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恒功率輸出中頻感應(yīng)熔煉爐
摘要：本文針對(duì)常規(guī)中頻感應(yīng)熔煉爐存在的問題，介紹了一種調(diào)節(jié)逆變?chǔ)担é?e+γ/2）角實(shí)現(xiàn)恒功率輸出的方法，在僅僅改造控制回路而不改變主回路的情況下，平均輸出功率可以提高10~20%，熔煉周期減少到原來的2/3，單產(chǎn)提高1.5倍，節(jié)電約10% 。
一、常規(guī)中頻熔煉爐存在的問題
熔煉所需的工況是：盡可能大功率輸出，以縮短熔煉周期和提高電效率。
熔煉爐的等效負(fù)載電阻RH(RH=UH2/P)在整個(gè)熔煉過程中是變化的，約變化1.7倍，而中頻電源的額定輸出電壓與額定輸出電流是受設(shè)備所限制的，只有當(dāng)?shù)刃ж?fù)載電阻RH與電源匹配時(shí)，才能達(dá)到額定功率輸出，如圖一所示，在整個(gè)熔煉過程中，等效負(fù)載電阻RH在一定范圍內(nèi)變化，由于設(shè)備的限流與限壓作用，熔煉過程中的大部分時(shí)間是達(dá)不到額定輸出功率，平均輸出功率僅能達(dá)到額定輸出功率的80%-90%，使得熔煉周期長(zhǎng)，熱損失大，效率降低 。
圖一 常規(guī)中頻電源輸出功率特性曲線
特別是熔煉的后期，負(fù)載變重（RH減�。�，設(shè)備限流起作用，降壓運(yùn)行，使得中頻電源整流功率因數(shù)降低，設(shè)備對(duì)電網(wǎng)輸出的無功分量增大 。
二、中頻電源恒功率輸出的原理
要做到恒功率輸出，只要讓直流等效負(fù)載電阻Rd(Rd=Ud/Id)與中頻電源的直流回路匹配，即當(dāng)負(fù)載等效電阻RH變化時(shí)，采用某種方法使得直流等效電阻Rd不隨之變化，并始終與中頻電源的直流回路相匹配，這樣直流輸出功率P便不會(huì)隨著RH而變化，直流輸出功率的恒定，也就意味著中頻輸出功率的恒定，在并聯(lián)諧振中頻電源中，調(diào)節(jié)Rd的方法大致有如下幾種：
1 、在倍壓電路中，可以通過改變串并聯(lián)中頻電容的電容量，調(diào)節(jié)分壓比來達(dá)到調(diào)節(jié)Rd的目的。
2 、通過改變中頻電容器的電容量，調(diào)節(jié)槽路的諧振頻率，改變廢鋼中感應(yīng)電流的透入深度，來調(diào)節(jié)RH(RH=UH2/P) 。
3 、根據(jù)并聯(lián)中頻電源負(fù)載的關(guān)系式：Rd≈0.81Cos2ΦRH,當(dāng)槽路等效電阻RH變化時(shí)，調(diào)節(jié)逆變?chǔ)担é?e+γ/2）角，可以使直流等效電阻Rd保持不變 。
從以上三種方法中看，前兩種在實(shí)際中都是比較難于實(shí)現(xiàn)的，需要增加主回路硬件的成本，只有第三種方法，僅需在控制電路中作點(diǎn)文章，而主回路則無需更動(dòng)。
調(diào)節(jié)逆變?chǔ)到�，不僅能改變Rd與RH的關(guān)系，根據(jù)并聯(lián)諧振中頻電源的另一關(guān)系式UH=Ud/0.9COSΦ,即改變?chǔ)到堑耐瑫r(shí)還影響著逆變輸出電壓。由于逆變輸出電壓是受到中頻電容器的耐壓及逆變晶閘管的耐壓所限制，因此Φ角不能無限制的增大；例如：當(dāng)三相輸入電壓為380V，最大直流電壓（Ud）為500V時(shí)，逆變的最大輸出中頻電壓為750V,這樣最大的Φ角約為42o；又由于逆變晶閘管在逆變換向時(shí)需要一個(gè)換向時(shí)間，因此最小Φ角受到換向時(shí)間所限制，當(dāng)中頻頻率為1KHZ時(shí)，最小Φ角約為22 o，這樣容許Φ角變化范圍內(nèi)22 o～42 o之間，對(duì)應(yīng)容許的負(fù)載等效電阻RH變化范圍約為1.5倍，也就是說，當(dāng)負(fù)載等效電阻RH變化1.5倍時(shí)，可以保證直流等效電阻Rd不變，滿足恒功率輸出的要求，特性曲線如圖2所示 。
