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）
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