中頻電爐維修與實例
概述
可控硅中頻電源裝置簡稱可控硅中頻裝置,是利用可控硅的開關特性把50Hz的工頻電流變換成中頻電流的一種電源裝置(2.0KHz--8.0KHz)主要是在感應熔煉,感應加熱,感應淬火等領域中廣泛應用。它的優點是:
效率高
可控硅電源裝置具有相當高的變換效率(90-95%),輸出功率低時,電源轉換效率并不降低,特別是在熱處理行業中,有些被加熱工件需要分段加熱,頻繁開機和停機,在停機狀態下無損耗。因此,在感應加熱行業中采用可控硅中頻裝置可節約能源。
體積小重量輕
可控硅變頻裝置由半導體元件組成,沒有復雜的機械旋轉部分無震動,噪音小,安裝時對地面基礎無特殊要求。
操作方便
可控硅裝置的功率調節范圍大。頻率可隨負載參數改變而自動變化(既所謂頻率跟蹤)。負載回路保持在近乎諧振狀態,既在最佳狀態下工作。再加上它有一系列的自動保護裝置,使它的工作穩定可靠。
啟動靈活
可控硅變頻裝置一般采用零壓軟啟動,啟動成功率高無沖擊,快而平穩。
基于以上幾個方面,并伴隨著新的專有集成電路的開發成功,其高度的穩定性及結構緊湊性,深受大家的歡迎。
感應加熱的原理
中頻無鐵芯感應電爐的基本原理是屬于空氣芯變壓器的一種類型,感應圈相當于變壓器的初級繞組,而坩堝內部的金屬爐料則相當于變壓器的次級繞組(既負載)當在初級繞組中通過中頻電流(2000Hz —8000Hz)就在電磁場的作用和應響下,產生磁力線切割次級繞組,致使爐料產生感應電勢,并在垂直于感應圈軸線的表面內引起感應電流(稱渦流),從而使爐料本身發熱將金屬熔化。用于鍛造的加熱到鍛造溫度。
根據變壓器互感應的理論,在次級繞組(既爐料)內的感應電勢的有效值(用E2表示)與頻率及交變磁通的最大值兩個參數有關,在這個感應電勢E2的作用下,爐料所形成的閉和回路中,便有渦流通過,渦流的數值大小,與感應電勢E2成正比,與爐料回路的阻抗成反比,當爐料的阻抗已確定的情況下,則發熱與感應電勢成比例。無鐵心感應電爐由于沒有導磁的物體存在,所以磁力線必須經過空氣而閉合,但是空氣的磁阻很大,會減少有效的磁通量,為了要獲得所必須的感應電勢,就要求增加磁力線的切割速度,這就要求增加通過感應線圈電流的頻率,來達到發熱效果顯著的目的。但在實際情況下爐料中感應電流的流動,也會形成磁場,但其方向是與感應器的磁場相反,二個磁場迭加一起的結果將削弱整個的作用。隨著不斷被削弱的磁場繼續向爐料內部深入分布并不斷產生電流,而電流的去磁作用又促使爐料中感應的電場強度和電流密度自表面向中心劇烈的減小,電流的頻率愈高,這種現象也愈顯著,這也就是所謂集膚效應作用的結果。
為了提高爐料的發熱量,如果無**的增高頻率,一則受到電源裝置復雜性的**,更重要的是由于上述集膚效應的原因,渦流發熱隨著電流頻率的升高,只局現在爐料周圍的表面層,而爐料中心的熱量是由表面傳導進來的,所以加熱時間將拉長了,電效率不再上升。電源的頻率與電效率之間的關系可以這樣來描述,在感應電爐爐料直徑固定,爐料的物理性能不變的情況下,電效率將隨著電流頻率的增加而顯著上升,但當頻率繼續增加時,電效率將不再隨頻率變化而近于飽和階段。因此,我們可以作一斷言,對于一定尺寸的感應爐,并在爐料和感應器材料的物理性質為同一條件下,則必定有一臨界頻率的存在。正是以上原因的存在,電爐生產廠家將根據爐子的大小來選定頻率的高低。考慮到爐子的電效率和熱效率,選定合適的頻率。爐子容量較小時頻率選高些,容量較大時選低些,一般在2000Hz--8000Hz范圍內
無鐵芯感應爐對可控硅中頻電源的要求
感應爐對可控硅中頻電源的輸出功率要求。
可控硅中頻電源的輸出功率必須滿足感應爐的最大功率,還要考慮到輸出功率能很方便的調節,這是因為通常感應爐的坩堝的壽命約熔煉數十爐后就損壞了,必須重新修筑坩堝爐襯,而新的坩堝爐襯筑好后必須對其進行低功率烘爐,通常烘爐是從10-20%的額定功率開始,然后每隔一定時間升高10%功率,直至額定功率。再則,熔爐過程中,當爐料熔化后,必須對爐料的成分進行化驗,而化驗期間為不使爐料熔化后沸騰劇烈,這時中頻電源必須減小輸出功率,使爐料保溫。鑒于以上情況,所以要求可控硅中頻電源能從10%-100%額定輸出功率的范圍內方便的調節。用于鍛造與熱處理的透熱爐不存在烘爐的過程。
