中頻爐電子調(diào)功技術(shù)的原理與應(yīng)用實(shí)踐

【關(guān)鍵詞】中頻爐；電子調(diào)功技術(shù)；控制電路；主電路；應(yīng)用實(shí)踐

引言

中頻爐是一種利用中頻感應(yīng)加熱原理來(lái)進(jìn)行金屬熔化作業(yè)的設(shè)備，自身具有熱效率高、冶金質(zhì)量好、靈敏度高等特點(diǎn)。近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，該設(shè)備的控制系統(tǒng)也不斷向智能化、數(shù)字化方向發(fā)展。而電子功率控制技術(shù)則是中頻爐控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分之一，其作用是對(duì)晶閘管的觸發(fā)電壓角進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的功率控制，從而達(dá)到適應(yīng)不同冶煉工況的目的[1]。本文旨在對(duì)實(shí)際的電子功率控制技術(shù)基本原理及具體應(yīng)用效果進(jìn)行研究與分析。

一、中頻爐電子調(diào)功技術(shù)的基本原理

（一）中頻爐的工作原理

中頻爐是一種基于電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)金屬熔化的金屬熱加工設(shè)備，其核心部件是感應(yīng)線圈。當(dāng)交變電流通過(guò)該線圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生交變磁通，使金屬物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流，進(jìn)而通過(guò)焦耳熱效應(yīng)使金屬達(dá)到熔融狀態(tài)。中頻爐通常工作的頻率范圍是幾赫茲到幾千赫茲，可通過(guò)工作頻率的調(diào)整來(lái)改善熔煉及金屬均勻受熱[2]。中頻爐的作業(yè)流程如下。

（1）整流：將交流電通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換為直流電。

（2）逆變：將直流電通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換為中頻交流電。

（3）感應(yīng)加熱：中頻交流電通過(guò)感應(yīng)線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，金屬爐料在磁場(chǎng)中感應(yīng)出渦流并產(chǎn)生熱量。

（4）熔煉：金屬在高溫下熔化，完成熔煉過(guò)程。

（二）電子調(diào)功技術(shù)的基本概念

電子調(diào)功是指采用電子控制方式對(duì)中頻爐的輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同鑄型工藝的手段，其關(guān)鍵就是通過(guò)控制晶閘管的觸發(fā)角度，調(diào)節(jié)直流換流器和交流換流器的輸出電壓、電流來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)中頻爐輸出功率的有效調(diào)控[3]。電子調(diào)功的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（1）精準(zhǔn)性：通過(guò)電子控制來(lái)進(jìn)行精確的功率控制，以滿足不同鑄型的工藝要求；（2）靈活性：可以根據(jù)鑄造現(xiàn)場(chǎng)中功率的需求變化，及時(shí)做出相應(yīng)的調(diào)整，從而提高鑄型的質(zhì)量；（3）節(jié)約性：通過(guò)合理輸出功率，減少資源損耗，提高利用效率；（4）自動(dòng)化、智能化：結(jié)合可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化的鑄型處理。

（三）調(diào)功方式及控制邏輯

中頻爐主要的調(diào)整方式可分為如下幾種：第一類為移相調(diào)整法，是指通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角度影響整流器輸出的電壓，以此來(lái)對(duì)中頻爐的輸出進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)；第二種為脈沖調(diào)整法，通過(guò)控制逆變器的脈沖寬度和時(shí)間從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的控制；第三種則為組合第一種和第二種的混合調(diào)整法，其擁有相對(duì)精確的功率調(diào)節(jié)效果。而上述幾種調(diào)整方法通常都涉及如下的控制邏輯：第一部分是閉環(huán)控制法，即利用傳感器持續(xù)監(jiān)測(cè)冶煉過(guò)程中涉及的各項(xiàng)參數(shù)，并將之傳輸給控制系統(tǒng)，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)的效果；第二部分則是保護(hù)，在此程序中包括防止過(guò)壓、過(guò)載、過(guò)低等現(xiàn)象的發(fā)生，以確保設(shè)備的安全運(yùn)行；第三部分為在啟動(dòng)初期采用逐步增加功率的方法，以防止過(guò)載和冶煉不均勻的現(xiàn)象產(chǎn)生；第四部分則是故障識(shí)別，其需要檢測(cè)設(shè)備的工作情況，并及時(shí)處理故障，使冶煉過(guò)程保持穩(wěn)定[4]。