圖二 恒功率輸出中頻電源特性曲線
我們也可以從另一個(gè)角度來定性地理解改變?chǔ)到鞘馆敵龉β屎愣ǖ脑�。比如說，當(dāng)熔煉爐輕負(fù)載時(shí)，即負(fù)載等效電阻RH變大，中頻輸出功率減小，可以讓控制電路自動(dòng)的增大逆變?chǔ)到�，使得輸出的中頻電壓UH增加，來補(bǔ)償由于負(fù)載等效電阻RH變大所帶來的中頻輸出功率減�。环粗�，當(dāng)熔煉爐重負(fù)載時(shí)，即負(fù)載等效電阻RH變小，中頻輸出功率增大，可以讓控制電器自動(dòng)的減小逆變?chǔ)到�，使得輸出的中頻電壓UH減小，來補(bǔ)償由于負(fù)載等效電阻RH變小所帶來的中頻輸出功率增大 。
三、恒功率輸出控制電路的組成
恒功率輸出控制電路的系統(tǒng)圖如圖3所示 。它由三個(gè)調(diào)節(jié)器組成，其中LT1為電壓調(diào)節(jié)器，LT2為電流調(diào)節(jié)器，組成常規(guī)的電流，電壓雙閉環(huán)系統(tǒng)；另一調(diào)節(jié)器LT3為逆變功率因數(shù)Φ角調(diào)節(jié)器，從輸入上看，它與電流調(diào)節(jié)器LT2的輸入完全是并聯(lián)的關(guān)系，區(qū)別在于LT3的負(fù)反饋系數(shù)較LT2的略大，再者就是電流調(diào)節(jié)器LT2的輸出控制的是整流電流和直流電壓，而LT3的輸出控制的是中頻電壓與直流電壓的比例關(guān)系，即逆變功率因數(shù)Φ角 。
圖三 恒功率輸出控制系統(tǒng)框圖
控制電路的工作過程可以分為兩種情況：一種是在直流電壓沒有達(dá)到最大值的時(shí)候，由于LT3的反饋系數(shù)略大，LT3的給定小于反饋，LT3便工作于限幅狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的為最小逆變?chǔ)到�，此時(shí)可以認(rèn)為L(zhǎng)T3不起作用，系統(tǒng)完全是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電壓，電流雙閉環(huán)系統(tǒng)；另一種情況是直流電壓已經(jīng)達(dá)到最大值，電流調(diào)節(jié)器LT2開始限幅，不再起作用，電壓調(diào)節(jié)器LT1的輸出增加，而反饋電流卻不變化，對(duì)LT3來說，當(dāng)反饋電流信號(hào)比給定電流略小時(shí)，LT3便退出限幅開始工作，調(diào)節(jié)逆變?chǔ)到鞘馆敵龅闹蓄l電壓增加，直流電流也隨之增加，達(dá)到新的平衡。此時(shí)，就只有LT1與LT3工作，隨著負(fù)載等效電阻RH的繼續(xù)增大，直至到最大逆變?chǔ)到?。
特別需要指出的是電壓調(diào)節(jié)器LT1的作用不可忽視，它一方面可以防止逆變的過電壓，另一方面，當(dāng)網(wǎng)壓引起直流電壓偏高 、同時(shí)負(fù)載又較輕時(shí)，它可以保證整流橋高輸入功率因數(shù)整流，如果用截壓環(huán)是作不到這點(diǎn)的。
該系統(tǒng)的中頻啟動(dòng)方式可以是任何一種啟動(dòng)方式，筆者采用的是它激轉(zhuǎn)自激的零壓?jiǎn)?dòng)方式，其優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)調(diào)節(jié)逆變?chǔ)到堑碾娐穼?shí)現(xiàn)要方便些，且不需要取信號(hào)的中頻電流互感器，使安裝與調(diào)試要更為方便。
四、恒功率輸出的優(yōu)點(diǎn)與經(jīng)濟(jì)效益
恒功率輸出的優(yōu)點(diǎn)是：一是熔煉周期短，提高了單產(chǎn)；二是由于熔煉周期短，減少了散熱損失，提高了熱效率，達(dá)到節(jié)電的目的；三是一般不出現(xiàn)截流工況，均在最高直流輸出電壓下工作（整流的ａ=0o），因此輸入功率因數(shù)高，可達(dá)0.94 。