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中频感应电炉串联线路和双供电电源的工程设计


中频感应电炉串联线路和双供电电源的工程设计
田志明 杨哲 江维 摘 要:本文对感应加热中频电源负载串联主线路的原理进行简要论述,该线路在铸造行业的熔炼加热

设备应用较多,特别是其线路构成的双供电电源,能满足铸造一边熔炼,一边保温浇铸,两炉同时工作的 工艺要求。是近几年的市场热点。

关键词:中频电源,双供电电源,一拖二电源,串联

逆变,感应熔炼 1 引言 现代铸造行业的金属熔炼设备中,中频感应熔炼炉几乎是必须的金属加热熔炼设备, 遍及全球各个铸造厂。因为其环保,节能、高效率,自动化程度高等明显的优势,正在快速 取代传统的煤、油、气炉等加热装置。在中频感应熔炼炉前十多年,中频电源以并联线路为 主,只能单炉工作,即,熔炼一炉金属,一模一模的浇铸,炉子金属溶液浇铸完(期间必须 加保温功率,防炉温下降) ;再熔炼,再浇铸。生产效率低,相对耗能较大。近些年,研发 出并应用在铸造行业的双供电电源,俗称“一拖二”电源,解决了铸造行业同时熔炼和保温 浇注的工艺难题,此装置得以快速推广。 一拖二电源的功能是:利用一台中频电源连接两台炉体同时工作,其中一台炉体分配 大功率用于快速熔炼,另一台进行浇铸的炉子分配小功率保温。当保温炉浇铸完后,由小功 率转为大功率熔炼, 而熔炼达浇铸温度的炉子再由大功率转小功率保温, 即该电源可以在两 个同时工作的炉子间自由分配功率大小。除此之外,也可以两台炉子分配相等功率(额定功 率一半) ,也可以一台停炉不分配功率,另一台分配部分或额定功率。显然,这种感应熔炼 装置具有较大的灵活性和实用性。原理框图见图 1。

图 1 一拖二铸造感应熔炼装置框图

但这种装置较传统感应并联逆变线路单炉熔炼装置要复杂些,特别是一拖二电源,构 造要复杂许多, 在国内只有很少的工业感应加热公司掌握这方面技术, 美国和德国同类技术 较我国先进。 这里以串联半桥实用电路举例说明双供电, 即保温和熔炼两用的感应加热电源, 其主电 路大多数采用的是中频电源的串联线路的半桥线路。 整流部分由二极管组成三相整流全桥电 路,电容滤波,逆变部分有两个线路原理结构一样的半桥逆变输出,每个桥独立的接一个负 载电路(炉子和电容器) 。

该线路电源的一些基本参数如下: 工作频率为 150~1000Hz, 进线电压, 三相 380V、 420V、 575V 电源供电,50Hz,输出功率为 800~8000kW。

图 2 倾炉出钢

图 3 浇铸工件

2 串联全桥逆变器主要数量关系 串联半桥逆变电路同全桥逆变电路有着较相似的概念, 先提串联全桥逆变器便于理解后 边内容。全桥逆变器输出电压 uab 。我们可以近似地认为 uAB 是方波,高次谐波则具有较高 的阻抗, 故可以将高次谐波都忽略掉而只研究基波电流。 这样就可以把非正弦电路当作正弦 电路来研究,使计算工作大大简化。

图 4 串联逆变器电路

U a 1 m? b

1

?

?

2?

0

u a?bc o s t d ( t ) ? ?

?
?
基波有效值为:

2

?

?

? 2 2 0

? ?

U d cos ?td (?t ) ?

2

?

?

?
? 2 2

? ?

(1 ? U d ) cos ?td (?t )

4U d

?

cos

?
2

?

4U d

?

cos

? ??
2

U ab1 ?
式中

2 2

?

U d ? cos

? ??
2
的角度。

? ? 触发脉冲滞后于电流 iH

? ? 晶闸管承受反向电压的角度,称为反压角。
输出功率 PH 。 采用基波法计算输出功率为:

PH ? Uab1 I H cos ?

? ?? ?
可以得到:

?
2

?? ?

? ??
2

?

? ??
2

???

?
2

PH ? 2 2

2 2

?

U d I H cos

? ??
2

cos

? ??
2

?

