感应电炉在国内铸造企业中的应用可以追溯到20世纪70年代,那时工频感应电炉开始逐渐推广使用,在巅峰的时候曾经有过10t2.8MW和20t4MW规格的工频感应电炉投入运行,虽然有很多的缺陷,而且最终也没有被大面积的推广,但是开创了使用电力、以电磁感应方式进行铸铁熔化的先例,为以后更先进的熔化方式指明了发展方向。
同期,随着电力半导体器件的出现,中频感应电炉在国外被发明并逐步完善(不包括中频发电机组),随后传入我国,从20世纪70年代末开始,国内也逐渐有研究和试验性质的应用,但规模都不大。直到90年代以后,在欧美一些公司的大力推广下,中频感应电炉在我国铸造行业才进入大规模的实际应用阶段。当时的主要设备都产自国外,有以老牌传统公司为代表的、采用并联谐振技术的中频感应电炉,还有以一些新兴公司为代表的、采用串联谐振技术的一拖二变频感应电炉。西安机电研究所也是在那时候开始从事中频感应电炉技术的研究和推广,并且于21世纪初推出了基于IGBT器件的一拖二变频感应电炉,开创了国产高功率一拖二变频感应电炉的应用先例。
目前,我国中频电炉行业发展非常迅猛,技术上,国产设备的水平已经接近国际最高水平。就中频电源来说,主电路采用的都是交流-直流-交流的换流方式,即先用整流器把工频市电整流成脉动直流电,再用滤波器把其变成平滑直流电,最后由逆变器逆变成单相中频。根据补偿电容器与负载联接形式的不同,可以分为串联谐振中频电源和并联谐振中频电源两种。
并联谐振电源因为补偿电容器和电炉的感应线圈自成振荡回路,流过逆变电力半导体器件的电流通常是负载电流的1/10~1/6(熔化负载),这使得并联谐振中频电源在相同的逆变电力半导体器件的条件下容易做到更大的功率。
串联谐振中频电源应用的比较晚,90年代以后才开始在国内推广应用。因为其独特的功率调节方式,可以实现一拖二输出,连续生产铁液而受到用户的青睐。通常中频电源的功率调节是在最前面的整流器上完成,通过控制整流晶闸管的导电角来控制输出电压,达到调节输出功率的目的。串联谐振中频电源采用改变逆变器工作频率的方式来调节输出功率,当工作频率接近谐振频率时输出功率增加,远离时输出功率减小,而整流器的输出电压恒定不变,这也是串联谐振中频炉被称为变频炉的原因。正是因为这个特性,在一个整流器上面可以挂载多个逆变器,通过适当的功率互锁控制,只要保证所有逆变器的输出功率之和不超过整流器的有效负载能力,每个逆变器都能够独自控制各自的输出功率以满足需求。典型的应用就是一拖二变频炉,一台整流器带了两个逆变器驱动两台规格相同的电炉,这样可使一台变频电源的功率能灵活地分配给两台炉体,即把一台电源的大功率分配给熔化炉,余下小功率分配给保温炉,从而实现“一熔化一保温”,使电炉系统具备连续生产铁液的能力。
这两种类型的中频电源各自有其优点和缺点。
因为整流器不需要控制,或只需浅度控制,使得串联谐振中频电源的网侧功率因数很高且与输出功率无关,这使其应用不会增加电网的无功损耗。在连续造型线上采用串联谐振一拖二电炉是典型的选择,一拖二工作方式为造型线连续供应铁液,串联谐振的原理使得保温的电炉不会给电网带来额外的无功损耗。串联谐振使得逆变晶闸管要通过全部的负载电流,相同的输出功率就需要更多的晶闸管并联,这造成了两个问题:一是使设备的造价上升;二是更多的晶闸管带来了更多的损耗,相同的设计规范下,每吨铁液的熔化成本将上升。并联谐振中频电源因为在整流器上控制输出功率,当输出功率降低的时候会产生较大的无功损耗,因此其适合于纯熔化的应用(基本不保温或很短的保温操作),类似于一班造型、一班熔化浇注、一班清理的生产流程就是其典型应用,高功率熔化完毕后铁液马上去浇注,中频电源基本没什么低功率工作的时间,也就不会产生额外的无功损耗。
