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中频电炉维修知识

2014年07月05日

中频无铁芯感应电炉的基本原理是属于空气芯变压器的一种类型,感应圈相当于变压器的初级绕组,而坩埚内部的金属炉料则相当于变压器的次级绕组(既负载)。当在初级绕组中通过中频电流(2000Hz —8000Hz)就在电磁场的作用和应响下,产生磁力线切割次级绕组,致使炉料产生感应电势,并在垂直于感应圈轴线的表面内引起感应电流(称涡流),从而使炉料本身发热将金属熔化。用于锻造的加热到锻造温度。
      根据变压器互感应的理论,在次级绕组(既炉料)内的感应电势的有效值(用E2表示)与频率及交变磁通的最大值两个参数有关,在这个感应电势E2的作用下,炉料所形成的闭和回路中,便有涡流通过,涡流的数值大小,与感应电势E2成正比,与炉料回路的阻抗成反比,当炉料的阻抗已确定的情况下,则发热与感应电势成比例。无铁心感应电炉由于没有导磁的物体存在,所以磁力线必须经过空气而闭合,但是空气的磁阻很大,会减少有效的磁通量,为了要获得所必须的感应电势,就要求增加磁力线的切割速度,这就要求增加通过感应线圈电流的频率,来达到发热效果显著的目的。但在实际情况下炉料中感应电流的流动,也会形成磁场,但其方向是与感应器的磁场相反,二个磁场迭加一起的结果将削弱整个的作用。随着不断被削弱的磁场继续向炉料内部深入分布并不断产生电流,而电流的去磁作用又促使炉料中感应的电场强度和电流密度自表面向中心剧烈的减小,电流的频率愈高,这种现象也愈显著,这也就是所谓集肤效应作用的结果。
      为了提高炉料的发热量,如果无的增高频率,一则受到电源装置复杂性的,更重要的是由于上述集肤效应的原因,涡流发热随着电流频率的升高,只局现在炉料周围的表面层,而炉料中心的热量是由表面传导进来的,所以加热时间将拉长了,电效率不再上升。电源的频率与电效率之间的关系可以这样来描述,在感应电炉炉料直径固定,炉料的物理性能不变的情况下,电效率将随着电流频率的增加而显著上升,但当频率继续增加时,电效率将不再随频率变化而近于饱和阶段。因此,我们可以作一断言,对于一定尺寸的感应炉,并在炉料和感应器材料的物理性质为同一条件下,则必定有一临界频率的存在。正是以上原因的存在,电炉生产厂家将根据炉子的大小来选定频率的高低。考虑到炉子的电效率和热效率,选定合适的频率。炉子容量较小时频率选高些,容量较大时选低些,一般在2000Hz--8000Hz范围内。
无铁芯感应炉对可控硅中频电源的要求
感应炉对可控硅中频电源的输出功率要求。
      可控硅中频电源的输出功率必须满足感应炉的最大功率,还要考虑到输出功率能很方便的调节,这是因为通常感应炉的坩埚的寿命约熔炼数十炉后就损坏了,必须重新修筑坩埚炉衬,而新的坩埚炉衬筑好后必须对其进行低功率烘炉,通常烘炉是从10-20%的额定功率开始,然后每隔一定时间升高10%功率,直至额定功率。再则,熔炉过程中,当炉料熔化后,必须对炉料的成分进行化验,而化验期间为不使炉料熔化后沸腾剧烈,这时中频电源必须减小输出功率,使炉料保温。鉴于以上情况,所以要求可控硅中频电源能从10%-100%额定输出功率的范围内方便的调节。用于锻造与热处理的透热炉不存在烘炉的过程。
感应炉对可控硅中频电源的输出频率要求。
      感应炉的电效率与频率之间的关系是相关连的。从电效率出发可以决定可控硅中频电源的输出频率。例如我们称这一频率为fo 。感应器实际上是一个电感线圈,而为要补偿线圈的无功功率,在线圈的两端并联电容,这就组成了LC 震荡回路。当可控硅逆变器的输出频率f等于感应炉回路的固有震荡频率fo时,则此时回路的功率因数等于1 。感应炉内将得到最大的功率。从以上可以看出,回路的固有震荡频率与L和C的数值有关,一般补偿电容C的值是固定不变的,而电感L则因炉料的导磁系数变化而变化,例如炼刚时,冷炉钢的导磁系数μ很大,所以电感L较大,而当钢的温度高到过居里点时钢的导磁系数 μ=1,所以电感L 减小,因而感应炉回路的固有震荡频率 fo 将有低变高。为了使感应炉在熔炼过程中始终都能得到最大的功率,这就要求可控硅中频电源的输出频率f能随着 fo 的变化而变化,始终保持频率自动跟踪。
可控硅中频电源的工作原理
      可控硅中频电源的基本工作原理,就是通过一个三相桥式整流电路,把50 Hz的工频交流电流整流成直流,再经过一个滤波器(直流电抗器)进行滤波,最后经逆变器将直流变为单相中频交流以供给负载,所以这种逆变器实际上是一只交流—直流—交流变换器.