U d I H cos cos ? ? 2

?

输出电流 I H

IH ? ?

? PH
2 2U d cos ?

?
2

cos ?

? IH ? 2 2 cos ? cos ?
2

反向角 ?

? ? kq ?tq ? ( 1 . 2 ~ 2 . 0 )f2q ? t
换流过程中,晶闸管能承受的反向电压的时间,必须大于晶闸管的关断时间 t q ,即 晶闸管的电流 IT

IT ? ki

2

?

Ik ?

2

?

ki kK I H

式中 ki ? 安全系数 一般取(1.2~2.0)

kK ? 取值为 (1~0.954)

晶闸管的电流

di 值 dt

U di ? dik 1 ? 2 ?? ?IH ? d ? ? dt ? dt ? m 2 2 Lk
晶闸管的正向阻断电压 U DRM

?3 ? 2 U DRM ? ku ? U d ? ? LK I H ? ?2 ? 2 ? ? ku ? 1.5 ~ 2.0
串联谐振频率 f0

f0 ?

1 2? LC

串联谐振时等效阻抗 RD

RD ? Z ? R
串联电路谐振时电流 I H 0

IH 0 ? IH ?
感应线圈 L 上电压 U L0

U ab R

U L0 ? j?0 LI H 0 ? j?0 L

U ab ? jQU ab R

串联谐振特征阻抗 X T ? X C ? X L ? ?0 L ? 或

1 L L? C LC

XT ? Q R

串联谐振负载有功功率 P 0
2 P0 ? I H0U C ? Q 2 U ab R

串联谐振电容的无功功率 QC

QC ? I H0U C ? Q
感应线圈的无功功率 QL

2 U ab ? QP0 R

QL ? I H0U L ? QP 0
串联谐振电路品质因数 Q

Q ?
3 一拖二电源主电路
VT 7

?0 L
R

?

1 ?0CR

一拖二电源电路由两个串联逆变半桥电路组成。所以主电路的一些元件参数计算同上 面的方法基本一致稍有差别。 逆变前端可以看作一个恒压源。 所以直流滤波由大容量的直流 滤波电容承担。 图 5 所示为一拖二中频电源主电路原理图,这种电路由两个逆变半桥电路构造。逆变 桥半桥和全桥电路区别在左边的两个臂的晶闸管由两组上下电容量相等的电容所取代。 半桥 逆变电路输出电压仅是全桥逆变器输出电压的一半,串联逆变电路,半桥和全桥电路比较, 结构要简单一些,运行比较可靠,可以解决负载串联谐振 L、C 元件上电压太高的问题。 工作原理: 晶闸管 VT1~ 6 组成三相全控桥式整流电路, 将工频电能整流, 并经 Ld 和 C F 滤 波,成恒定直流电压供给逆变器 1 和逆变器 2。 R1~ 6 和 C1~ 6 组成浪涌电压吸收电路。VD1 为 续流二极管。 R8 给 C F 提供放电通路, C7 、 C8 、

C9 、 C10 组成半桥逆变器的左臂。

图 5 一拖二主电路原理图

电源本可以用 6 只功率二极管组成整流电路, 这里却用了 6 只晶闸管组成全控桥式整流

电路,目的不用它调压(调功率) ,只为用它实现软起动和在故障时保护和作为电子开关, 快速切断电源。正常工作时,晶闸管总是处于全导通状态(等同于功率二极管) ,以使电网 供电具有高的功率因数和降低谐波干扰。 电源容量小常采用单个三相整流全桥, 大容量用两个或多个三相整流全桥或并, 或串组 成中频电源的大容量整流电路。 逆变器也选功率输出大的快速晶闸管作为变频逆变的开关器 件。 逆变器由晶闸管 VT7 、 VT8 和电容器 C7 、 C8 组成单相逆变半桥。 C7 、 C8 的规格容量 相同。 LR1 是感应炉, L 、 R 为感应炉的等效电感和电阻。并联在晶闸管 VT7 ,8 两端的 R p 为 均压电阻, RS 1, S 2 、 CS 和 DS 组成浪涌电压吸收电路。电感 L1 和 L2 用于抑制器件换流时的

