海山中頻爐網(wǎng)研制的串聯(lián)逆變中頻電源介紹

一拖二、一拖三設(shè)備可以一臺電源同時供一臺熔煉爐，一臺爐保溫精煉。這樣一套設(shè)備相當(dāng)于兩套設(shè)備使用，變壓器利用率特別高?？梢允∪ソ咏话氲淖儔浩魅萘渴褂觅M。由于采用串聯(lián)整流、串聯(lián)逆變，功率因數(shù)高，可以一直保持在0.98以上，無高次諧波污染，各項指標(biāo)均已達到國家供電部門要求，不用上無功補償裝置和消諧裝置，感應(yīng)圈電流小，熔煉時間短，可節(jié)省用電20%，是當(dāng)今，功率因數(shù)的中頻設(shè)備，各項指標(biāo)國內(nèi)外同行并接近水平。
90年代我國工業(yè)飛速發(fā)展，大容量、高功率，低能耗的中頻電爐越來越被人們所關(guān)注，尤其在鑄造領(lǐng)域中，中頻電爐能提供高質(zhì)量的鐵水和鋼水，便于在熔化過程中控制溫度和化學(xué)成份，因此近年大量引進國外制造的大容量可控硅中頻電爐，已達數(shù)百臺之多，幾乎國內(nèi)上規(guī)模的機械制造廠、機床廠、汽車制造廠的技術(shù)市場都被國外廠商占有，，目前國內(nèi)產(chǎn)品比較國外，在控制技術(shù)上，按裝工藝上仍有相當(dāng)差距。
鑄造廠的傳統(tǒng)熔化設(shè)備沖天爐，出鐵溫度低，鐵水在爐中增碳較多，不易生產(chǎn)出高質(zhì)量鑄鐵件，且沖天爐嚴(yán)重污染環(huán)境，在城市區(qū)域內(nèi)不容許存在，目前國內(nèi)鑄造用焦價格猛漲，與中頻電爐熔化成本相當(dāng)。因此大容量中頻電爐是鑄造廠節(jié)能、高效、清潔環(huán)保型熔化設(shè)備，所以我們研制，開發(fā)大熔量高功率的中頻電爐起點高，技術(shù)指標(biāo)以國外的電爐為目標(biāo)。
一、元器件的選擇
目前已經(jīng)研制成功的具有一拖二功能的可控硅中頻熔化爐，是高效節(jié)電的熔化設(shè)備。
我國電器工業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展，目前按裝大容量中頻電爐元器件己具備相當(dāng)條件，大電流耐高壓可控硅，高壓電熱電容己能生產(chǎn)，滿足需求。
中頻逆變電源的開關(guān)元件，目前有二種，可控硅SCR和絕緣柵雙極型場效應(yīng)晶體管IGBT，根據(jù)國外文獻所載，大功率，較低頻率(<1000Hz)的逆變電源，選用可控硅的關(guān)閉時間要求較低，TOT可以在50～60微秒級，這樣硅片的厚度可以厚些，可控硅的耐壓便可以提高，且可控硅的價格比IGBT低得多，而且工作穩(wěn)定性和可靠性比IGBT高，我們設(shè)計的逆變器選用KK2500A/2500V可控硅。目前世界上技術(shù)、規(guī)模的美國應(yīng)達電爐公司仍采用大功率可控硅組裝。
IGBT特別適用于頻率高，功率較小的變頻加熱設(shè)備，如小容量中頻真空熔煉爐，工件表面淬火和小件透熱等。目前國內(nèi)200A以上的IGBT都需依賴進口，還受到出口國的限制，容量為800A/1500V。組裝大功率電源時，不得不把IGBT串聯(lián)后再多組并聯(lián)，對用戶來說，元件損壞時就得長期依賴于設(shè)備制造廠商供應(yīng)備件。
二、串并電路的比較
國內(nèi)外中頻感應(yīng)電爐主要有二種類型，并聯(lián)逆變和串聯(lián)逆變二類，過去由于我國不能生產(chǎn)高壓諧振電熱電容和大功率高壓可控硅，所以普遍生產(chǎn)并聯(lián)諧振型中頻爐，現(xiàn)在由于近二年元器件在技術(shù)上已有所突破，所以一些電爐制廠商都競相爭雄開發(fā)串聯(lián)型中頻電爐。
