3.1 中頻熔煉設備的概述

本套串聯諧振中頻電源總功率采用的是12脈KGPS-CL2-1500/300，配套變壓器容量1600KVA，中頻電源總功率采1500kW、300Hz。中頻電源對兩臺爐體同時供電時，功率可以根據生產情況任意分配，但其總功率不能超過額定功率1500KW=1200K+300KW，其中一臺爐體用于熔煉、一臺爐體用于保溫、調質或者兩臺爐體同時熔煉，以上為一拖二的說明。

 大功率整流器都會對輸出交流電網產生非正弦波電流，既對電網產生有害的電流畸變諧波。由于我公司電源采用的是串聯諧振電壓反饋式的控制方式，輸出功率的大小是靠調節逆變器觸發頻率來控制的，不需調節整流可控硅的導通角度來調節功率，致使整流可控硅始終處于全開放狀態，故功率因數始終大于0.95，諧波含量小，整流輸出電壓恒定不變，波形好，因此設備的運行效率高，可以節約10～20%電能，節能效果明顯。能達到國家GB/T14549-93的用電標準要求。

3.2 本套電爐設備的技術參數

3.3 產品執行標準及適用環境要求

3.3.1設備按照國家標準進行設計和制造。

3.3.2所有圖紙文件均按ISO規定制作。

3.3.3機械部分制造嚴格按照國家標準規范進行。

GB5959.3-2005         《電熱設備的安全--對感應和導電加熱設備以及感應熔煉設備的特殊要求》

GB10067.3-2005       《電熱設備基本技術條件--感應電熱設備》

GBl0063.3—2005      《電熱設備的試驗方法—無芯感應電爐》

GB10067.1-2005       《電熱設備基本技術條件—通用部分》

GB5959.1-2005        《電熱設備的安全—通用要求》

GB/T14549-2005       《電能質量公共電網諧波》

JB4086-2005          《中頻無芯感應加熱用電控設備技術條件》

JB/T4280-2005       《中頻無芯感應爐》

ZBK46001-2005       《感應加熱用半導體變頻器》

GB/T5226.1-2005     《工業電氣設備第一部分：通用技術條件》

JB1644-2005         《鑄造機械通用技術條件》

JB5549-2005         《鑄造機械安全防護技術條件》

JB/T5000.3-2005     《焊接件通用技術要求》

JB/T10391-2005制造標準

GB985-2005          《手工電弧焊及氣體保護焊焊縫坡口基本形式和尺寸執行》

JB/T5000.2-2005     《火焰切割通用技術要求》

GB/T13384-2005      《機電產品包裝通用技術條件》

GB50231-2005        《機械設備安裝工程設施及驗收通用規范》

GB50252-2005        《工業安裝工程檢驗評定統一標準》

3.3.4提供的所有正式文件、產品的銘牌、運輸包裝等均使用漢字版本。

3.4 中頻電源介紹

3.4.1 串聯諧振中頻電源原理介紹

圖2-1串聯逆變的原理圖

圖2-1表示可控硅串聯逆變電源的簡單方塊圖，它由進線變壓器、整流器、濾波電容器、逆變器、諧振電容器、感應線圈及CL控制器組成，具有主回路控制簡單，故障率低、維護方便、設備運行效率高等優點。

3.4.2 電源整流器

中頻電源控制系統采用CL芯片技術，是先進的控制方式。串聯諧振電源具有功率因數高（≥0.95），諧波含量小，電效率高，整流控制簡單，設備啟動成功率100%（在任工況下不存在啟動困難的現象）。

整流器的作用是把交流電能轉換成直流電能；串聯諧振的整流部分是采用三相橋式整流器，整流晶閘管工作時完全處于全開放狀態（其工作狀況如同二極管組成的三相橋式整流器），輸出端由電容器濾波，所以電壓輸出平穩，不會降低功率因數和增加諧波干擾。整流器的輸入電路采用快速斷路器和快速熔斷器作為短路保護。并且在電源故障報警時，可控硅全控整流橋相當于一個固態控制開關，會立即切斷主回路，對電源主要器件進行有效的保護。