應(yīng)用環(huán)節(jié)中，需要結(jié)合所使用設(shè)備的具體指標(biāo)及生產(chǎn)需求調(diào)整功率的方案及控制思路。例如“中頻系統(tǒng)調(diào)試”一節(jié)，通過(guò)調(diào)整調(diào)功電位器或控制面板內(nèi)的電位器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)中頻電壓和整流電壓的精確控制。利用仿真保護(hù)功能（如停止供水壓力保護(hù)試驗(yàn)）來(lái)驗(yàn)證保護(hù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

二、電子調(diào)功技術(shù)在中頻爐調(diào)試中的應(yīng)用實(shí)踐

某鋼廠采用一臺(tái)容量為1 000 kVA的變壓器給內(nèi)部的中頻爐供電，此種情況下因?yàn)橹蓄l爐的使用了六脈沖整流，所以其會(huì)產(chǎn)生大量的如5、7、11等次諧波，這就直接造成了電網(wǎng)中功率因素的降低，這就對(duì)工廠內(nèi)的其他電氣裝置產(chǎn)生了不利影響。解決這一問(wèn)題我們選擇采取無(wú)源濾波器的方式來(lái)清除諧波干擾。首先我們構(gòu)造了一個(gè)諧波負(fù)載的模型，并對(duì)其諧波電流的幅度和頻率特性進(jìn)行了研究，確定出一套適用于此無(wú)源濾波器的參數(shù)，然后將該無(wú)源濾波器安裝在變壓器的二極側(cè)母線上，用來(lái)吸收無(wú)益的諧波電流，以此提升電網(wǎng)功率因素。

（一）調(diào)試前的準(zhǔn)備工作

1.設(shè)備檢查

檢查變壓器各連結(jié)點(diǎn)，包括高壓側(cè)和低壓側(cè)端口的螺栓是否擰緊或松動(dòng)；高壓排列和低壓排列之間的距離是否合適，是否牢固；從室外引入室內(nèi)的低壓導(dǎo)電排應(yīng)有一定傾斜度，便于排水。零線的接地應(yīng)達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，并使用截面積大于10 mm2的接地線。檢查開(kāi)關(guān)插入式端子和變壓器低壓母線導(dǎo)電排的接觸是否良好。防止開(kāi)關(guān)進(jìn)出方向處有異物或金屬物件，清除開(kāi)關(guān)下固定膠木上的所有雜物。檢查銅排位置、可控硅的極性是否正確，導(dǎo)電排及導(dǎo)電排上的螺絲與周?chē)^緣情況是否滿足要求。檢查降壓變壓器主副邊接線頭的牢固情況，與周?chē)^緣狀態(tài)是否良好。檢查控制電路中的保險(xiǎn)絲是否擰緊。拉出二層線、阻抗吸收線、脈沖線的焊接頭，檢查焊接是否牢固。檢查電容器柜附近及底部是否干凈，確保母排之間沒(méi)有臟雜物。檢查爐殼內(nèi)部感應(yīng)器周?chē)欠窀蓛簦_保感應(yīng)器之間沒(méi)有任何雜物。檢查水冷電纜的布局是否恰當(dāng)，需與周?chē)３肿銐虻木嚯x（距金屬材料不小于50 cm）。吊裝更換爐開(kāi)關(guān)的強(qiáng)度是否合適，并與周?chē)饘俨糠钟凶銐虻木嚯x（不少于30 cm）。水冷電纜途經(jīng)位置距鋼性建筑物的通道距離不宜小于300 mm，并須作絕緣綁扎和固定。

