感應(yīng)電爐在國(guó)內(nèi)鑄造企業(yè)中的應(yīng)用可以追溯到上世紀(jì)七十年代，那時(shí)候工頻感應(yīng)電爐開(kāi)始逐漸推廣使用，在巔峰的時(shí)候曾經(jīng)有過(guò)10t 2.8MW和20t 4MW這樣規(guī)格的工頻感應(yīng)電爐投入運(yùn)行，然他們有很多的缺陷，并且最終也沒(méi)有被大面積的推廣，但是他們的出現(xiàn)開(kāi)創(chuàng)了使用電力，以電磁感應(yīng)的方式進(jìn)行鑄鐵熔化的先例，為以后更先進(jìn)的熔化方式指明了發(fā)展方向。

　　同期，隨著電力半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，中頻感應(yīng)電爐在國(guó)外被發(fā)明并逐步完善（不包括中頻發(fā)電機(jī)組），隨后傳入國(guó)內(nèi)，從上世紀(jì)七十年代末開(kāi)始國(guó)內(nèi)也有研究和試驗(yàn)性質(zhì)的應(yīng)用，規(guī)模都不大。直到上世紀(jì)九十年代以后，在歐美一些公司的大力推廣下，中頻感應(yīng)電爐在我國(guó)鑄造行業(yè)才進(jìn)入大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用階段。當(dāng)時(shí)的主要設(shè)備都產(chǎn)自國(guó)外，有以老牌傳統(tǒng)公司為代表的，采用并聯(lián)諧振技術(shù)的中頻感應(yīng)電爐和以一些新興公司為代表的，采用串聯(lián)諧振技術(shù)的一拖二變頻感應(yīng)電爐。西安機(jī)電研究所也是在那時(shí)候開(kāi)始從事于中頻感應(yīng)電爐技術(shù)的研究和推廣，并且于世紀(jì)之初推出了基于IGBT器件的一拖二變頻感應(yīng)電爐，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)產(chǎn)高功率一拖二變頻感應(yīng)電爐的應(yīng)用先例。

　　目前我國(guó)中頻電爐行業(yè)發(fā)展非常迅猛，技術(shù)上，國(guó)產(chǎn)設(shè)備的水平已經(jīng)接近國(guó)際最高水平。就中頻電源來(lái)說(shuō)，主電路采用的都是交流-直流-交流的換流方式，即先用整流器把工頻市電整流成脈動(dòng)直流電，再用濾波器把他變成平滑直流電，最后由逆變器逆變成單相中頻。根據(jù)補(bǔ)償電容器與負(fù)載聯(lián)接形式的不同，可以分為串聯(lián)諧振中頻電源和并聯(lián)諧振中頻電源二種。

　　并聯(lián)諧振電源因?yàn)檠a(bǔ)償電容器和電爐的感應(yīng)線(xiàn)圈自成振蕩回路，流過(guò)逆變電力半導(dǎo)體器件的電流通常是負(fù)載電流的1/6—1/10（熔化負(fù)載），這使得并聯(lián)諧振中頻電源在相同的逆變電力半導(dǎo)體器件的條件下容易做到更大的功率。

　　串聯(lián)諧振中頻電源應(yīng)用的比較晚，上世紀(jì)90年代以后才開(kāi)始在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用。因?yàn)槠洫?dú)特的功率調(diào)節(jié)方式，可以實(shí)現(xiàn)一拖二輸出，連續(xù)生產(chǎn)鐵水而受到用戶(hù)的青睞。通常中頻電源的功率調(diào)節(jié)是在最前面的整流器上完成，通過(guò)控制整流可控硅的導(dǎo)電角來(lái)控制輸出電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出功率的目的。串聯(lián)諧振中頻電源采用改變逆變器工作頻率的方式來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率，當(dāng)工作頻率接近諧振頻率時(shí)輸出功率增加，遠(yuǎn)離時(shí)輸出功率減小，而整流器的輸出電壓恒定不變，這也是串聯(lián)諧振中頻爐被稱(chēng)為變頻爐的原因。正是因?yàn)檫@個(gè)特性，在一個(gè)整流器上面可以?huà)燧d多個(gè)逆變器，通過(guò)適當(dāng)?shù)墓β驶ユi控制，只要保證所有逆變器的輸出功率之和不超過(guò)整流器的有效負(fù)載能力，每個(gè)逆變器都能夠獨(dú)自控制各自的輸出功率以滿(mǎn)足需求。典型的應(yīng)用就是一拖二變頻爐，一臺(tái)整流器帶了二個(gè)逆變器驅(qū)動(dòng)二臺(tái)規(guī)格相同的電爐，這樣可使一臺(tái)變頻電源的功率能靈活的分配給兩臺(tái)爐體，即把一臺(tái)電源的大功率分配給熔化爐，余下小功率分配給保溫爐，從而實(shí)現(xiàn)一熔化一保溫，使電爐系統(tǒng)具備連續(xù)生產(chǎn)鐵水的能力。