3.4.3 電源濾波器

過濾直流電源上的紋波信號，使直流電壓更為平穩，抑制中頻交變分量對工頻電網的影響，為逆變器穩定工作提供了有力保障。濾波電容器是自愈式水冷電容器，通過外接循環水冷卻，過載能力大，可靠程度高，運行穩定。

3.4.4 電源逆變器

工作原理是利用負載電路與補償電容串聯諧振的逆變器稱為串聯逆變器（如上圖）；

其標志是在逆變端的進線端采用一個過濾電容，并采用串聯式諧振負載。電源的逆變橋是由可控硅和二極管組成的半橋逆變器，工作時像并聯逆變器一樣，輪流觸發可控硅使得負載得到中頻電流，設置快速二極管的目的是在晶閘管關斷期間，給負載震蕩電流提供通路。當逆變電路采用全橋逆變時，在線圈負載短路時將會燒毀可控硅，所以我們的串聯諧振電路采用的是兩個電容器代替可控硅的另一半橋逆變電路，并在主回路上設有電容器，即使在線圈發生短路故障的情況下，也會減少對逆變可控硅的損壞幾率。最后在成套設備出廠前，對設備主要部分做過負載短路與設備老化試驗，從而可以盡量避免因負載短路損壞逆變電路。

在電壓反饋串聯逆變器中，線圈負載電流等于逆變輸出電流，電流相對較小，負載電壓等于逆變輸出電壓乘以品質因數Q值，相當于在高壓線路遠距離傳輸中的道理一樣，因而線路損耗小，逆變側電效率較高，可以達到并維持在96%左右，同時100%的電流流過負載線圈和逆變器。

串聯諧振電源是通過控制逆變器的頻率來調整輸出功率，頻率點提高，工作點向諧振點靠近，功率增加。因此頻率的極小調整將帶動功率的極大變化。      

串聯逆變器負載電壓為矩形波，電流波形為正弦波；可以在自激狀態下工作，也可在他激狀態下工作，本電源中采用的是先進自激工作的串聯諧振方式，可以在任何工況下100%的啟動成功。

3.4.5 電源諧振電容器

   諧振電容器在串聯逆變電路中主要起著提供無功功率、改善回路電壓、提高或降低頻率級別，電容采用的是水冷卻，通過外接循環水來冷卻電容器，是LC串聯諧振電路的重要組成部分。

3.4.6 電源CL控制器

在電源工作的同時，每個環節上都加以有效的控制。我們控制系統的基本參數是根據具體情況動態設定的。例如，根據采集逆變器的電流、電壓信號來設定晶閘管的觸發頻率，該信號通常會根據線圈以及加熱工件的材質、大小和加熱溫度狀況等情況變化。該分析過程會在半個電流周期內完成，通過反饋，我們可以知道線圈以及加熱工件快速變化導致的負載線路性能所發生的變化，從而可以在一個電流周期內及時自動調整系統參數，盡量避免設備故障，并使設備始終處于高效工作狀態。

CL5中頻電源控制板，是本公司開發的新型可控硅串聯諧振控制板，它可一拖一工作也可以實現一拖二工作甚至一拖多工作，并可方便與單整流橋（3相6脈）、雙整流橋（6相12脈）及四整流橋（12相24脈）配合工作。主要由電源、調節器、保護電路、啟動演算電路、逆變頻率跟蹤、逆變脈沖形成、脈沖放大及脈沖變壓器組成。其核心部件采用美國生產的高性能、高密度、超大規模專用DLJ集成電路，使其電路除調節器外，其余均實現數字化，而且具有可靠性高、脈沖對稱度高、抗干擾能力強、反應速度快等特點。

整個控制電路除逆變末級觸發單元外，做成一塊印刷電路板結構。功能上包括電源、調節器、保護電路、逆變觸發、啟動演算等，除調節器為模擬運算電路外，其余為數字電路。

組成該控制板的核心器件是大規?？删幊碳尚酒?，型號為CL它是一塊專用大規模數字集成電路，有3路時鐘輸入口，35路輸入/輸出口，內部功能包括整流移相觸發、逆變觸發、逆變引前角鎖定、整流電流過流保護、輸出電流過流保護、過壓保護、水壓低保護、水溫高保護。

