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恒功率输出中频感应熔炼炉
摘要：本文针对常规中频感应熔炼炉存在的问题，介绍了一种调节逆变Φ（Φ=e+γ/2）角实现恒功率输出的方法，在仅仅改造控制回路而不改变主回路的情况下，平均输出功率可以提高10~20%，熔炼周期减少到原来的2/3，单产提高1.5倍，节电约10% 。
一、常规中频熔炼炉存在的问题
熔炼所需的工况是：尽可能大功率输出，以缩短熔炼周期和提高电效率。
熔炼炉的等效负载电阻RH(RH=UH2/P)在整个熔炼过程中是变化的，约变化1.7倍，而中频电源的额定输出电压与额定输出电流是受设备所限制的，只有当等效负载电阻RH与电源匹配时，才能达到额定功率输出，如图一所示，在整个熔炼过程中，等效负载电阻RH在一定范围内变化，由于设备的限流与限压作用，熔炼过程中的大部分时间是达不到额定输出功率，平均输出功率仅能达到额定输出功率的80%-90%，使得熔炼周期长，热损失大，效率降低 。
图一 常规中频电源输出功率特性曲线
特别是熔炼的后期，负载变重（RH减小），设备限流起作用，降压运行，使得中频电源整流功率因数降低，设备对电网输出的无功分量增大 。
二、中频电源恒功率输出的原理
要做到恒功率输出，只要让直流等效负载电阻Rd(Rd=Ud/Id)与中频电源的直流回路匹配，即当负载等效电阻RH变化时，采用某种方法使得直流等效电阻Rd不随之变化，并始终与中频电源的直流回路相匹配，这样直流输出功率P便不会随着RH而变化，直流输出功率的恒定，也就意味着中频输出功率的恒定，在并联谐振中频电源中，调节Rd的方法大致有如下几种：
1 、在倍压电路中，可以通过改变串并联中频电容的电容量，调节分压比来达到调节Rd的目的。
2 、通过改变中频电容器的电容量，调节槽路的谐振频率，改变废钢中感应电流的透入深度，来调节RH(RH=UH2/P) 。
3 、根据并联中频电源负载的关系式：Rd≈0.81Cos2ΦRH,当槽路等效电阻RH变化时，调节逆变Φ（Φ=e+γ/2）角，可以使直流等效电阻Rd保持不变 。
从以上三种方法中看，前两种在实际中都是比较难于实现的，需要增加主回路硬件的成本，只有第三种方法，仅需在控制电路中作点文章，而主回路则无需更动。
调节逆变Φ角，不仅能改变Rd与RH的关系，根据并联谐振中频电源的另一关系式UH=Ud/0.9COSΦ,即改变Φ角的同时还影响着逆变输出电压。由于逆变输出电压是受到中频电容器的耐压及逆变晶闸管的耐压所限制，因此Φ角不能无限制的增大；例如：当三相输入电压为380V，最大直流电压（Ud）为500V时，逆变的最大输出中频电压为750V,这样最大的Φ角约为42o；又由于逆变晶闸管在逆变换向时需要一个换向时间，因此最小Φ角受到换向时间所限制，当中频频率为1KHZ时，最小Φ角约为22 o，这样容许Φ角变化范围内22 o～42 o之间，对应容许的负载等效电阻RH变化范围约为1.5倍，也就是说，当负载等效电阻RH变化1.5倍时，可以保证直流等效电阻Rd不变，满足恒功率输出的要求，特性曲线如图2所示 。
图二 恒功率输出中频电源特性曲线
我们也可以从另一个角度来定性地理解改变Φ角使输出功率恒定的原理。比如说，当熔炼炉轻负载时，即负载等效电阻RH变大，中频输出功率减小，可以让控制电路自动的增大逆变Φ角，使得输出的中频电压UH增加，来补偿由于负载等效电阻RH变大所带来的中频输出功率减小；反之，当熔炼炉重负载时，即负载等效电阻RH变小，中频输出功率增大，可以让控制电器自动的减小逆变Φ角，使得输出的中频电压UH减小，来补偿由于负载等效电阻RH变小所带来的中频输出功率增大 。
三、恒功率输出控制电路的组成
恒功率输出控制电路的系统图如图3所示 。它由三个调节器组成，其中LT1为电压调节器，LT2为电流调节器，组成常规的电流，电压双闭环系统；另一调节器LT3为逆变功率因数Φ角调节器，从输入上看，它与电流调节器LT2的输入完全是并联的关系，区别在于LT3的负反馈系数较LT2的略大，再者就是电流调节器LT2的输出控制的是整流电流和直流电压，而LT3的输出控制的是中频电压与直流电压的比例关系，即逆变功率因数Φ角 。
图三 恒功率输出控制系统框图
控制电路的工作过程可以分为两种情况：一种是在直流电压没有达到最大值的时候，由于LT3的反馈系数略大，LT3的给定小于反馈，LT3便工作于限幅状态，对应的为最小逆变Φ角，此时可以认为LT3不起作用，系统完全是一个标准的电压，电流双闭环系统；另一种情况是直流电压已经达到最大值，电流调节器LT2开始限幅，不再起作用，电压调节器LT1的输出增加，而反馈电流却不变化，对LT3来说，当反馈电流信号比给定电流略小时，LT3便退出限幅开始工作，调节逆变Φ角使输出的中频电压增加，直流电流也随之增加，达到新的平衡。此时，就只有LT1与LT3工作，随着负载等效电阻RH的继续增大，直至到最大逆变Φ角 。
特别需要指出的是电压调节器LT1的作用不可忽视，它一方面可以防止逆变的过电压，另一方面，当网压引起直流电压偏高 、同时负载又较轻时，它可以保证整流桥高输入功率因数整流，如果用截压环是作不到这点的。
该系统的中频启动方式可以是任何一种启动方式，笔者采用的是它激转自激的零压启动方式，其优点是自动调节逆变Φ角的电路实现要方便些，且不需要取信号的中频电流互感器，使安装与调试要更为方便。
四、恒功率输出的优点与经济效益
恒功率输出的优点是：一是熔炼周期短，提高了单产；二是由于熔炼周期短，减少了散热损失，提高了热效率，达到节电的目的；三是一般不出现截流工况，均在最高直流输出电压下工作（整流的ａ=0o），因此输入功率因数高，可达0.94 。