可控硅串联逆变中频电炉技术说明书.docx

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1、word 格式支持编辑，如有帮助。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 年月我国工业飞速进展，大容量、高功率，低能耗的中频电炉越来越被人们所关注，尤其在铸造领域中，中频电炉能供给高质量的铁水和钢水，便于在 熔化过程中掌握温度和化学成份，因此近年大量引进国外制造的大容量可控硅中 频电炉，已达数百台之多，几乎国内上规模的机械制造厂、机床厂、汽车制造厂 的高端技术市场都被国外厂商占有，目前国内产品比较国外，在掌握技术上，按装工艺上仍有相当差距。铸造厂的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，且冲天炉严峻污染环境，在城市区域

2、内不容许存在，目前国 内铸造用焦价格猛涨，与中频电炉熔化本钱相当。因此大容量中频电炉是铸造厂 节能、高效、清洁环保型熔化设备，所以我们研制，开发大熔量高功率的中频电 炉起点高，技术指标以国外最先进的电炉为目标。串联逆变中频电源具有功率因素高，我公司生产的中频电源功率因素不低于0.98.高效节能，谐波小。一、元器件的选择目前已经研制成功的具有一拖二功能的可控硅中频熔化炉，是高效节电最正确的熔化设备。我国电器工业经过多年的进展，目前按装大容量中频电炉元器件己具备相当条件，大电流耐高压可控硅，高压电热电容己能生产，满足需求。中频逆变电源的开关元件，目前有二种，可控硅SCR 和绝缘栅双极型场效应晶体管

3、IGBT，依据国外文献所载，大功率，较低频率(1 000Hz)的逆变电源， 选用可控硅的关闭时间要求较低，TOT 可以在 5 060 微秒级，这样硅片的厚度可以厚些，可控硅的耐压便可以提高，且可控硅的价格比IGBT 低得多，而且工作稳定性和牢靠性比IGBT 高，我们设计的逆变器选用 KK2500A2 5 00V 可控硅。目前世界上技术最先进、规模最大的美国应达电炉公司仍承受大功率可控硅 组装。图 1 依据功率和频率选择逆变开关元件IGBT 特别适用于频率高，功率较小的变频加热设备，如小容量中频真空熔炼炉，工件外表淬火和小件透热等。目前国内200A 以上的IGBT 都需依靠进口， 还受到出口国的

4、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，元件损坏时就得长期依靠于设备制造厂商供给备件，依据图 1 我们选用国产大功率可控硅是合理的。二、串并电路的比较串并联逆变中频电源相比具有以下优点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，它的功率输出很小，与负载的性质有很大关系，所以其熔化速度慢、升温困难。而可控硅串联中频熔 炼炉是通过调频方式调整功率，所以受负载性质的影响相对小，熔炼全过程近乎保持恒功率输出，1支持编辑，如有帮助。由于是串联谐振，也就是电压谐振，感应圈电压高，电流小，所以电

5、能损失就小。2、 由于是串联逆变，功率因素高，谐波小，不需要再上无功补尝装置。这样可以为用户节约不小的一笔开支，也是供电部门大力提倡推广的先进设备。3、 串联逆变电源工作时，整流始终在全导通状态下工作，转变逆变回路输出功率是靠掌握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峻污染电网， 且功率因数高。而并联逆变不行能实现一拖二自动调功运行，由于并联逆变电源调功只能靠调 节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，设备的 功率因数将会很低，且并联逆变负载电流为方波，将会严峻污染电网。假设靠调整逆变反压角 来调功，调功范围是很窄的，因

6、此并联逆变电源是无法实现一拖二运行的。国内外中频感应电炉主要有二种类型，并联逆变和串联逆变二类，过去由于 我国不能生产高压谐振电热电容和大功率高压可控硅，所以普遍生产并联谐振型中频炉，现在由于近二年元器件在技术上已有所突破，所以一些电炉制厂商都竞相争雄开发串联型中频电炉。并联逆变是电流型谐振(a)振荡回路中的电流I 是电源供给电流i 的Q 倍Q 为回路品质因素，通常可达 6 以上，因此电流I 在谐振回路内很大，负载线圈L，电容C，以及铜排内发热损耗很大。串联逆变是电压型谐振(b)，回路中的电流与电源供给的电流相等，而在电容 C 和负载线圈上的振荡电压为电源电压的Q 倍，可高达 2 5 00VA