逆變部分工作原理：

    本電路逆變觸發部分，采用的是特殊掃頻式零壓軟起動，只需取一路中頻電流反饋信號，其本質上相當于它激轉自激電路，屬于平均值反饋電路。由于主回路上無需附加任何啟動電路，不需要預充磁或預充電的起動過程，因此，主回路得以簡化，調試過程簡單。

起動過程大致是這樣的，在逆變電路起動前，先以一個高于槽路諧振頻率的它激信號去觸發逆變晶閘管，當給定電位器由低向高調整時，調節器工作便控制它激信號的頻率從高向低掃描，當它激少許信號頻率下降到接近槽路諧振頻率時，中頻電壓便建立起來，檢測線路撲住到逆變電流信號，并反饋到自動調頻電路，自動調頻電路投入工作，便立即停止它激信號的頻率往低掃描的動作，轉由自動調頻電路控制逆變動引前角，使設備進入穩態運行。

3.4.7 電源的保護措施包括：

★主回路短路保護

★主回路過電流保護

★電網電壓高保護

★電網電壓低保護

★冷卻水溫高保護

★冷卻水壓低保護

★冷卻水流量低保護

★可控硅過電壓保護

★可控硅過電流保護

★逆變可控硅電流上升率高保護

★逆變可控硅換流時間不足保護

★逆變可控硅反向關斷電壓時間不足保護

3.5 串聯電源與并聯電源的比較

3.5.1 串聯中頻感應熔煉爐特點     

    圖1為串聯逆變中頻感應熔煉爐(以下簡稱串聯電路)主回路電路圖。該種供電方式是一臺電源可以同時向兩臺電爐饋電熔煉，亦可以一臺爐子熔煉，另一臺保溫。以我公司生產的一拖二串聯諧振中頻感應電爐為例，由圖1可知，逆變部分是由2個半橋式逆變電路相串聯。這種串聯電路在使用過程中，整流電路一直處于全導通狀態，所以功率因數≥0．95(整流輸出電壓

Ud恒定不變)，串聯電路功率輸出是通過調節逆變導通角大小來控制的。這里所指的功率因數是：COS￠=P／S

 式中：P有功功率。S視在功率    ￠——電路中電壓與電流之間相位差。

3.5.2 并聯中頻感應熔煉爐的特點

圖2為并聯電路中頻感應電爐主回路電路圖，逆變部分為并聯電路。這種并聯電路在使用過程中，功率輸出是通過調節整流導通角大小來控制的，整流電路一直處于被調節狀態(整流輸出電壓處于不斷的變化中)。并聯電路的功率因數與整流導通角成正比例，當電爐打新爐襯烘爐或新開爐時，小功率輸出時間較長，整流導通角前移很小，功率因數嚴重不達標。影響變壓器的利用率，同時也嚴重影響生產率。當用大、小中頻電源(并聯電路)加換爐開關切換的方式時，存在換爐開關的工作電流過大，換爐開關的工作電流產生集膚效應(工作頻率50Hz)以及頻繁切換等問題，因而難以穩定工作。通常換爐開關的工作電流=中頻電流×Q(品質因數系數為12)。

