中频电炉技术说明书

可控硅串联逆变中频电炉

技术说明书

高效节电大功率可控硅串联逆变中频电炉引言

90年代我国工业飞速发展，大容量、高功率，低能耗的中频电炉越来越被

人们所关注，尤其在铸造领域中，中频电炉能提供高质量的铁水和钢水，便于在熔化过程中控制温度和化学成份，因此近年大量引进国外制造的大容量可控硅中频电炉，已达数百台之多，几乎国内上规模的机械制造厂、机床厂、汽车制造厂的高端技术市场都被国外厂商占有，，目前国内产品比较国外，在控制技术上，按装工艺上仍有相当差距。

铸造厂的传统熔化设备冲天炉，出铁温度低，铁水在炉中增碳较多，不易生产出高质量铸铁件，且冲天炉严重污染环境，在城市区域内不容许存在，目前国内铸造用焦价格猛涨，与中频电炉熔化成本相当。因此大容量中频电炉是铸造厂节能、高效、清洁环保型熔化设备，所以我们研制，开发大熔量高功率的中频电炉起点高，技术指标以国外最先进的电炉为目标。串联逆变中频电源具有功率因素高，我公司生产的中频电源功率因素不低于0.98.高效节能，谐波小。

一、元器件的选择

目前已经研制成功的具有一拖二功能的可控硅中频熔化炉，是高效节电最佳的熔化设备。

我国电器工业经过多年的发展，目前按装大容量中频电炉元器件己具备相当条件，大电流耐高压可控硅，高压电热电容己能生产，满足需求。

中频逆变电源的开关元件，目前有二种，可控硅SCR和绝缘栅双极型场效

应晶体管IGBT，根据国外文献所载，大功率，较低频率(<1 000Hz)的逆变电源，选用可控硅的关闭时间要求较低，TOT可以在5 0～60微秒级，这样硅片的厚

度可以厚些，可控硅的耐压便可以提高，且可控硅的价格比IGBT低得多，．而且工作稳定性和可靠性比IGBT高，我们设计的逆变器选用 KK2500A／2 5 00V可控硅。目前世界上技术最先进、规模最大的美国应达电炉公司仍采用大功率可控硅组装。

图1依据功率和频率选择逆变开关元件

IGBT特别适用于频率高，功率较小的变频加热设备，如小容量中频真空熔

炼炉，工件表面淬火和小件透热等。目前国内200A以上的IGBT都需依赖进口，还受到出口国的限制，最大容量为500A／1 5 0 0V。组装大功率电源时，不得不把I GBT串联后再多组并联，对用户来说，元件损坏时就得长期依赖于设备制造厂

商供应备件，根据图1我们选用国产大功率可控硅是合理的。

二、串并电路的比较

串并联逆变中频电源相比具有以下优点

1、可控硅并联线路是并联谐振电路，在熔炼过程中，尤其对熔炼铝、铜等材料，负载很轻，它的

功率输出很小，与负载的性质有很大关系，所以其熔化速度慢、升温困难。而可控硅串联中频熔炼炉是通过调频方式调节功率，所以受负载性质的影响相对小，熔炼全过程近乎保持恒功率输出，由于是串联谐振，也就是电压谐振，感应圈电压高，电流小，所以电能损失就小。

2、由于是串联逆变，功率因素高，谐波小，不需要再上无功补尝装置。这样可以为用户节省不小

的一笔开支，也是供电部门大力提倡推广的先进设备。

3、串联逆变电源工作时，整流始终在全导通状态下工作，改变逆变回路输出功率是靠控制逆变

触发脉冲频率来实现。且负载电流为正弦波，所以串联逆变电源不会有高次谐波严重污染电网，且功率因数高。而并联逆变不可能实现一拖二自动调功运行，因为并联逆变电源调功只能靠调节整流桥输出电压来实现，当并联逆变整流桥工作在低电压，整流导通角很小状态下，设备的功率因数将会很低，且并联逆变负载电流为方波，将会严重污染电网。如果靠调节逆变反压角来调功，调功范围是很窄的，因此并联逆变电源是无法实现一拖二运行的。

国内外中频感应电炉主要有二种类型，并联逆变和串联逆变二类，过去由于

我国不能生产高压谐振电热电容和大功率高压可控硅，所以普遍生产并联谐振型

中频炉，现在由于近二年元器件在技术上已有所突破，所以一些电炉制厂商都竞

相争雄开发串联型中频电炉。

并联逆变是电流型谐振(a)振荡回路中的电流I是电源供给电流i的Q倍

Q为回路品质因素，通常可达6以上，因此电流I在谐振回路内很大，负载线圈L

，电容C，以及铜排内发热损耗很大。

串联逆变是电压型谐振(b)，回路中的电流与电源供给的电流相等，而在电

容C和负载线圈上的振荡电压为电源电压的Q倍，可高达2 5 00V AC以上。

由于谐振回路电流I等于通过可控硅的电源电流i。所以串联逆变较并联逆变

回路中的电能损耗要小得多，因此串联逆变电炉电效率大大高于并联逆变电路。

图2 串并联谐振电路

三，一拖二工作原理

运行方式采用一拖二，一拖二即一套整流电源带动二套逆变装置运行，也可以任何一套逆变装置单独运行，供电给A炉或B炉，双供电一拖二功能，特别

适用于中小铸件大批量连续生产运行，任意一台电炉高功率熔化作业，另一台炉体可保温或将冷料预热，功率按需任意分配，二台电炉的使用功率总和恒定不变，即总功率P总=PA+PB

两台电炉连续交替熔化和保温浇铸，同时运行，可使电源始终在满功率下运行，以此提高电炉的熔化生产率，图3为一拖二方块图。

图3 一拖二电路方块示意图

串联逆变电源工作时，整流始终在全导通情况下工作，改变逆变回路输出功率是靠控制逆变触发脉冲频率来实现。且负载电流为正弦波，所以串联逆变电源

不会有高次谐波严重污染电网，且功率因数高。而并联逆变不可能实现一拖二自动调功运行，因为并联逆变电源调功只能靠调节整流桥输出电压来实现，当并联逆变整流桥工作在低电压，整流导通角很小状态下，设备的功率因数将会很低，且并联逆变负载电流为方波，将会严重污染电网。如果靠调节逆变反压角来调功，调功范围是很窄的，因此并联逆变电源是无法实现一拖二运行的。

四、串联逆变电源工作原理

串联逆变电源为电压源供电，串联逆变电源主回路原理图如图4所示。

图4串联逆变电源原理图

电源由三相桥式整流桥和可控硅半桥逆变电路组成，运行时整流桥可控硅全

导通，满电压工作。逆变器主电路由二组可控硅桥臂和二组谐振电容器及电炉线

圈组成，半桥逆变电路适用于大功率低频率恒压源逆变器。

逆变桥臂上两个SCR交替导通，任何一只SCR导通一定要在串联负载电流

过零之后，即大于SCR关闭时间TOT之后，触发导通，如图5，6所示逆变器

负载波形图，当SCR电流过零后，与其并联的反向二极管导通，其反向压降把SCR关闭，之后另一臂SCR才能触发导通，逆变器的输出工作频率为300—400Hz，工作频率越高，输出功率越大。

图5为逆变器触发脉冲和负载波形图，把可控硅视为理想开关，瞬时导通和

关断，电感L和电阻R串联，等效于炉体的负载，触发脉冲频率略低于负载谐

振频率f。