7、C 以上。 由于谐振回路电流I 等于通过可控硅的电源电流i。所以串联逆变较并联逆变回路中的电能损耗要小得多，因此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式承受一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，双供电一拖二功能，特别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，功率按需任意安排，二台电炉的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，可使电源始终在满功率下运行，以此提高电炉的熔化生产率，图3

8、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，整流始终在全导通状况下工作，转变逆变回路输出功率是靠掌握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 不会有高次谐波严峻污染电网，且功率因数高。而并联逆变不行能实现一拖二自动调功运行，由于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，设备的功率因数将会很低，且并联逆变负载电流为方波，将会严峻污染电网。假设靠调整逆变反压角来调功， 调功范围是很窄的，因此并联逆变电源是无法实现一拖二运行的。并联与串联谐振逆变比较项目并联谐振串联谐振回路组成输出功率掌握方法输入端功率因

9、数 输出电流图 2(a)整流可控硅触发脉冲相位调整最高不大于 085电流大图 2(b)调整逆变触发脉冲频率095 以上电流小对电网谐波干扰一拖二运行效率谐波干扰大不行铜排及功率元器件热损耗大几乎无谐波干扰可铜排及功率元器件热损耗小四、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如图4 所示。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 导通肯定要在串联负载

10、电流过零之后，即大于SCR 关闭时间TOT 之后，触发导通，如图 5，6 所示逆变器负载波形图，当SCR 电流过零后，与其并联的反向二极管导通，其反向压降把SCR 关闭，之后另一臂SCR 才能触发导通，逆变器的输出工作频率为300400Hz， 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，把可控硅视为抱负开关，瞬时导通和关断，电感L 和电阻R 串联，等效于炉体的负载，触发脉冲频率略低于负载谐振频率f。半桥逆变器工作电流流淌路经的描述图 5逆变波形图 6 为简化的逆变器电路图，逆变运行时，电流通过逆变器和炉体线圈L的路径，逆变器的工作波形如图 7 所示，逆变工作前恒定直流电压

11、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 电荷通过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，这二路都是同一谐振电路的一部份，由于C1=C2，因而两路的工作频率一样，等于C=C1+C2，Lf-Rf 组成的谐振频率。当t=t1 时C1 放电完毕，C1 电压为零，C2 上电压必定充电到Ud，由于CF 两端电压恒定，其值等于C1 和C2 电压之和，此时流过负载线圈的电流为最大，I=I1+I2，由于在炉体线圈中储蓄的磁场能量作用下，连续维持上述两

12、路电流流淌，使电容C1 反向充电，下正上负，而C2 则从Ud 值连续上升，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 上正向电压都到达最大值，到此流过炉 体线圈的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 电容电压的作用下，形成两路和前述两路路径根本一样，只是DI 代替 SCRl 通过电流，而电流方向与前完全相反，此电流仍按正弦波规律变化，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，至此通过炉体负载的电流完成一个正弦波周期，当放电电流通过二极管D1 时，其反

13、向压降使SCRl 关断，假设在大于可控硅SCRl TOT 关断时间，准时将SCR2 触发导通，电流 14 通过C1-Rf-Lf-SCR2-CF 下端，对C1 充电， 炉体线圈从电源吸取的电能，其电流与放电电流方向全都，触发SCRl 的时间越接近TOT，炉体线圈输出的功率就越大，假设SCR2 始终不能通，上述放电电流将形成炉体感应器电流的负半周，当电流到达零时，C1 和C2 上的电压将相等，等于12Ud。负载在SCRl 或 SCR2 导通期间，从电源猎取电能，在D1，D2 导通期间， 电容中的电能又反响到电源，明显D1 是在SCRl 电流过零到SCR2 导通期间导 通。D1 导通时间肯定要大于S