感應爐對可控硅中頻電源的輸出頻率要求。
感應爐的電效率與頻率之間的關系是相關連的。從電效率出發可以決定可控硅中頻電源的輸出頻率。例如我們稱這一頻率為fo 。感應器實際上是一個電感線圈，而為要補償線圈的無功功率,在線圈的兩端并聯電容,這就組成了LC 震蕩回路。當可控硅逆變器的輸出頻率f等于感應爐回路的固有震蕩頻率fo時,則此時回路的功率因數等于1 。感應爐內將得到最大的功率。從以上可以看出,回路的固有震蕩頻率與L和C的數值有關,一般補償電容C的值是固定不變的,而電感L則因爐料的導磁系數變化而變化,例如煉剛時,冷爐鋼的導磁系數μ很大,所以電感L較大,而當鋼的溫度高到過居里點時鋼的導磁系數 μ=1,所以電感L 減小,因而感應爐回路的固有震蕩頻率 fo 將有低變高。為了使感應爐在熔煉過程中始終都能得到最大的功率,這就要求可控硅中頻電源的輸出頻率f能隨著 fo 的變化而變化，始終保持頻率自動跟蹤。
可控硅中頻電源的工作原理
可控硅中頻電源的基本工作原理,就是通過一個三相橋式整流電路,把50 Hz的工頻交流電流整流成直流,再經過一個濾波器(直流電抗器)進行濾波,最后經逆變器將直流變為單相中頻交流以供給負載,所以這種逆變器實際上是一只交流—直流—交流變換器,其基本線路如圖2 。
三相橋式全控整流電路的原理與工作過程
三相橋式全控整流電路共有六個橋臂,在每一個時刻必須2個橋臂同時工作,才能夠成通路,六個橋臂的工作順序如圖3 。現假定在時刻t1-t2(t1-t2的時間間隔為60o電角度，既相當于一個周波的1/6)此時SCR1和SCR6同時工作(圖3(a)中涂黑的SCR),輸出電壓即為VAB。到時刻t2-t3可控硅SCR2因受脈沖觸發而導通,而SCR6則受BC反電壓而關閉,將電流換給了SCR2,這時SCR1和SCR2同時工作,輸出電壓即為VAC,到時刻t3-t4,SCR3因受脈沖觸發而導通，SCR1受到VAB的反電壓而關閉,將電流換給了SCR3,SCR2和SCR3同時工作,輸出電壓為VBC,據此到時刻t4-t5, t5-t6, t6-t1分別為 SCR3和SCR4, SCR4和SCR5, SCR5和SCR6 同時工作,加到負載上的輸出電壓分別為 VBA,VCA,VCB,這樣既把一個三相交流進行了全波整流,從上述分析可以看出,在一個周期中,輸出電壓有六次脈沖。這種整流電路由于在每一瞬間都有兩個橋臂同時導通,而且每個橋臂導通時間間隔為60o,故對觸發脈沖有一定要求,即脈沖的時間間隔必須為60o,而且如果采用單脈沖方式,脈沖寬度必須大于60o,如果采用窄脈沖,則必須采用雙脈沖的方法, 既在主脈沖的后面60o的地方再出現一次脈沖。
三相同步及觸發線路
1,三相同步的選取及整形
根據三相橋式全控整流過程的有關要求,首先要保證觸發電路與三相電源嚴格同步。既有A相產生的觸發脈沖必須接于整流電路1號,4號可控硅(稱為正A負A ),B相產生的觸發脈沖接于3號,6號可控硅(稱為正B負B),C相產生的觸發脈沖接于5號,2號可控硅(稱為正C負C)。一般通過通過降壓電阻降壓,進入由三個電位器W1,W2,W3和三個電容器C1,C2,C3組成的三相同步濾波,整形,平衡電路。它的特點是由W,C組成積分電路。電容量一定,改變阻值大小就可改變時間常數其作用有:
(1)濾除網電雜亂尖峰波干擾,使同步信號純正,定位準確,避免整流可控硅誤動作。
(2) 調整三相不平衡度,調節移相范圍可達12o使整流橋輸出平衡。
2, 整流可控硅的選取。
1,由于三相全控整流橋工作在較低的頻率范圍,所以普遍選用普通整流可控硅,即KP系列可控硅。
2,跟據三相全控整流電路的理論計算,流過每一個可控硅的電流是整流輸出總電流的0.334倍。所以在使用中為了留有足夠的富裕量,一般選用與電源的額定電流值相同大小的可控硅。
3,進相電源電壓為三相380V的機型中,選定耐壓值為1200V—1400V的KP硅。進相電壓為三相660V的機型中,選定耐壓值為2000V—2500V的KP硅.