2.工具準(zhǔn)備

準(zhǔn)備工具，包括扳手、萬(wàn)用表、示波器、紅外線測(cè)溫儀等，確保各項(xiàng)工具處于良好的工作狀態(tài)。

3.電氣系統(tǒng)檢查

驗(yàn)線纜安裝完成后，高壓電纜是否進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，所有接點(diǎn)是否進(jìn)行接地電阻測(cè)量，接地電阻是否小于4 Ω。水路系統(tǒng)是否暢通，有無(wú)滲漏，設(shè)備進(jìn)水壓力出水壓力是否滿足要求，水泵運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪音、溫升是否正常。

（二）控制電路調(diào)試

1.停電檢查

檢查高壓與低壓連接頭的螺栓均沒(méi)有發(fā)生松動(dòng)和缺失現(xiàn)象，低壓導(dǎo)體排的角度選擇合理且符合規(guī)定，變壓器金屬外殼及接地的情況；斷路器進(jìn)出口端子和變壓器低壓母線導(dǎo)體排之間是否有貫通不良現(xiàn)象；同時(shí)觀察清理掉斷路器進(jìn)出排處的雜物；觀察銅排布置是否正確，可控硅的極性是否正確，導(dǎo)體排及與導(dǎo)體排相連的固定螺釘對(duì)周?chē)慕^緣是否合適，低壓變壓器接線頭緊固質(zhì)量是否良好；控制回路處保險(xiǎn)絲是否壓緊等情況；電容柜周?chē)c柜底部有無(wú)雜物污染，母排之間是否有雜物污染；爐殼內(nèi)的感應(yīng)器區(qū)域是否已被清洗干凈，感應(yīng)器內(nèi)部的各匝間的雜物是否已被清理干凈，水冷式電力電纜的布置方式是否合理；再檢查爐殼上各密封點(diǎn)處的清理狀況等[5]。

2.萬(wàn)用表檢查

測(cè)量了各導(dǎo)電排對(duì)地面以及各導(dǎo)電排之間的阻抗，其阻抗值應(yīng)不小于3 KΩ。應(yīng)測(cè)量直流排對(duì)地面的阻抗，其阻抗值也應(yīng)不小于3 KΩ。同時(shí)要測(cè)量中頻排對(duì)地面的阻抗，其阻抗值也應(yīng)不小于3 KΩ。還應(yīng)保證阻容吸收正確，其中一端直接連接可控硅的一端點(diǎn)，另一端通過(guò)相當(dāng)于吸收電阻的阻值接到另一個(gè)可控硅的點(diǎn)上，一般這個(gè)值應(yīng)為10 Ω（針對(duì)KK型可控硅）或18 Ω（針對(duì)KP型可控硅）。同時(shí)測(cè)量各個(gè)可控硅的阻抗值，其阻抗應(yīng)大于3 KΩ為合格。

3.通電檢查

斷開(kāi)控制電源，觀察控制面板+24 V電壓計(jì)數(shù)器應(yīng)為18～28 V，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)功率的電阻桿居中，執(zhí)行“恢復(fù)”命令，無(wú)安全指示燈亮（即控制板中的燈關(guān)閉）。然后旋動(dòng)電阻桿直到最左側(cè)，執(zhí)行“恢復(fù)”命令，此時(shí)安全指示燈自動(dòng)熄滅。最后切斷控制電源，接通驅(qū)動(dòng)脈沖插頭，再次斷開(kāi)控制電源，觀察脈沖形狀、大小，整流移相范圍、模擬保護(hù)移相（停止供水壓力的保護(hù)試驗(yàn)）。用示波器觀察觸發(fā)晶閘管的脈沖形態(tài)，脈沖角度每倆脈沖差60°，各調(diào)制脈沖上都有4～8個(gè)微小脈沖，每脈沖總長(zhǎng)度約1 000 μS，脈沖大小是4～8 V且微小脈沖長(zhǎng)度最少在100 μS以上。雙蹤示波器監(jiān)測(cè)整流相序，第一組元件前比第二組元件相差60°，同樣第二組元件前比第三組元件相差60°，以此類推，可判定相序無(wú)錯(cuò)。打開(kāi)逆變脈沖開(kāi)關(guān)，雙蹤示波器監(jiān)測(cè)逆變波形，一般脈沖大小是3～6 V，脈沖維持時(shí)間要在30 μS以上。