3.5.3 串聯電路中頻感應電爐的新特點

1 新型無功功率補償變頻技術的運用，負載串聯諧振時，變頻電源中的整流橋工作在全導通狀態，系統功率因數>0.95。

2 功率控制與多供電分配技術的有機結合，(一臺變壓器)一套整流系統在額定范圍內可將電能無級分配給多臺逆變器，逆變器再根據工藝需要無級調功給感應電爐供電。

3 系統成套自動化程度高、優化組合功能完備。

4 節能效果顯著

    ①采用并聯逆變技術的變頻電爐平均COS￠≥0.8，采用串聯逆變技術其COS￠≥0.95，可節能10%。

   ②與其他電路相比，負載回路的電流要小10一12倍，可節約運行電耗3％。

   ③無需大容量濾波電抗器，又可節約電耗1％。

    ④每臺感應熔煉爐由一組逆變器獨立供電，無需安裝大電流換爐開關切換，可節約電耗l％。

  ⑤串聯逆變器，在運行功率特性曲線中，不存在功率凹角部分即功率損失部分，使之熔煉時間明顯縮短，既增加產量又節省電耗，可節能7％

    ⑥上述5項共節能(電)22％。

3.5.4 國際應用情況分析

由于一拖二的串聯諧振中頻感應電爐具有以上特點和優勢，很適合于鑄造行業使用，屬于鑄造行業熔煉設備的發展方向。目前國際上鑄造行業并聯諧振中頻電爐產品已逐步被淘汰，國內新上項目中也很少使用，已都在使用串聯諧振中頻感應電爐。

四、鋼結構液壓傾爐爐體

4.1 爐體結構

鋼結構帶液壓傾爐中頻爐體結構，由爐體固定架和爐體本體組成，爐固定架和爐體采用整體性開放式骨架結構。此種結構強度高、剛度好、便于散熱、能防止傾爐時爐襯產生應力變形，同時便于接近爐體，對其重要部分進行檢查維修。

爐體的傾轉是由液壓系統控制，靠爐體兩側的兩個液壓缸頂起實現的，采用這種方式是考慮到傾爐時的勻速平穩、操作方便，爐體的復位是靠爐體的自重產生的壓力實現的。

爐膛中鐵液的高度和直徑比較大。本爐膛吸收國外先進爐型的優點，在計算機分析的基礎上確定的，采用串聯逆變式電路，因此功率因數得到改善，電效率得到提高。

4.2 線圈

線圈是感應熔化系統的核心，是由橫截面壁厚恒定的重型銅管制成的，使用重型銅管可防止線圈變形。感應器線圈在電流的作用下產生強大的磁場，此磁場使爐膛內的金屬產生渦流而發熱。線圈是電能轉換成熱能的關鍵所在，所以線圈的設計非常重要。本爐的線圈是結合感應爐的實際使用情況，根據電磁場原理，是富有理論知識及多年設計經驗的工程師通過計算機專業軟件的計算而確定的最佳方案，感應線圈的設計功率與實際運行功率的誤差不大于5％，線圈的絕緣，特別是匝間絕緣采用新型線圈鎖緊辦法來保證（如下圖），專用復合支撐按一定間距與線圈連接并固定，這不僅增加了線圈的剛度，而且當線圈需要取出維修或檢查時，還有助于處理線圈。

我們公司的感應器是按照以下的工藝要求嚴格制作：繞制→整形→酸洗→鈍化→浸漆→皂化→烘烤→干燥等，經過3倍于常規壓力的水壓（0.6MPa）實驗歷時30分鐘無滲漏才可裝配。

4.3 磁軛

磁軛的特點：磁軛制作采用半弧結構，使磁軛更好的貼合線圈外壁，避免損傷線圈和磁軛中間的石棉板和環氧樹脂板，雙層絕緣可減少磁軛的發熱量保護硅鋼片的絕緣，從而延長磁軛的使用壽命（見下圖）。磁軛包容面積高達70%以上，超出國外10%以上。

磁軛的作用：磁軛在鋼殼感應爐中發揮很重要的作用，主要有以下幾方面。

其一：是節能降耗，感應爐的工作原理是：用交變的磁力線穿過被加熱物料，被加熱物料電磁場的作用下，產生巨大的渦流電流，渦流電流使物料產生熱能從而使物料被融化。電爐效率的高低除了在感應器匝數的設計和負載連接方式以外，磁軛就起到很關鍵的作用，它將發散的磁力線集中起來，在設備節能環節起到很大的作用。

其二：是磁屏蔽的作用，在感應線圈周圍分布若干條磁軛，將發散的磁力線集中起來，盡量減少漏磁通，避免外部鋼構件穿過磁力線，產生電磁感應而發熱。

其三：是作為感應線圈的徑向緊固與支承作用，使磁軛、線圈與爐殼連成剛性體。磁軛采用優質高硅晶粒有取向的冷軋矽鋼片疊制而成；在兩側用不銹鋼制作水冷夾板，給磁軛降溫并使磁軛強度提高。

