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1、可控硅串联逆变中频电炉技术说明书高效节电大功率可控硅串联逆变中频电炉引言 90年代中国工业飞速发展，大容量、高功率，低能耗中频电炉越来越被大家所关注，尤其在铸造领域中，中频电炉能提供高质量铁水和钢水，便于在熔化过程中控制温度和化学成份，所以多年大量引进国外制造大容量可控硅中频电炉，已达数百台之多，几乎中国上规模机械制造厂、机床厂、汽车制造厂高端技术市场全部被国外厂商占有，现在中国产品比较国外，在控制技术上，按装工艺上仍有相当差距。 铸造厂传统熔化设备冲天炉，出铁温度低，铁水在炉中增碳较多，不易生产出高质量铸铁件，且冲天炉严重污染环境，在城市区域内不许可存在，现在国内铸造用焦价格猛涨，和中频电炉
2、熔化成本相当。所以大容量中频电炉是铸造厂节能、高效、清洁环境保护型熔化设备，所以我们研制，开发大熔量高功率中频电炉起点高，技术指标以国外最优异电炉为目标。串联逆变中频电源含有功率原因高，我企业生产中频电源功率原因不低于0.98.高效节能，谐波小。 一、元器件选择 现在已经研制成功含有一拖二功效可控硅中频熔化炉，是高效节电最好熔化设备。 中国电器工业经过多年发展，现在按装大容量中频电炉元器件己含有相当条件，大电流耐高压可控硅，高压电热电容己能生产，满足需求。 中频逆变电源开关元件，现在有二种，可控硅SCR和绝缘栅双极型场效应晶体管IGBT，依据国外文件所载，大功率，较低频率(1 000Hz)逆变
3、电源，选择可控硅关闭时间要求较低，TOT能够在5 060微秒级，这么硅片厚度能够厚些，可控硅耐压便能够提升，且可控硅价格比IGBT低得多，而且工作稳定性和可靠性比IGBT高，我们设计逆变器选择KK2500A2 5 00V可控硅。现在世界上技术最优异、规模最大美国应达电炉企业仍采取大功率可控硅组装。图1依据功率和频率选择逆变开关元件 IGBT尤其适适用于频率高，功率较小变频加热设备，如小容量中频真空熔炼炉，工件表面淬火和小件透热等。现在中国200A以上IGBT全部需依靠进口，还受到出口国限制，最大容量为500A1 5 0 0V。组装大功率电源时，不得不把I GBT串联后再多组并联，对用户来说，元
4、件损坏时就得长久依靠于设备制造厂商供给备件，依据图1我们选择国产大功率可控硅是合理。 二、串并电路比较 串并联逆变中频电源相比含有以下优点1、 可控硅并联线路是并联谐振电路，在熔炼过程中，尤其对熔炼铝、铜等材料，负载很轻，它功率输出很小，和负载性质有很大关系，所以其熔化速度慢、升温困难。而可控硅串联中频熔炼炉是经过调频方法调整功率，所以受负载性质影响相对小，熔炼全过程近乎保持恒功率输出，因为是串联谐振，也就是电压谐振，感应圈电压高，电流小，所以电能损失就小。2、 因为是串联逆变，功率原因高，谐波小，不需要再上无功补尝装置。这么能够为用户节省不小一笔开支，也是供电部门大力提倡推广优异设备。3、
5、串联逆变电源工作时，整流一直在全导通状态下工作，改变逆变回路输出功率是靠控制逆变触发脉冲频率来实现。且负载电流为正弦波，所以串联逆变电源不会有高次谐波严重污染电网，且功率因数高。而并联逆变不可能实现一拖二自动调功运行，因为并联逆变电源调功只能靠调整整流桥输出电压来实现，当并联逆变整流桥工作在低电压，整流导通角很小状态下，设备功率因数将会很低，且并联逆变负载电流为方波，将会严重污染电网。假如靠调整逆变反压角来调功，调功范围是很窄，所以并联逆变电源是无法实现一拖二运行。 中国外中频感应电炉关键有二种类型，并联逆变和串联逆变二类，过去因为中国不能生产高压谐振电热电容和大功率高压可控硅，所以普遍生产并