14、CRl 的关断时间TOT，SCR2 导通后，SCR2 便接过D1 中的电流，使D1 自行关断，D2 的工作过程与D1 一样，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示波器测试的实际波形谐振回路的自然谐振频率f0 在运行中不是固定不变的，电感L 和等效电阻R 随着温度和炉料的多少而不断变化，对肯定容量的炉体是在肯定范围内变化。12pLf1c- R F0=Lf 炉体电感Rf 炉料等效电阻C 谐振电容C1+C22 f2Lf电压源串联逆变器的触发脉冲频率始终低于负载谐振频率，当触发脉冲频率接近谐振频率时，负载

15、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。如图9 所描绘的频率对功率的变化曲线，因此电炉始终在低于谐振频率下工作。图 9 频率与输出功率的关系为了削减中频熔化电源工作时对电网产生的谐波干扰，我公司生产的 500kw 以上的中频电源承受12 脉冲可控硅桥式整流线路。中频熔化电源的整流变压器承受了D/Y-11，d0 接线形式，变压器的二次有二组三相输出，这二组输出的线电压相等，都是380V，但是相位相差30。二组输出分别接 I 和 II组整流桥。高次的谐波干扰电流，这些谐波电流的大小分别是工频基波电流的 1/5， 1/7，1/11 和理论分析说明，通

16、常的三相 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 次和更输出功率比较大时，假设承受三相6 脉冲可控硅桥式整流线路， 它们工作时产生的谐波干扰有可能1/13。当中频熔化电源的造成当地电网谐波超标取决于当地电网的短路容量，或导致某些周密设备和仪器不能正常工作。承受六相 12 脉冲可控硅桥式整流线路后，由于变压器的特别接线方法，5 次，7 次谐波电流将在变压器内部相互抵消，从而使对电网的谐波干扰大幅度降低。12 脉冲可控硅桥式整流线路的最低次谐波是 11 次，大小是工频基波电流的 1/11。上图为一台承受6 脉冲可控硅桥式整流线路的中频熔化电源和另一台承受12

17、 脉冲可控硅桥式整流线路的中频熔化电源谐波电流的实测值。从上图可以看到，当承受6 脉冲可控硅桥式整流线路时，变压器一次电流是方波，电流中含有较多的高次谐波成分。承受 12 脉冲可控硅桥式整流线路后，变压器一次电流接近于正弦波，高次谐波成分较少。各次谐波的大小与理论分析结果接近。承受 12 脉冲整流器后，中频电源工作时产生的谐波将可以满足相关标准的要求。串联中频电源承受12脉冲整流线路。整流桥使用可控硅是用来保护的，不是用来调压的。调整功率是通过调整逆变触发频率来调整功率大小的。整流桥始终工作在零度。这种线路有三个优点： 谐波干扰小，2整流器工作在全导通状态，电压和电流始终同相位，因此无论输出功

18、率大小，中频电源的电网侧功率因数始终大于0.95。五、电子掌握系统原理电炉开头运行时，功率电位器设在零点，按下启动按钮，启动脉冲振荡器开 始振荡，振荡频率依据炉子谐振频率设定，现在启动频率设定为125Hz，由此产生锯齿波和方波，方波后沿形成宽度约6us 的脉冲，且与二分频后的方波同时输入脉冲规律掌握单元A 与 B 两路，使规律单元A 与 B 输出脉冲形成相位相差180 度的可控硅触发脉冲，并分别经过脉冲功放、驱动触发电路A 与 B，分别触发二个桥臂上的可控硅SCRl 与 SCR2，起动时方波宽度最宽，随后操作功率调整电位器，渐渐提高掌握电压，使S 总线负值电压确定值渐渐增加，锯齿波斜率增加，宽