中频炉维修过程中。
三相桥式全控整流电路的原理与工作过程。
   三相桥式全控整流电路共有六个桥臂,在每一个时刻必须2个桥臂同时工作,才能够成通路,六个桥臂的工作顺序如图3 。现假定在时刻t1-t2(t1-t2的时间间隔为60o电角度,既相当于一个周波的1/6)此时SCR1和SCR6同时工作(图3(a)中涂黑的SCR),输出电压即为VAB。到时刻t2-t3可控硅SCR2因受脉冲触发而导通,而SCR6则受BC反电压而关闭,将电流换给了SCR2,这时SCR1和SCR2同时工作,输出电压即为VAC,到时刻t3-t4,SCR3因受脉冲触发而导通,SCR1受到VAB的反电压而关闭,将电流换给了SCR3,SCR2和SCR3同时工作,输出电压为VBC,据此到时刻t4-t5, t5-t6, t6-t1分别为 SCR3和SCR4, SCR4和SCR5, SCR5和SCR6 同时工作,加到负载上的输出电压分别为 VBA,VCA,VCB,这样既把一个三相交流进行了全波整流,从上述分析可以看出,在一个周期中,输出电压有六次脉冲。这种整流电路由于在每一瞬间都有两个桥臂同时导通,而且每个桥臂导通时间间隔为60o,故对触发脉冲有一定要求,即脉冲的时间间隔必须为60o,而且如果采用单脉冲方式,脉冲宽度必须大于60o,如果采用窄脉冲,则必须采用双脉冲的方法, 既在主脉冲的后面60o的地方再出现一次脉冲。
 
三相同步及触发线路
1,三相同步的选取及整形
根据三相桥式全控整流过程的有关要求,首先要保证触发电路与三相电源严格同步。既有A相产生的触发脉冲必须接于整流电路1号,4号可控硅(称为正A负A ),B相产生的触发脉冲接于3号,6号可控硅(称为正B负B),C相产生的触发脉冲接于5号,2号可控硅(称为正C负C)。一般通过通过降压电阻降压,进入由三个电位器W1,W2,W3和三个电容器C1,C2,C3组成的三相同步滤波,整形,平衡电路。它的特点是由W,C组成积分电路。电容量一定,改变阻值大小就可改变时间常数其作用有:
(1)滤除网电杂乱尖峰波干扰,使同步信号纯正,定位准确,避免整流可控硅误动作。
(2) 调整三相不平衡度,调节移相范围可达12o使整流桥输出平衡。
2, 整流可控硅的选取。
1,由于三相全控整流桥工作在较低的频率范围,所以普遍选用普通整流可控硅,即KP系列可控硅。
2,跟据三相全控整流电路的理论计算,流过每一个可控硅的电流是整流输出总电流的0.334倍。所以在使用中为了留有足够的富裕量,一般选用与电源的额定电流值相同大小的可控硅。
3,进相电源电压为三相380V的机型中,选定耐压值为1200V—1400V的KP硅。进相电压为三相660V的机型中,选定耐压值为2000V—2500V的KP硅.
三相可控硅中频电源装置的逆变电路
两种逆变器电路
   无论是感应加热或是感应熔炼,负载的功率因数都是很低的,也就是感应的Q值很高,在感应熔炼炉来说Q值一般在10-14之间,对感应加热来说,则根椐偶合程度Q值为5-9之间。
   什么是Q值,Q值是指线圈的感抗和线圈的电阻之比。也就是炉子的无功功率和有功功率之比。举例来说,250Kg的感应熔炼炉,其需要的有功功率为160kw.假定Q值为10,则其无功功率为1600 kfar,这样大的无功功率,很显然不能有电网供给,那样电网的容量将非常庞大而不经济,因此,必须用能提供无功功率的电容器进行补偿,这个原理就象一般工厂里补偿功率因数一样。

      无功功率的补偿方法有二种,一种是补偿电容器和炉子串联,叫作串联补偿,补偿电容器和炉子并联的叫做并联补偿。针对二种不同的补偿方法,可以有两中不同的逆变线路,一种叫作串联逆变器,一种叫作并联逆变器

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