　　這二種類(lèi)型的中頻電源各自有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。因?yàn)檎髌鞑恍枰刂?，或只需淺度控制，使得串聯(lián)諧振中頻電源的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)很高且與輸出功率無(wú)關(guān)，這使他的應(yīng)用不會(huì)增加電網(wǎng)的無(wú)功損耗。在連續(xù)的造型線(xiàn)上采用串聯(lián)諧振一拖二電爐是典型的選擇，一拖二工作方式為造型線(xiàn)連續(xù)供應(yīng)鐵水，串聯(lián)諧振的原理使得保溫的那個(gè)電爐不會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)額外的無(wú)功。串聯(lián)諧振使得逆變可控硅要通過(guò)全部的負(fù)載電流，相同的輸出功率就需要更多的可控硅并聯(lián)，這造成了二個(gè)問(wèn)題，一是使設(shè)備的造價(jià)上升，二是更多的可控硅帶來(lái)了更多的損耗，相同的設(shè)計(jì)規(guī)范下，每噸鐵水的熔化成本將上升。并聯(lián)諧振中頻電源因?yàn)樵谡髌魃峡刂戚敵龉β?，?dāng)輸出功率降低的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生較大的無(wú)功損耗，因此他適合于純?nèi)刍膽?yīng)用（基本不保溫或很短的保溫操作），類(lèi)似于一班造型，一班熔化澆注，一班清理的生產(chǎn)流程就是其典型應(yīng)用，高功率熔化完畢后鐵水馬上去澆注，中頻電源基本沒(méi)什么低功率工作的時(shí)間，也就不會(huì)產(chǎn)生額外的無(wú)功損耗。

　　回顧一百多年來(lái)感應(yīng)熔化電爐的技術(shù)發(fā)展歷程，從工頻電爐（溝槽式和坩堝式）、倍頻電爐、中頻電爐發(fā)展到今天的可控硅變頻電爐?？梢钥吹剿募夹g(shù)發(fā)展一直圍繞著三個(gè)目標(biāo)進(jìn)行的，這三個(gè)目標(biāo)是：（1）適應(yīng)于不斷發(fā)展和完善的鑄造熔化工藝的要求；（2）降低熔化單耗和提高生產(chǎn)率；（3）降低勞動(dòng)強(qiáng)度，簡(jiǎn)化操作，滿(mǎn)足社會(huì)對(duì)人文和環(huán)保的要求。這也是今后感應(yīng)熔化技術(shù)的發(fā)展方向。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

　　更先進(jìn)的溫度控制技術(shù)

　　感應(yīng)熔化對(duì)溫度的控制主要表現(xiàn)在出爐溫度的控制，熔化中間過(guò)程的溫度是沒(méi)有意義的。傳統(tǒng)的方法是在固體料全部熔化后的升溫過(guò)程中，目測(cè)爐料的溫度，人工判斷接近出爐溫度時(shí)，多次采用快速熱電偶測(cè)量，直到溫度符合要求后出爐。這種方法有很多弊端：（1）需要經(jīng)驗(yàn)豐富的操作工人，（2）消耗很多的快速熱電偶，（3）如果疏忽，爐料可能持續(xù)升溫導(dǎo)致過(guò)熱，造成化學(xué)成分的燒損或燒壞爐襯。