19、度减小，此时方波宽度变窄，逆变触发脉冲向电流过零点靠近，输出功率便逐步增加。当反响实时功率，大于调整电位器给定值时，通过积分调整，使 S 总线电压负值电压确定值降低，触发脉冲又后移，如此反复在给定电压值上稳定调整，输出所要求的功率。实时功率信号是通过乘法器 532，将SCR 逆变电压与逆变电流信号相乘而得。全部输入信号，逆变电流，实时功率，炉体线圈电压，电容电压及频率，都 通过传感器和电子电路将输入信号和各设定极限值比较，当比较器输出极性相反 的电压时，通过积分调整器，转变S 掌握总线电压，使方波变宽，触发脉冲后移、功率减小，各反响信号也相应减小，如此反复稳定在设定点，当各参数超过设定 值时，

20、在显示屏上有相应的极限指示灯显示。在掌握系统中具有特别设计的掌握电路，保证起动时逆变器可控硅在满功率下触通，不会有过流冲击现象。它具有缓冲电流上升的作用，逆变触发脉冲缓慢从后向电流过零点移动，因此不致电路产生过电压，同样逆变器也可以在满功率下停顿工作。六、完善的保护系统1。逆变可控硅过压保护，当电路有外来干扰或系统故障，使逆变SCR 两端承受的电压超过设定安全电压时，专用的传感器便会产生光电信号，其发送器通 过光纤输入到掌握板，使逆变可控硅SRC 1、SRC2 都导通，马上使可控硅失压。并封闭整流桥SCRl6 触发脉冲，停顿直流电源供给逆变桥，此时在电抗器上产生的反压将通过二极管D3 和 SC

21、Rl2 放电，使用光纤传输技术，可以避开传输信号在高电压大电流的强电磁场中的干扰。2. 逆变可控硅SCRl-2 在运行中，由于电路故障停顿换流时，直流电源将 直接通过SCRl-2 产生浪涌短路电流，此时在电抗器上将检测到反向感应电压， 并在直流母排上的电压也将快速降低，此时，分别通过电抗器CLR 反压传感器和直流母排DCBUS 电压传感器的电压信号输入整流电子电路掌握板ACI，使整流触发脉冲准时封锁，保护逆变器可控硅不致过流烧损，电炉马上停顿运行，此时事故显示屏上将有显示。3. 电炉具有牢靠的调整系统和保护系统，运行时电炉的输出功率，电流、 电容电压，炉体线圈电压，对设定值随时进展积分调整，工

22、作平稳，保证了电炉的安全运行。故障保护系统牢靠，对炉体和电源柜内的水压、水温，电容容器内压力，选炉开关位置，及可控硅过压进展保护，即使电源输出铜排瞬时短路，反响灵敏、快捷，能准时停机，保证不损坏电气元件。结语1。承受串联谐振电路，炉子的电效率大大高于并联逆变电炉，具有一拖二功能，一台电源可同时向两台电炉供电，功率按需任意安排，高效，快速，节电。2。掌握系统电路板及各种传感器均按装在屏蔽室内，与高压大电流铜排和 功率器件隔离，避开强电磁场干扰，电路板工作在封闭清洁环境中，提高了电路板的使用寿命，掌握系统稳定牢靠，炉前工操作简便，在任何负载状况下，包括满炉料，冻炉起动成功率均为 100。3。整流桥

23、承受可控硅，是为了实现软起动和逆变故障时作为电子开关，快 速切断直流供电，电炉运行时，不用它调压，而在全开通状态下工作，因而有高的供电功率因数，从而减小供电容量，全丌通状态工作对供电网的干扰减到最小限度。4。掌握电路具有先进的调整系统和故障诊断显示系统5. 一拖二运行承受一体化构造，占地少，可以削减高压变压器容量一半，大大削减变电室投资。全部电器部件和匹配电容都装在机柜内，形成一体化电源，便于按装。图 1 1牢靠的高压安全隔离措施6. 有安全保护措施，电炉谐振回路电压很高，谐振电容和炉体线圈电压可 达 2500V 以上，由于供电承受专用高压变压器，绕组为Y，二次 Y 中点不接地(浮地)，这样振荡元件和高压电路铜排对地没有相对高压电位，对操作人员 保证安全。