6、联谐振型中频炉，现在因为近二年元器件在技术上已经有所突破，所以部分电炉制厂商全部竞相争雄开发串联型中频电炉。 并联逆变是电流型谐振(a)振荡回路中电流I是电源供给电流iQ倍Q为回路品质原因，通常可达6以上，所以电流I在谐振回路内很大，负载线圈L，电容C，和铜排内发烧损耗很大。 串联逆变是电压型谐振(b)，回路中电流和电源供给电流相等，而在电容C和负载线圈上振荡电压为电源电压Q倍，可高达2 5 00VAC以上。因为谐振回路电流I等于经过可控硅电源电流i。所以串联逆变较并联逆变回路中电能损耗要小得多，所以串联逆变电炉电效率大大高于并联逆变电路。图2 串并联谐振电路三，一拖二工作原理 运行方法采取一
7、拖二，一拖二即一套整流电源带动二套逆变装置运行，也可以任何一套逆变装置单独运行，供电给A炉或B炉，双供电一拖二功效，尤其适适用于中小铸件大批量连续生产运行，任意一台电炉高功率熔化作业，另一台炉体可保温或将冷料预热，功率按需任意分配，二台电炉使用功率总和恒定不变，即 总功率P总=PA+PB 两台电炉连续交替熔化和保温浇铸，同时运行，可使电源一直在满功率下运行，以此提升电炉熔化生产率，图3为一拖二方块图。 图3 一拖二电路方块示意图 串联逆变电源工作时，整流一直在全导通情况下工作，改变逆变回路输出功率是靠控制逆变触发脉冲频率来实现。且负载电流为正弦波，所以串联逆变电源不会有高次谐波严重污染电网，且
8、功率因数高。而并联逆变不可能实现一拖二自动调功运行，因为并联逆变电源调功只能靠调整整流桥输出电压来实现，当并联逆变整流桥工作在低电压，整流导通角很小状态下，设备功率因数将会很低，且并联逆变负载电流为方波，将会严重污染电网。假如靠调整逆变反压角来调功，调功范围是很窄，所以并联逆变电源是无法实现一拖二运行。并联和串联谐振逆变比较项 目 并联谐振 串联谐振回路组成图2(a)图2(b)输出功率控制方法整流可控硅触发脉冲相位调整调整逆变触发脉冲频率输入端功率因数最高小于085095以上输出电流电流大电流小对电网谐波干扰谐波干扰大几乎无谐波干扰一拖二运行不可可效率铜排及功率元器件热损耗大铜排及功率元器件热
9、损耗小 四、串联逆变电源工作原理 串联逆变电源为电压源供电，串联逆变电源主回路原理图图4所表示。图4串联逆变电源原理图 电源由三相桥式整流桥和可控硅半桥逆变电路组成，运行时整流桥可控硅全导通，满电压工作。逆变器主电路由二组可控硅桥臂和二组谐振电容器及电炉线圈组成，半桥逆变电路适适用于大功率低频率恒压源逆变器。 逆变桥臂上两个SCR交替导通，任何一只SCR导通一定要在串联负载电流过零以后，即大于SCR关闭时间TOT以后，触发导通，图5，6所表示逆变器负载波形图，当SCR电流过零后，和其并联反向二极管导通，其反向压降把SCR关闭，以后另一臂SCR才能触发导通，逆变器输出工作频率为300400Hz，
10、工作频率越高，输出功率越大。 图5为逆变器触发脉冲和负载波形图，把可控硅视为理想开关，瞬时导通和关断，电感L和电阻R串联，等效于炉体负载，触发脉冲频率略低于负载谐振频率f。图5 逆变波形 半桥逆变器工作电流流动路经描述 图6为简化逆变器电路图，逆变运行时，电流经过逆变器和炉体线圈L路径，逆变器工作波形图7所表示，逆变工作前恒定直流电压Ud为电容C1、C2均分，各充电至12Ud，均为上正下负电压，当t=to时SCRl被触发导通，电容C1电荷经过SCRl-Lf-Rf -C1下端放电，另一路是使C2充电，+Ud由CF上端-SCRl-Lf-Rf-C2-CF下端，这二路全部是同一谐振电路一部份，因为C1