（三）主電路調(diào)試

1.停電檢查

檢查電源柜及電容柜上所有電接頭螺絲是否擰緊，目視各水路走向有無(wú)變形、凹陷、堵塞情況，確認(rèn)各水接頭的牢固性，各卡箍頭無(wú)互相干擾。通水檢查各路徑是否通暢，有無(wú)漏水及滲水現(xiàn)象。

2.通電檢查

切斷電源與調(diào)節(jié)器后，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)功率的可調(diào)電阻器，使其置于中間位置，完成“恢復(fù)初始狀態(tài)”命令，保衛(wèi)燈必須保持通電，按下“主要能源連接”按鈕功能失去；逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)功率的可調(diào)電阻器至最小，再次完成“恢復(fù)初始狀態(tài)”命令，保衛(wèi)燈應(yīng)保持通電，按下“主要能源連接”按鈕，主要切刀開(kāi)啟，主要能源燈應(yīng)點(diǎn)亮。關(guān)閉“掃描開(kāi)關(guān)”（按下為“12”），轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)功率的可調(diào)電阻器，緩慢自“零”位調(diào)起，使交流電壓計(jì)由正向偏轉(zhuǎn)直至滿量程，此時(shí)為2 900 V（換算為輸入電壓的2 250 V），然后逆向轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)功率的可調(diào)電阻器，使其退至最下端，交流電壓計(jì)仍呈正偏；在將電壓調(diào)至最大后，切斷供水系統(tǒng)電源，此時(shí)“壓力”保護(hù)燈應(yīng)點(diǎn)亮，交流電壓計(jì)應(yīng)回到正偏。最后斷開(kāi)所有電源，把逆變驅(qū)動(dòng)器的脈沖接口接線頭恢復(fù)連接線接線頭，按動(dòng)“掃描開(kāi)關(guān)”（置于“ON”）。重新接通電源裝置和主能源供給，再完成“恢復(fù)初始狀態(tài)”命令。轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)功率的可調(diào)電阻器，以順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，在控制臺(tái)板“低頻”燈（表明較低頻率的警告燈）應(yīng)快速閃爍，由此表示逆序變化頻率正在運(yùn)行；主路全波整流的輸出電壓計(jì)應(yīng)開(kāi)始有波動(dòng)現(xiàn)象，由此表明全波自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行。經(jīng)過(guò)多次啟動(dòng)后，如果中頻電壓還沒(méi)有形成，可能是電壓的極性產(chǎn)生了問(wèn)題，我們對(duì)極性進(jìn)行改換，并在啟動(dòng)前處理好極性問(wèn)題。通常，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)電位器緩慢旋轉(zhuǎn)時(shí)，首先會(huì)看到頻率計(jì)數(shù)器的讀數(shù)緩慢升高，同時(shí)還可以聽(tīng)到中頻的嘯叫聲，同時(shí)其余的測(cè)量?jī)x器處于穩(wěn)定狀態(tài)，出現(xiàn)符合數(shù)字值，此時(shí)即表明啟輝過(guò)程完成。再微轉(zhuǎn)電位器時(shí)，直流電壓被加至400 V后，如果發(fā)現(xiàn)中頻電壓出現(xiàn)于500～550 V之間，就應(yīng)調(diào)節(jié)控制面板上的P11β角度電位器。一旦中頻電壓被上調(diào)至500 V上下，用高電壓探頭檢查所有串聯(lián)在一起的KK管的形貌應(yīng)當(dāng)均衡。然后調(diào)整各設(shè)置參數(shù)，使其滿足下述數(shù)值：中頻超壓縮小一半等于2 000 V（實(shí)際上應(yīng)為4 000 V的中頻超壓），中頻限制電壓等于3 600 V（對(duì)應(yīng)的直流電壓應(yīng)是2 900 V）。至于限流值，其實(shí)質(zhì)根據(jù)設(shè)備輸出功率而定，一般應(yīng)設(shè)為過(guò)流量值的1.3倍（便于測(cè)試、檢驗(yàn)之用）。