4.4 水電引入系統

在爐體冷卻水入口處，設有電接點壓力表，以控制和監測冷卻水壓力的變化，在爐體冷卻水出口的每一個支路上各設一個雙金屬信號溫度計，用以監控冷卻水水溫的變化。爐體引電采用水冷電纜，電纜頭扣壓成形，接觸電阻小、連接可靠、夾布膠管更換方便。

感應器與電源的最終連接是通過水冷電纜進行連接的，電纜的長度以及布置方式對整體效率也有一定影響，過去的結構大多采用后出線方式，為滿足正常使用，水冷電纜必須有足夠的長度。此外，在傾爐過程中，由于電纜擺動幅度大，連接處長期反復受力，影響使用壽命。

我公司的電爐采用的是側出線方式，即水路、電路均從爐體側邊引出，通過靠近旋轉中心位置與導電銅排以及匯水器連接，這樣就縮短了電纜的長度，最大限度減少了電纜的擺動，既提高了效率，又提高了壽命。

4.5 液壓系統

液壓系統由液壓站、液壓缸及液壓操作臺和液壓電控箱組成；

爐液壓系統提供的動力源履行提升、將爐子向前傾出鋼水。爐體可以傾轉95度，倒出全部金屬液，并可以根據需要在傾轉的過程中的任意位置停留。

4.5.1 雙系統液壓站

液壓系統采用雙系統，就是在液壓箱上安裝兩套液壓元件，設備正常運行是只需要一套系統，另外一套系統備用。由于爐體內的鋼水溫度到達出爐溫度時萬一液壓系統出現問題是很危險的，這時就要啟動另外一套系統，這樣就不會影響正常的生產。液壓系統包括控制系統、油泵、液壓閥和油箱。

4.5.2 爐前操作臺

操縱臺是控制液壓系統的運行，當一套系統出現故障是馬上啟動備用系統，液壓站油泵起動加載均采用轉換開關電動控制便于操作，過程中由于操作人員的疏忽，經常出現非工作狀態，高壓溢流運行，造成油溫上升，介質性能下降，系統易產生故障等。我公司采用多路換向閥后，徹底避免了上述現象，油泵開啟后，系統仍處于卸載狀態，只有操作手柄工作時，才可升高壓力，工作完畢，系統自動處于卸裝狀態，從而徹底避免了因操作失誤而產生的油溫升高現象。

4.6 中頻爐總體結構特點

爐體設計必須有爐襯頂出裝置,具有快速拆除爐襯的功能。

感應器必須用牌號為T2的優質紫銅管在專用工具上繞制而成,并經整體浸漆.真空烘干等絕緣處理。

磁軛采用牌號為Z11的日本進口冷軋無取向矽鋼片或武鋼的高矽鋼片疊制而成。

傾爐系統采用液壓式,傾爐缸采用倒裝式安裝.進油口要有限速切斷閥,爐體傾爐耳軸要有良好的潤滑裝置。

具有漏爐報警,冷卻水失壓及冷卻水超溫保護措施。

中頻電源主回路應采用可控硅串聯諧振電路,并應滿足輸出功率旋紐在任何位置均可啟動,且啟動成功率不得低于100%。

中頻電源所有可控硅保證工作電流不得大于元件額定電流的50%。

中頻電源具有過流.過壓.缺相及水溫.水壓等保護措施。

爐體框架必須保證足夠的強度,防止因變形而導致爐襯壽命短等一系列問題,爐殼下部設有爐襯頂出機構的固定支架。

磁軛采用優質冷軋硅鋼片疊制,用不銹鋼夾緊,設有良好的水冷散熱裝置,磁軛對感應圈覆蓋面積要達到60%以上。

水冷電纜連接要牢固耐用,更換維修方便。

坩堝模采用厚鋼板卷制而成,確保同心度及焊接面平整。

液壓泵采用雙機雙泵機組(一套工作,一套備用),該機組用臥式機組,油泵外置式,必須要有油液過濾裝置.液壓操作臺,可控制爐體在0—95度范圍內傾動及爐襯推出,系統工作可靠.平穩,無沖擊及爬行現象,速度可調并可在任意位置停留。