di / dt 上升电流,同时, L1 和 L2 也是谐振电路的一部分,其大小会影响逆变器的工作频率。
从一拖二主电路看出,逆变电路有两组,而且电路结构都是一样的。下面仅针对逆变器 1 设计其参数,另一组是相同的。 4 一拖二中频电源的工程设计 参考图 5 电路,举例设计一个感应熔炼炉一拖二电源。 (1)已知一拖二电源进线电压三相 380V,额定功率 500kW,频率 1000Hz,每个逆变 器运行最大输出功率 500kW。感应熔炼炉 1t。 整流电路和并联逆变中频电源的设计计算原理一致,这里不再重复。通过计算得出: 直流电压 Ud=500V,直流电流 Id=1000A,电源转换效率η =0.9。 (2) 滤波电容器 Cd 串联逆变器的前端并联了一个大容量的滤波电容器 Cd,这是串联逆变器的一个特点。 串联逆变器的输入电流中, 不但有直流分量, 而且还有频率为逆变器工作频率二倍的交流分 量,输入电流中交流分量会在直流电源的内阻上产生交流电压,影响直流电压稳定。为了减 少直流电源的交流阻抗, 必须有足够大的滤波电容器与整流部分并联, 构成一个低阻抗的恒 压源。 该滤波电容的电容大小应该使直流电压的波动不超过允许值, 为了保证逆变器正常运 行,直流电源电压波动允许值应小于 0.05Ud(5%Ud) ,三相全桥纹波中脉动电压基波成分 是 300Hz,为确保晶闸管工作在最小导通角时,逆变器能稳定工作,滤波电路的时间常数, 即滤波电容器 Cd 与直流电源的等效负载电阻 Rd 的乘积,应当为波纹中基波时间的 6 倍以 上,一般取 6~8 倍。因此可的出下式:

? ? Rd Cd ?


6 ~ 8 ( s )? ( 2 0 ~ 2 7 )3 ? s0 ( ? 1 300

)

Cd ? (20 ~ 27) ?103

I 1 ( ? s) ? (20 ~ 27) ?103 d ( ? F ) Rd Ud

Cd ?? (20 ~ 27) ?103


Id (? F ) Ud

1100 500 ? 45000 ~ 60000? F ? (20 ~ 27) ?103 ?



Cd ? 50000? F

滤波电容器的电压一般取进线电压 1.5 倍( ? 2U1 ) 。滤波电容可以选用专用直流滤波 电容器。 (3) 限流电抗器 Ld 限流电抗器 Ld,主要作用是限流。其次作用吸收电流尖峰,并续流(延迟或延长流通 时间)当串联逆变器发生直通故障时,将有很大的直通电流通过逆变器中直通的晶闸管。为 了在直通保护动作前能将直通电流限制在晶闸管元件允许的过载范围内。 Ld 常按照这个关系式计算 有

Ld Cd ? ( 2 0 ~ 3? ) 3 1 0 ( ? F 3 mH ?

)

Ld ?

20 ~ 33 3 ?1 0 ( H ) m Cd

20 ~ 33 ?103 (mH ) 50000 ? 0.4 ~ 0.66(mH ) Ld ?
Ld 可按 0.4mH,1100A 设计。设计时还有注意在最大功率工作状态下,逆变器突然停 止工作,储存在 Ld 上的能量转移到 Cd 上,升高了电压并对逆变管的耐压产生不利因素。 所以 Ld 值不能太大,可控制在上述情况发生时,一般电压仅升高 1.2 倍。即满足下面条件。

Ld ?

2 CdU d (1.2 ? 1)2 (H ) 2 Id

50000 ?10?6 ? 5002 ? (0.2)2 Ld ? ( H ) ? 0.41(mH ) 11002
和前面计算取值基本一致,可不做大的调整。 (4) 高频滤波电容 Cb Cb 为高频电流提供一个回路,减少器件发热。Cb 值一般根据经验而定。Cb 频率选逆 变器频率的 2 倍,电压高于直流电压 1.5 倍,中频频率段可选 200~100uF;超音频段选 10~50uF;高频段选 3~0.3uF。 (5)逆变器换流电抗器 L1,L2 串联在逆变半桥壁的 L1、L2 是空心电抗器,两个线圈绕制成一个元件,分别有两组接 线端。 (6)输出电路 IH、电压 U ab 逆变器输出电流

IH ?