11、=C2，因而两路工作频率相同，等于C=C1+C2，Lf-Rf组成谐振频率。当t=t1时C1放电结束，C1电压为零，C2上电压肯定充电到Ud，因为CF两端电压恒定，其值等于C1和C2电压之和，此时流过负载线圈电流为最大，I=I1+I2，因为在炉体线圈中储蓄磁场能量作用下，继续维持上述两路电流流动，使电容C1反向充电，下正上负，而C2则从Ud值继续升高，直到t=t2时，磁场能量降至零，线圈Lf电流I=0，这时C1上反压和C2上正向电压全部达成最大值，到此流过炉体线圈电流为半个正弦波周期。图6 逆变器电流流向图图7 半桥逆变器工作波形 接着住C1，C2电容电压作用下，形成两路和前述两路路径基础相同，
12、只 是DI替换SCRl经过电流，而电流方向和前完全相反，此电流仍按正弦波规律 改变，直到t=t4时，C1正向充电到12Ud，C2电压也恢复到12Ud，炉体线圈电流又降至零，至此经过炉体负载电流完成一个正弦波周期，当放电电流经过二极管D1时，其反向压降使SCRl关断，假如在大于可控硅SCRl TOT关断时间，立即将SCR2触发导通，电流14经过C1-Rf-Lf-SCR2-CF下端，对C1充电，炉体线圈从电源吸收电能，其电流和放电电流方向一致，触发SCRl时间越靠近 TOT，炉体线圈输出功率就越大，假如SCR2一直不能通，上述放电电流将形 成炉体感应器电流负半周，当电流抵达零时，C1和C2上电压将
13、相等，等于 12Ud。 负载在SCRl或SCR2导通期间，从电源获取电能，在D1，D2导通期间， 电容中电能又反馈到电源，显然D1是在SCRl电流过零到SCR2导通期间导通。D1导通时间一定要大于SCRl关断时间TOT，SCR2导通后，SCR2便接 过D1中电流，使D1自行关断，D2工作过程和D1相同，只不过用来使SCR2 关断。图8为逆变运行时，示波实器测波形 (a)负载电压波形 (b)谐振电容波形 (c)逆变桥SCR电压波形图8 示波器测试实际波形谐振回路自然谐振频率f0在运行中不是固定不变，电感L和等效电阻R伴随温度和炉料多少而不停改变，对一定容量炉体是在一定范围内改变。F0=2Lf炉体
14、电感Rf炉料等效电阻C谐振电容C1+C2 电压源串联逆变器触发脉冲频率一直低于负载谐振频率，当触发脉冲频率靠近谐振频率时，负载阻抗降低，输出功率增加。当触发脉冲频率越低于负载谐振频率时，负载阻抗增大，输出功率便减小。图9所描绘频率对功率改变曲线，所以电炉一直在低于谐振频率下工作。图9频率和输出功率关系 为了降低中频熔化电源工作时对电网产生谐波干扰，我企业生产500kw以上中频电源采取12脉冲可控硅桥式整流线路。中频熔化电源整流变压器采取了D/Y-11，d0接线形式，变压器二次有二组三相输出，这二组输出线电压相等，全部是380V，不过相位相差30。二组输出分别接I和II组整流桥。变压器一次电流6脉冲整流谐波分析变压器一次电流12脉冲整流谐波分析理论分析表明，通常三相6脉冲可控硅桥式整流线路在工作时会对电网产生5次，7次，11次，13次和更高次谐波干扰电流，这些谐波电流大小分别是工频基波电流1/5，1/7，1/11和1/13。当中频熔化电源输出功率比较大时，假如采取三相6脉冲可控硅桥式整流线路，它们工作时产生谐波干扰有可能造成当地电网谐波超标（取决于当地电网短路容
