在适用晶闸管的频段内， 应优先选用晶闸管。 综上所述，容量较小的熔炼炉用的较小功率的中频电源中，s c r 和i g b t 都可 选用；但是在大功率的中频电源中，为了获得较好技术经济指标应尽量选用s c r ( 高频) 。 2 2 2 储能元件c 和l 以及二极管 电容c 和电感l 用在中频电源的滤波环节和负载补偿回路中。这两种元件在 电路中起调谐、耦合、滤波、去耦，以及能量储存和传输的作用。 二极管的主要作用是整流、检波和续流。在不控整流器中，二极管是作为整 山东大学硕士学位论文 流元件；在全控整流回路中，二极管对可控硅起续流的作用。 本章小结 本章对中频感应加热电源的各组成部分的功能做了概括的介绍，并对中频 电源中的主要器件的性能和参数做了简单介绍哦，从中我们可以得知在设计中频 电源时如何选用器件才能够获得较好的技术经济指标。在铸管公司使用的熔炼炉 中频电源中，由于所用电源的功率算是比较大的，而且工作频率在o - 5 0 0 h z 之间， 所以根据上述的关于晶闸管的性能和参数的比较，可知：此电源的整流和逆变部 分的主要器件选用可控硅s c r 就可以了，这样既可以满足电源设计的需要，又降 低了制造费用。 1 3 山东大学硕士学位论文 第三章整流器 整流器的作用是把交流电能转换成直流电能。中频电源中整流器的负载就是 逆变器，对整流器的基本要求如下： ( 1 ) 提供负载所需要的直流功率，为了满足感应加热的工艺要求，输出直流 电压必须连续可调； ( 2 ) 电流型逆变器要求整流器输出电流连续、电流脉动系数小，应采用电抗 器滤波；而电压型逆变器则要求整流器的输出电压平稳、电压脉动小，应采用电 容器滤波。 ( 3 ) 在出现负载短路或逆变颠覆时，必须采取保护措施。电流型逆变器要求 整流器能把储存在电路元件中的能量迅速反馈回电网，电压型逆变器则要求整流 器立即停止工作。 ( 4 ) 要求整流电路在加热负载变化时，能自动限制输出电压和电流值，以及 具有系统过电流和过电压保护功能。 ( 5 ) 尽量使供电电网的负载平衡对称，谐波干扰小。 常用的整流电路形式甚多，但能够满足上述要求而又简单经济的电路，只有 三相全控或不控桥式整流电路。在大功率感应加热电源中，为了减小谐波干扰， 也有采用1 2 相整流电路的。这种电路把两组三相全控桥的直流侧串联或并联，而 其三相电源则分别由电源变压器的和y 接绕组供电 1 4 q + 图3 - 11 2 相整流电路 a 一电容滤波；b 一电感滤波 b + 山东大学硕士学位论文 3 1 三相全控整流原理 图3 - 1 是典型的三相全控桥式电路，可控s c r l 、3 、5 的阴极接在一起，阳极 分别接到三相电源上，s c r 2 、4 、6 则是阳极接在一起，阴极分别接到各相电源， 从而构成三相全控桥式整流电路。其中的l 和r 就是滤波电抗l d 和并联逆变器的 等值电路，也是整流电路的负载。这个电路既可作为整流，也可以作为有源逆变。 即把电感中储存的能量变成工频交流送回电网，而且整流和逆变状态之间可连续 平滑互换，只要改变控制角q 即可。 ld 鎏 rd 图3 - 2 三相全控整流电路原理图 1 、三相桥式电路作为整流器工作过程 因为是全控整流电路，所以在任何时候图3 - 2 的电路中都必须至少有两个可 控硅同时导通才能构成电流回路。如3 - 3 波形图所示，在t 广t ：区间，a 相电压最 正，c 相电压最负，b 相电压介于两者之间。但为控制的需要，在t 。时刻，把触发 脉冲送到s c r l 、4 并使之导通，而不触发s c r 6 。因此，在t l - t 。之间，就由s c r l 、 4 与负载构成通路，加在负载上的电压是a 相和b 相电压之差，即为线电压u 舭 到t ：时刻，a 相和b 相电压相等，即u b = o 。若为纯电阻负载则s c r l 、4 自动关断。 但这里的负载是电感性的，必须外加强迫才能使它们关断。在t 。时刻触发s c r l 、 6 ，由于s c r 6 导通，才迫使s c r 4 关断，使电流由s c r l 、4 换流到s c r l 、6 ，而使 a 、b 和负载构成通路，在t ：一t 。区间的整流电压就等于u 舭在t 。