并聯(lián)逆變是電流型諧振(a)振蕩回路中的電流I是電源供給電流i的Q倍Q為回路品質(zhì)因素，通?？蛇_6以上，因此電流I在諧振回路內(nèi)很大，負載線圈L，電容C，以及銅排內(nèi)發(fā)熱損耗很大。串聯(lián)逆變是電壓型諧振(b)，回路中的電流與電源供給的電流相等，而在電容C和負載線圈上的振蕩電壓為電源電壓的Q倍，可高達2500VAC以上。
由于諧振回路電流I等于通過可控硅的電源電流i。所以串聯(lián)逆變較并聯(lián)逆變回路中的電能損耗要小得多，因此串聯(lián)逆變電爐電效率大大高于并聯(lián)逆變電路。
三、一拖二工作原理
運行方式采用一拖二，一拖二即一套整流電源帶動二套逆變裝置運行，也可以任何一套逆變裝置單獨運行，供電給A爐或B爐，雙供電一拖二功能，特別適用于中小鑄件大批量連續(xù)生產(chǎn)運行，任意一臺電爐高功率熔化作業(yè)，另一臺爐體可保溫或?qū)⒗淞项A(yù)熱，功率按需任意分配，二臺電爐的使用功率總和恒定不變，即總功率P總=PA+PB兩臺電爐連續(xù)交替熔化和保溫澆鑄，同時運行，可使電源始終在滿功率下運行，以此提高電爐的熔化生產(chǎn)率。
串聯(lián)逆變電源工作時，整流始終在全導(dǎo)通情況下工作，改變逆變回路輸出功率是靠控制逆變觸發(fā)脈沖頻率來實現(xiàn)。且負載電流為正弦波，所以串聯(lián)逆變電源不會有高次諧波嚴(yán)重污染電網(wǎng)，且功率因數(shù)高?？梢员ＷC設(shè)備在保溫、烘爐等任何工況下的功率因素大于是0.98。而并聯(lián)逆變不可能實現(xiàn)一拖二自動調(diào)功運行，因為并聯(lián)逆變電源調(diào)功只能靠調(diào)節(jié)整流橋輸出電壓來實現(xiàn)，當(dāng)并聯(lián)逆變整流橋工作在低電壓，整流導(dǎo)通角很小狀態(tài)下，設(shè)備的功率因數(shù)將會很低，且并聯(lián)逆變負載電流為方波，將會嚴(yán)重污染電網(wǎng)。如果靠調(diào)節(jié)逆變反壓角來調(diào)功，調(diào)功范圍是很窄的，因此并聯(lián)逆變電源是無法實現(xiàn)一拖二運行的。
四、串聯(lián)逆變電源工作原理
串聯(lián)逆變電源為電壓源供電，電源由三相橋式整流橋和可控硅半橋逆變電路組成，運行時整流橋可控硅全導(dǎo)通，滿電壓工作。逆變器主電路由二組可控硅橋臂和二組諧振電容器及電爐線圈組成，半橋逆變電路適用于大功率低頻率恒壓源逆變器。
逆變橋臂上兩個SCR交替導(dǎo)通，任何一只SCR導(dǎo)通一定要在串聯(lián)負載電流過零之后，即大于SCR關(guān)閉時間TOT之后，觸發(fā)導(dǎo)通，如圖5，6所示逆變器負載波形圖，當(dāng)SCR電流過零后，與其并聯(lián)的反向二極管導(dǎo)通，其反向壓降把SCR關(guān)閉，之后另一臂SCR才能觸發(fā)導(dǎo)通，逆變器的輸出工作頻率為300—400Hz，工作頻率越高，輸出功率越大。
五、電子控制系統(tǒng)原理
電爐開始運行時，功率電位器設(shè)在零點，按下啟動按鈕，啟動脈沖振蕩器開始振蕩，振蕩頻率根據(jù)爐子諧振頻率設(shè)定，現(xiàn)在啟動頻率設(shè)定為125Hz，由此產(chǎn)生鋸齒波和方波，方波后沿形成寬度約6us的脈沖，且與二分頻后的方波同時輸入脈沖邏輯控制單元A與B兩路，使邏輯單元A與B輸出脈沖形成相位相差180度的可控硅觸發(fā)脈沖，并分別經(jīng)過脈沖功放、驅(qū)動觸發(fā)電路A與B，分別觸發(fā)二個橋臂上的可控硅SCRl與SCR2，起動時方波寬度最寬，隨后操作功率調(diào)節(jié)電位器，逐漸提高控制電壓，使S總線負值電壓值逐漸增加，鋸齒波斜率增加，寬度減小，此時方波寬度變窄，逆變觸發(fā)脈沖向電流過零點靠近，輸出功率便逐步增加。當(dāng)反饋實時功率，大于調(diào)節(jié)電位器給定值時，通過積分調(diào)節(jié)，使S總線電壓負值電壓值降低，觸發(fā)脈沖又后移，如此反復(fù)在給定電壓值上穩(wěn)定調(diào)節(jié)，輸出所要求的功率。