3.關(guān)機(jī)順序

逆時(shí)針旋回調(diào)功電位器。按下“主電源分”按鈕，主開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。按“控制電源分”按鈕，控制電源斷電。

（四）保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)

1.過(guò)壓保護(hù)

規(guī)定中頻過(guò)壓減半設(shè)定值為2 000 V（實(shí)際為4 000 V），當(dāng)檢測(cè)出中頻超過(guò)此設(shè)定值后，系統(tǒng)將自動(dòng)降低輸出功率以確保設(shè)備安全，同時(shí)設(shè)定中頻最大允許壓力為3 600 V（相當(dāng)于2 900 V的直流），當(dāng)檢測(cè)出中頻超過(guò)此設(shè)定值后，將立刻停止對(duì)外輸出，以防止設(shè)備損壞。

2.過(guò)流保護(hù)

限流值以實(shí)際使用的設(shè)備輸出功率設(shè)定，限定電流值為限流值的1.3倍。當(dāng)電流數(shù)值高于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，輸出會(huì)自動(dòng)降至一半以保護(hù)設(shè)備。可通過(guò)設(shè)置過(guò)流故障模擬來(lái)測(cè)試過(guò)流保護(hù)功能的有效性。

3.欠壓保護(hù)

若輸入電壓小于設(shè)定值，裝置將自動(dòng)停機(jī)，并設(shè)定欠壓保護(hù)值來(lái)保護(hù)設(shè)備不因欠壓而損壞。

4.水壓保護(hù)

水壓小于規(guī)定值后自動(dòng)停止工作，防止因缺水使水泵過(guò)熱燒毀設(shè)備，模擬停水故障，檢測(cè)水壓保護(hù)工作是否正常。

5.PLC保護(hù)功能

運(yùn)用PLC程序進(jìn)行自動(dòng)保護(hù)，主要包括水溫、水壓、油溫、油壓等監(jiān)控保護(hù)。試驗(yàn)設(shè)備相關(guān)保護(hù)功能（水溫、水壓、油溫、油壓等及相關(guān)連鎖保護(hù)功能）。操作設(shè)備實(shí)施遠(yuǎn)方功能調(diào)整，實(shí)現(xiàn)遙控操作的可靠與安全。

結(jié)語(yǔ)

中頻爐的電子調(diào)功技術(shù)是一種新型管理模式，在提高熔化效果、節(jié)能降耗、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理等方面具有突出優(yōu)勢(shì)。通過(guò)本文的相關(guān)理論分析、實(shí)例驗(yàn)證，電子調(diào)功技術(shù)應(yīng)用在中頻爐生產(chǎn)過(guò)程中具有非常顯著的作用。不過(guò)，為了進(jìn)一步保證其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性和可靠性，對(duì)于電子調(diào)功技術(shù)的電磁兼容性、散熱設(shè)計(jì)以及異常識(shí)別等問(wèn)題還需要進(jìn)行進(jìn)一步探索研究。在未來(lái)，隨著電力電子技術(shù)持續(xù)快速發(fā)展，相信電子調(diào)功技術(shù)也將在金屬加工行業(yè)發(fā)揮更重要的作用。

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