时刻触发s c r 3 、 6 ，由于s c r 3 导通迫使s c r l 关断，电流由s c r l 、6 换流至s c r 3 、6 ，整流电压等 于u 就这样，可控硅依下列顺序循环触发导通： 1 5 山东大学硕士学位论文 - 口- 哈 b( 、a b ( ， r yl i i i l 小 咱h、爪、| l l 。 ： 5 、 ， 1hm k 、 - t t t 图3 - 3 整流波形图 ( 1 ) l 、4 一l 、6 3 、6 3 、2 5 、2 5 、4 1 、4 一。每次换流之间的相位 差为6 0 0 。由以上分析可知，若用宽度小予6 0 0 的窄脉冲触发可控硅时，在一个周 期中，每个可控硅都需触发两次相隔6 0 0 ，称为双脉冲触发。如果宽度大于6 0 0 ( 但 必须小于1 2 0 0 ) 的脉冲触发，则每周期每个可控硅只需触发一次。但触发时刻必 须合适。例如应该在t 。时刻触发s c r l ，而不应在t 。时刻。这样，在t ：时刻时，脉 冲尚未消失，s c r l 仍维持导通。 ( 2 ) 三相桥式电路作为逆变器的工作过程 三相桥式电路作为逆变器工作时，其电路连接方式和可控硅的触发导通顺序 与作为整流器时的情况完全一样。在负载中存在储能元件或其他电源的条件下， 只要把可控硅的控制角q 增大到超过9 0 0 ，三相全控桥式电路就会由整流状态转到 逆变状态。 如图3 4 所示，在t 。时刻，即a = 9 0 0 时，触发s c r 5 、2 ，则在t 。一t 。区间，s c r 5 、 2 作为整流工作，电流回路是c 相一s c r 5 一l r s c r 2 一a 相，输出电压是u 。，极性 为上正下负( 见图3 - 4 ) 。到t 。时刻，a 相和c 相电压相等，s c r 5 、2 本应截止，但 由于存在贮能元件l 上感应电势为上负下正，迫使s c r 5 、2 继续导通，电流回路 1 6 山东大学硕士学位论文 a月( u 5 1 4n i i 丽。 卞 研 r 胛 i j l ab 2 _ ，、 醐硼 、 ji ：【 r 多 1 删 i ； 、 o 踩 i 1 6 _噬 q j j j l i i 上 + 5 一 l i i j l l 【d i i i l i i l l l j lli 川 i i i i l! lj i j i i i i i i l i l i i l l 川卜晴li i 芒1，t 】lf 1 ：f 1 3t z 一 0 nn。 w ， f 1 自 一_ - z ot摹 口= 9 0 。 ：= = 1 b u 一 图3 4 逆变波形图 仍同前。但在t , - t ：区间，能量是从电感l 反馈回电网。在t 。一t ，区间，u 。为正；在 t , - t ：区间，u 。为负，而且两者量值相等。因此，输出电压的平均值u 。= 0 。在t 。、 t 。、时刻，依次触通s c r 5 ，4 、s c r l ，4 、，工作情况与前述情况类似，只 是随着q 的增大，u 。由零逐渐向负值增加。自t 。时刻后，0 【增大到1 5 0 0 。在t 。时 刻触发s c r l ，4 ( 作为整流时，此刻应触发s c r 3 ，6 ) 。由图3 - 4 可知，此时b 相电压 为正，a 相为零，若没有l 上的感应电压则s c r l ，4 承受反压，即使触发也导 通不了。现由于l 上存在感应电势，而且该电势值高于u m 所以在l 上感应电势 的推动下，s c r i ，4 触发导通，电流回路是l 下端- r - s c r 4 - b 相一a 相- s c r l - l 上端， 电感l 把贮存的能量返送回电网。如果直流侧只有贮能元件，o l 1 2 0 0 的逆变状态 是不可能持久的，只有在直流侧接有直流电源时，才可能连续工作。此外，为说 明逆变工作状态习惯用逆变角b ，而不用控制角q ，它们之间的关系为b = 一0 【。 在三相全控桥式线路中，为防止逆变颠覆，需给元件充裕的关断时间，一般必须 保证b 3 0 0 ，即q 最大不应超过l5 0 0 。 1 7 山东大学硕士学位论文 3 2 三相全控整流的电量计算 1 整流输出电压u 。和i 。 三相全控整流电路在0 【= o 。时输出的直流电压波形图如图3 - 5 所示。当g = o o 时，如图3 - 5 ，整流电压的脉动部分是进线电压正弦波的波顶，每周期含6 个形 状相同、量值相等的波头。因此可通过计算其中的任一个波头得到整流输出电压 的平均氲”手肛6 u 。