實時功率信號是通過乘法器532，將SCR逆變電壓與逆變電流信號相乘而得。
所有輸入信號，逆變電流，實時功率，爐體線圈電壓，電容電壓及頻率，都通過傳感器和電子電路將輸入信號和各設(shè)定極限值比較，當(dāng)比較器輸出極性相反的電壓時，通過積分調(diào)節(jié)器，改變S控制總線電壓，使方波變寬，觸發(fā)脈沖后移、功率減小，各反饋信號也相應(yīng)減小，如此反復(fù)穩(wěn)定在設(shè)定點，當(dāng)各參數(shù)超過設(shè)定值時，在顯示屏上有相應(yīng)的極限指示燈顯示。
在控制系統(tǒng)中具有特殊設(shè)計的控制電路，保證起動時逆變器可控硅在滿功率下觸通，不會有過流沖擊現(xiàn)象。它具有緩沖電流上升的作用，逆變觸發(fā)脈沖緩慢從后向電流過零點移動，因此不致電路產(chǎn)生過電壓，同樣逆變器也可以在滿功率下停止工作。
六、完善的保護系統(tǒng)
1、逆變可控硅過壓保護，當(dāng)電路有外來干擾或系統(tǒng)故障，使逆變SCR兩端承受的電壓超過設(shè)定安全電壓時，專用的傳感器便會產(chǎn)生光電信號，其發(fā)送器通過光纖輸入到控制板，使逆變可控硅SRC1、SRC2都導(dǎo)通，立即使可控硅失壓。
并封閉整流橋SCRl—6觸發(fā)脈沖，停止直流電源供給逆變橋，此時在電抗器上產(chǎn)生的反壓將通過二極管D3和SCRl-2放電，使用光纖傳輸技術(shù)，可以避免傳輸信號在高電壓大電流的強電磁場中的干擾。
2、逆變可控硅SCRl-2在運行中，由于電路故障停止換流時，直流電源將直接通過SCRl-2產(chǎn)生浪涌短路電流，此時在電抗器上將檢測到反向感應(yīng)電壓，并在直流母排上的電壓也將快速降低，此時，分別通過電抗器CLR反壓傳感器和直流母排DCBUS電壓傳感器的電壓信號輸入整流電子電路控制板ACI，使整流觸發(fā)脈沖及時，保護逆變器可控硅不致過流燒損，電爐立即停止運行，此時事故顯示屏上將有顯示。
3、電爐具有可靠的調(diào)節(jié)系統(tǒng)和保護系統(tǒng)，運行時電爐的輸出功率，電流、電容電壓，爐體線圈電壓，對設(shè)定值隨時進行積分調(diào)節(jié)，工作平穩(wěn)，保證了電爐的安全運行。
故障保護系統(tǒng)可靠，對爐體和電源柜內(nèi)的水壓、水溫，電容容器內(nèi)壓力，選爐開關(guān)位置，及可控硅過壓進行保護，即使電源輸出銅排瞬時短路，反應(yīng)靈敏、快捷，能及時停機，保證不損壞電氣元件。
結(jié)語
1、采用串聯(lián)諧振電路，爐子的電效率大大高于并聯(lián)逆變電爐，具有一拖二功能，一臺電源可同時向兩臺電爐供電，功率按需任意分配，高效，快速，節(jié)電。
2、控制系統(tǒng)電路板及各種傳感器均按裝在屏蔽室內(nèi)，與高壓大電流銅排和功率器件隔離，避免強電磁場干擾，電路板工作在封閉清潔環(huán)境中，提高了電路板的使用壽命，控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，爐前工操作簡便，，在任何負載情況下，包括滿爐料，凍爐起動成功率均為99%。
3、整流橋采用可控硅，是為了實現(xiàn)軟起動和逆變故障時作為電子開關(guān)，快速切斷直流供電，電爐運行時，不用它調(diào)壓，而在全開通狀態(tài)下工作，因而有高的供電功率因數(shù)，從而減小供電容量，全丌通狀態(tài)工作對供電網(wǎng)的干擾減到最小限度。
4、控制電路具有的調(diào)節(jié)系統(tǒng)和故障診斷顯示一拖二運行采用一體化結(jié)構(gòu)，占地少，可以減少高壓變壓器容量一半，大大減少變電室投資。所有電器部件和匹配電容都裝在機柜內(nèi)，形成一體化電源，便于按裝