2 2 cos cos ? 2

? Id ?

?

? Id
2 2 cos ?

IH ?

? Id
2 2 cos ?

?

3.14 ?1100 ? 1570( A) 2 2 ? cos 40

逆变器输出电压 全桥输出基波电压

U ab1 ?

2 2

?
2 2

U d cos

? ??
2

U ab1 ?
半桥输出电压

?

Ud ?

2 2 ? 500 ? 450(V ) 3.14

1 1 U ab ? U ab1 ? ? 450 ? 225(V ) 2 2

(7)晶闸管、快速二极管选择 晶闸管承受反向电压 UDDR 流过逆变晶闸管的电流

Ik ?

1 1 IH ? ?1570 ? 1110( A) 2 2

逆变晶闸管的正向阻断电压

UD R M? k ( 2 U? K 1

2 I? L ) H k

? 2 ? ( 2 ? 380 ? 2 ?1570 ? 2? ?1000 ? 3 ?10?6 ) ? 1070(V )
其中取换流电抗值为

Lk ? 3(? H )

di 根据计算, 可选 KK 型快速晶闸管的规格: 1200~1500V, 1200~1500A, / dt ? 200 A / ? s 。

tq ? 50? s 。
快速二极管选择基本同晶闸管的参数。 (8)负载电路参数 串联逆变全桥输出

U ( ab ) ?

2 2

?

Ud ?

2 2

?

? 500 ? 450(V )

串联逆变半桥输出

1 1 U ab ? U ( ab ) ? ? 450 ? 225(V ) 2 2

依据串联谐振电路理论

Uc ? Q Ua b ?6 ?2 2 5 ? 1 3 5 V ( ) 0

其中 选全桥 Q=3,半桥 Q=6。 其阻抗

Xc ?

U c 1350 ? ? 0.86(?) I H 1570

电容器

C?

1 1 1 ? ? ? 1.85 ?10?4 ( F ) ? 185( ? F ) ? X C 2? ?1000 0.86

电容器

2 QC ? I H X C ? 15702 ? 0.86 ? 2120(kVar)

可按 1500V,1000Hz,1200kVar 选择 2 台电热电容器。 感应线圈设计要用专业计算软件完成,这里仅计算线圈的电感量参数。
X L ? X C ? 0.86

L?

XL

?

?

XL 0.86 ? ? 1.37 ?10?4 ( H ) ? 137( ? H ) 2? f 2? ?1000

5 串联逆变器控制方法 一般而言,并联逆变控制电路会承担频率跟踪任务,而串联逆变控制电路除了应具有 频率跟踪功能外,可能还要求它具有调节输出功率的能力。其实,无论是并联逆变器,还是 串联逆变器,它们的控制电路的基本功能,都是把取自负载电路的信号,按照一定的要求, 经过波形变换,形成逆变桥中电力开关器件的驱动信号。各种控制电路之间的差别,只由于 所取的信号不同,波形变换手法各异,以及由于用作逆变开关的电力半导体器件不同,使所 需的驱动和保护电路不一样。但无论是并联逆变器还是串联逆变器,取自负载电路,并用于 实现频率跟踪的信号, 一般都是谐振电容器上的电压信号, 或是流过谐振电容器的电流信号, 有时只用其一, 有时则两个信号同时使用。 由于串联逆变器的控制电路往往还要有调节输出 功率的功能,这时取逆变桥臂的电流信号,会更方便些。 6 结束语 双供电电源, 俗称一拖二电源, 其突出之点在于一套电源可以同时为两台或多台感应炉 供电, 且功率大小可以在两台或多台感应炉上自由分配, 非常适合铸造行业一边熔炼一边保 温浇筑过程。 它是近几年开发的新型设备。 国外技术相对成熟, 国内电炉厂家也在积极跟进。 本文作者立足于多年新产品开发实际, 提供给朋友们一些实用资料, 以期对需要者有所帮助。 参考文献 1 潘天明,现代感应加热装置,[M],机械工业出版社,北京,1996, 2 王兆安等, 电力电子设备设计和应用手册 (第 3 版) [M], , 机械工业出版社, 北京, 2009.1 3 林渭勋,可控硅中频电源,[M],机械工业出版社,北京,1983.5


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