　　新的溫度控制方法是采用基于能量平衡的控制技術(shù)。這是一個(gè)電腦軟件，可以是內(nèi)置于中頻電源控制CPU中的簡(jiǎn)單的能量計(jì)算程序，或是安裝在熔化管理計(jì)算機(jī)中，采用高級(jí)語(yǔ)言編制的復(fù)雜的軟件。它的基本功能是不斷監(jiān)測(cè)中頻電源的輸出功率，統(tǒng)計(jì)出送入電爐的能量，同時(shí)，它還對(duì)環(huán)境溫度，冷卻水溫度和流量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，這用來(lái)計(jì)算電爐消耗的能量。送入電爐的能量和電爐消耗的能量的差就是爐料獲得的能量，它和爐料的溫度有著固定的關(guān)系，用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，就能夠計(jì)算出爐料的溫度。這類(lèi)軟件往往具備誤差修正功能，能夠根據(jù)計(jì)算和實(shí)測(cè)的誤差，調(diào)整自己的計(jì)算模型，使以后的計(jì)算結(jié)果更加趨近實(shí)際結(jié)果。在生產(chǎn)實(shí)踐中，良好的計(jì)算模型能夠得到小于15度（熔化鑄鐵到1450度時(shí)）。

　　采用這樣的溫度控制技術(shù)后，熔化過(guò)程變得非常簡(jiǎn)單。不再需要人工判斷溫度，不再需要很多次的測(cè)溫，也避免了爐料過(guò)熱的危險(xiǎn)。當(dāng)爐料的溫度達(dá)到要求時(shí)，控制軟件能夠自動(dòng)的把中頻電源的輸出功率降到保溫功率，然后提示操作人員溫度已經(jīng)符合要求。

　　恒功率控制技術(shù)

　　在一個(gè)完整的熔化過(guò)程中，電爐的阻抗不是恒定的，而是隨爐料溫度和爐料密實(shí)程度的變化而變化。通常，爐料溫度越低，加料越密實(shí)，則電爐的阻抗就越小。如果以滿(mǎn)爐額定溫度的工況為基準(zhǔn)的話(huà)，熔化過(guò)程中電爐阻抗的變化范圍是這個(gè)數(shù)字的35%左右。電爐阻抗的變化有二個(gè)極端，一是冷態(tài)加滿(mǎn)料，剛開(kāi)始送電的時(shí)候，這時(shí)由于爐料溫度低，電阻率小，所以電爐阻抗最??；另外一個(gè)極端發(fā)生在爐料的溫度達(dá)到居里點(diǎn)的時(shí)候，這時(shí)候鐵開(kāi)始失去導(dǎo)磁性，但是又沒(méi)有熔化，爐料的密實(shí)程度沒(méi)有得到改善，這個(gè)時(shí)候電爐的阻抗最大。在這以后，隨著溫度的上升，熔化的鐵水逐漸填滿(mǎn)固體料之間的空隙，電爐的阻抗趨于穩(wěn)定。串聯(lián)諧振電源可以通過(guò)調(diào)節(jié)中頻電源的工作頻率，實(shí)現(xiàn)阻抗的調(diào)節(jié)。工作頻率的變化能夠直接改變電爐的阻抗，當(dāng)電爐阻抗太低時(shí)，適當(dāng)?shù)纳吖ぷ黝l率，而阻抗太高時(shí)，則降低工作頻率。通過(guò)這樣的調(diào)節(jié)，能夠使整個(gè)熔化過(guò)程中，電爐的阻抗基本一致，從而保證中頻電源始終在額定功率下工作。并聯(lián)諧振電源逆變器是用微控制器控制的，其逆變控制部分采用了人工智能控制程序，該程序在需要時(shí)可以小范圍改變逆變器的逆變角（在可控硅關(guān)斷時(shí)間允許范圍內(nèi)），因此使并聯(lián)逆變器具有了小范圍調(diào)節(jié)負(fù)載等效直流電阻的能力，和整流器的電流余量相配合，使這種可控硅并聯(lián)逆變中頻電源具有接近恒功率輸出的能力（不能完全達(dá)到）。