鲫螂) = 1 3 5 玑 ( 3 1 ) 式中1 1 。是线电压的有效值。 b ) c ) e ) 图3 - 5 三相桥式全控整流电路q = 0 。波形图 由式3 - i 可知，a = 0 0 时，整流电压为u d _ 1 3 5 u 。实际上，这就是三相不控整 流电路的输出直流电压。同理，当q 为任意值时，三相全控桥的直流输出电压平均 1 8 山东大学硕士学位论文 值 u d 2 吁；。 j i - - u c o s 删( 川) = 半u ，c o s 口 ( 3 - 2 ) = udoc o s 口 = 1 3 5u c o s 口 式中u 一输入三相线电压有效值，其值等于u 小u 。、u 吼； u d o - - - - - - 控制角为零，即不控三相桥式整流电路的输出直流电压。 由上式可知，c t = o o 时，整流电压u 。= 1 3 5 u ，：a = 9 0 0 时，u 。为零；a 9 0 0 时，u 。变 为负；c t = 1 8 0 0 时，u 。= 一u d 。 a 2 b 2 c 2 整流输出直流电流为 图3 - 6 实际应用的整流器电路图 ，。= 牛= 牛c o s q ( 3 - 3 ) 如图3 6 为实际使用的全控整流器电路原理图，以实际使用的输出功率 为3 0 0 0 k w 的熔炼炉电源为例，整流器的输出功率为： p , - - 争= 百3 0 0 0 = 3 3 3 3 ) ( 3 - 4 ) 如果交流侧输入的- - $ h 交流电压有效值为5 7 5 v ，则由3 - 3 得：整流器输出的最大 1 9 山东大学硕士学位论文 直流电压为 输出电流为： ud = 1 3 5ul = 1 3 5x5 7 5 = 7 7 6 缈) ，。= p 。v 。= 型 严 ( 3 - 5 ) 2 流过s c r 的电流和进线电流 当滤波电抗器l d 的电感量足够大时，流过每个可控硅的电流为方波。当口：0 时，每臂可控硅在每周期只导通1 2 0 。，据此可得到三相全控整流电路中，每个桥 臂可控硅的电流i 。波形和进线电流i 。波形，如图3 - 7 ，参照电流波形图，可以列 i 4 i k i l i d 丁l5 丁l 6 0 己。3 ： 2n五 j l 图3 7i 。和i - 波形图 出流过每个桥臂可控硅的电流的有效值： i x = 压万而= 告= 0 5 7 7 ，。 进线电流i 。的有效值推导略： ”辱i4 = t 6 i 4 由式3 - 8 得实际使用的整流器进线电流的有效值为： i i = 辱3 2 - = 0 8 1 6 ，。= 。8 1 6 4 2 9 5 = 3 5 。5 。) 由式3 - 7 得流过晶闸管的电流的有效值为： ，= 0 5 7 7i 。= 2 4 7 8 ( 彳) 2 0 ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) 山东大学硕士学位论文 前面的式3 - 1 和3 - 7 都是以滤波电感量大，电流连续为前提推导的结果。波 形图如图3 8 。如果是电感量小，或是带有续流二极管的大电感负载和电阻负载， 则这些公式只适于a 、 6 0 。的情况。当q 6 0 。时，电流不再连续，不适用这些公 式。实质上，用二极管组成的三相桥式整流电路的工作状态，只是全控桥式整流 电路的特定( a ：0 。) 运行状态。 甜ot u u v “t j w wu v i ju w u 盯、石、f 、f x h w v 彳x 。_ 二匕= y ：s 仁一， 图3 - 8 三相全控桥大电感负载不同q 角时电压与电流波形 如图3 6 中，晶闸管两端并联的阻容吸收元件主要用于限制换流过程在晶闸 管上引起的电压上升率，以及由于晶闸管载流子的蓄积效应引起的反向电流极具 衰减所造成的过电压，一般可根据流过晶闸管的电流值计算电容量，即 c 。= ( 2 4 ) 1 0 一i x ( z f ) ( 3 - 9 ) 电阻r 主要用于抑制振荡和降低晶闸管的开通损耗，其值以大些为好，但过大又 会降低c 的吸收浪涌电压的效果，一般可按下式计算： r b = ( 5 l o ) x l o 。挚 r ( 3 一】0 ) 山东大学硕士学位论文 3 3 整流器的控制要求 为了保证整流桥路在任何时刻共阴组和共阳组各有一只晶闸管同时导通，必