　　負(fù)載匹配研究

　　中頻電源和電爐及補(bǔ)償電容構(gòu)成了一個(gè)有機(jī)體，不可分割。負(fù)載的變化，或負(fù)載阻抗匹配的是否合適，會(huì)直接影響電源的額定功率；頻率是否能達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)，也會(huì)影響感應(yīng)加熱的效率。感應(yīng)線(xiàn)圈（負(fù)載）的設(shè)計(jì)計(jì)算十分復(fù)雜，要設(shè)計(jì)出一個(gè)滿(mǎn)意的負(fù)載線(xiàn)圈并非易事。目前采用的計(jì)算方法是忽略次要參數(shù)，或依靠經(jīng)驗(yàn)修正過(guò)的公式來(lái)設(shè)計(jì)，有較大誤差。今后為方便這方面的設(shè)計(jì)，需要在理論指導(dǎo)下建立精確的數(shù)字模型，特別是利用計(jì)算機(jī)的仿真技術(shù)，以便更大范圍地適應(yīng)各種型式負(fù)載的計(jì)算精度。在國(guó)外，特別是美國(guó)，在負(fù)載感應(yīng)器（線(xiàn)圈）用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和仿真方面已開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用的軟件，值得我們借鑒。

　　高功率因數(shù)與低諧波

　　IGBT串聯(lián)諧振電源采用二極管整流，任何功率下功率因數(shù)都在0.95以上，可控硅串聯(lián)諧振電源功率因數(shù)也在0.9以上，但是并聯(lián)諧振電源的功率因數(shù)就很低了，在滿(mǎn)功率情況下才能達(dá)到0.8-0.9。另外還有不可避免的諧波，對(duì)電網(wǎng)構(gòu)成了一定的污染，電源功率越大，這種問(wèn)題越突出。新一代電源必須是高功率因數(shù)，低諧波的電源?，F(xiàn)在發(fā)展的技術(shù)有：多重化整流技術(shù)、全控功率管加上矩陣控制或PWM控制等技術(shù)、串聯(lián)線(xiàn)路、斬波技術(shù)等。同時(shí)也催生了電源諧波的濾除和功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)南C裝置的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。

　　節(jié)能減排

　　現(xiàn)代設(shè)計(jì)良好的中頻電源（無(wú)論可控硅或IGBT）其變換效率一般都可達(dá)到98%以上。感應(yīng)器—爐料系統(tǒng)的電效率僅取決與感應(yīng)器—爐料系統(tǒng)自身，與中頻電源的輸出電壓或逆變型式無(wú)關(guān)。設(shè)計(jì)良好的感應(yīng)電爐的電效率通?？梢赃_(dá)到78%以上。因此，在現(xiàn)有技術(shù)思路下提高感應(yīng)電爐的熔化效率，不太可能取得很大幅度的提高。要做到比較大幅度的節(jié)能減排，就要在感應(yīng)器和爐料系統(tǒng)上做文章，突破現(xiàn)有的框架，建立全新的設(shè)計(jì)模型，把系統(tǒng)電效率提高到90%以上。

　　以上探討的技術(shù)和想法，有些已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)，有些還在研究和實(shí)驗(yàn)中。隨著技術(shù)的進(jìn)步，一定還會(huì)有更先進(jìn)，更理想的方法被發(fā)明和使用，使感應(yīng)熔化技術(shù)向節(jié)能，清潔和高效方向持續(xù)發(fā)展。

　　                    （來(lái)源：西安機(jī)電研究所）

　　 

　　 

免責(zé)聲明：本文系網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載，版權(quán)歸原作者所有。如涉及作品版權(quán)問(wèn)題，請(qǐng)與我們聯(lián)系，我們將根據(jù)您提供的版權(quán)證明材料確認(rèn)版權(quán)并于接到證明的一周內(nèi)予以刪除或做相關(guān)處理！Disclaimer: This article is reproduced on the Internet and the copyright belongs to the original author. If the copyright of the work is involved, please contact us. We will confirm the copyright according to the copyright proof materials provided by you and delete or deal with it within one week after receiving the proof!