3.1 中频熔炼设备的概述

本套串联谐振中频电源总功率采用的是12脉KGPS-CL2-1500/300，配套变压器容量1600KVA，中频电源总功率采1500kW、300Hz。中频电源对两台炉体同时供电时，功率可以根据生产情况任意分配，但其总功率不能超过额定功率1500KW=1200K+300KW，其中一台炉体用于熔炼、一台炉体用于保温、调质或者两台炉体同时熔炼，以上为一拖二的说明。

 大功率整流器都会对输出交流电网产生非正弦波电流，既对电网产生有害的电流畸变谐波。由于我公司电源采用的是串联谐振电压反馈式的控制方式，输出功率的大小是靠调节逆变器触发频率来控制的，不需调节整流可控硅的导通角度来调节功率，致使整流可控硅始终处于全开放状态，故功率因数始终大于0.95，谐波含量小，整流输出电压恒定不变，波形好，因此设备的运行效率高，可以节约10～20%电能，节能效果明显。能达到国家GB/T14549-93的用电标准要求。

3.2 本套电炉设备的技术参数

3.3 产品执行标准及适用环境要求

3.3.1设备按照国家标准进行设计和制造。

3.3.2所有图纸文件均按ISO规定制作。

3.3.3机械部分制造严格按照国家标准规范进行。

GB5959.3-2005         《电热设备的安全--对感应和导电加热设备以及感应熔炼设备的特殊要求》

GB10067.3-2005       《电热设备基本技术条件--感应电热设备》

GBl0063.3—2005      《电热设备的试验方法—无芯感应电炉》

GB10067.1-2005       《电热设备基本技术条件—通用部分》

GB5959.1-2005        《电热设备的安全—通用要求》

GB/T14549-2005       《电能质量公共电网谐波》

JB4086-2005          《中频无芯感应加热用电控设备技术条件》

JB/T4280-2005       《中频无芯感应炉》

ZBK46001-2005       《感应加热用半导体变频器》

GB/T5226.1-2005     《工业电气设备第一部分：通用技术条件》

JB1644-2005         《铸造机械通用技术条件》

JB5549-2005         《铸造机械安全防护技术条件》

JB/T5000.3-2005     《焊接件通用技术要求》

JB/T10391-2005制造标准

GB985-2005          《手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口基本形式和尺寸执行》

JB/T5000.2-2005     《火焰切割通用技术要求》

GB/T13384-2005      《机电产品包装通用技术条件》

GB50231-2005        《机械设备安装工程设施及验收通用规范》

GB50252-2005        《工业安装工程检验评定统一标准》

3.3.4提供的所有正式文件、产品的铭牌、运输包装等均使用汉字版本。

3.4 中频电源介绍

3.4.1 串联谐振中频电源原理介绍

图2-1串联逆变的原理图

图2-1表示可控硅串联逆变电源的简单方块图，它由进线变压器、整流器、滤波电容器、逆变器、谐振电容器、感应线圈及CL控制器组成，具有主回路控制简单，故障率低、维护方便、设备运行效率高等优点。

3.4.2 电源整流器

中频电源控制系统采用CL芯片技术，是先进的控制方式。串联谐振电源具有功率因数高（≥0.95），谐波含量小，电效率高，整流控制简单，设备启动成功率100%（在任工况下不存在启动困难的现象）。

整流器的作用是把交流电能转换成直流电能；串联谐振的整流部分是采用三相桥式整流器，整流晶闸管工作时完全处于全开放状态（其工作状况如同二极管组成的三相桥式整流器），输出端由电容器滤波，所以电压输出平稳，不会降低功率因数和增加谐波干扰。整流器的输入电路采用快速断路器和快速熔断器作为短路保护。并且在电源故障报警时，可控硅全控整流桥相当于一个固态控制开关，会立即切断主回路，对电源主要器件进行有效的保护。

3.4.3 电源滤波器

过滤直流电源上的纹波信号，使直流电压更为平稳，抑制中频交变分量对工频电网的影响，为逆变器稳定工作提供了有力保障。滤波电容器是自愈式水冷电容器，通过外接循环水冷却，过载能力大，可靠程度高，运行稳定。

3.4.4 电源逆变器

工作原理是利用负载电路与补偿电容串联谐振的逆变器称为串联逆变器（如上图）；

其标志是在逆变端的进线端采用一个过滤电容，并采用串联式谐振负载。电源的逆变桥是由可控硅和二极管组成的半桥逆变器，工作时像并联逆变器一样，轮流触发可控硅使得负载得到中频电流，设置快速二极管的目的是在晶闸管关断期间，给负载震荡电流提供通路。当逆变电路采用全桥逆变时，在线圈负载短路时将会烧毁可控硅，所以我们的串联谐振电路采用的是两个电容器代替可控硅的另一半桥逆变电路，并在主回路上设有电容器，即使在线圈发生短路故障的情况下，也会减少对逆变可控硅的损坏几率。最后在成套设备出厂前，对设备主要部分做过负载短路与设备老化试验，从而可以尽量避免因负载短路损坏逆变电路。

在电压反馈串联逆变器中，线圈负载电流等于逆变输出电流，电流相对较小，负载电压等于逆变输出电压乘以品质因数Q值，相当于在高压线路远距离传输中的道理一样，因而线路损耗小，逆变侧电效率较高，可以达到并维持在96%左右，同时100%的电流流过负载线圈和逆变器。

串联谐振电源是通过控制逆变器的频率来调整输出功率，频率点提高，工作点向谐振点靠近，功率增加。因此频率的极小调整将带动功率的极大变化。      

串联逆变器负载电压为矩形波，电流波形为正弦波；可以在自激状态下工作，也可在他激状态下工作，本电源中采用的是先进自激工作的串联谐振方式，可以在任何工况下100%的启动成功。

3.4.5 电源谐振电容器

   谐振电容器在串联逆变电路中主要起着提供无功功率、改善回路电压、提高或降低频率级别，电容采用的是水冷却，通过外接循环水来冷却电容器，是LC串联谐振电路的重要组成部分。

3.4.6 电源CL控制器

在电源工作的同时，每个环节上都加以有效的控制。我们控制系统的基本参数是根据具体情况动态设定的。例如，根据采集逆变器的电流、电压信号来设定晶闸管的触发频率，该信号通常会根据线圈以及加热工件的材质、大小和加热温度状况等情况变化。该分析过程会在半个电流周期内完成，通过反馈，我们可以知道线圈以及加热工件快速变化导致的负载线路性能所发生的变化，从而可以在一个电流周期内及时自动调整系统参数，尽量避免设备故障，并使设备始终处于高效工作状态。

CL5中频电源控制板，是本公司开发的新型可控硅串联谐振控制板，它可一拖一工作也可以实现一拖二工作甚至一拖多工作，并可方便与单整流桥（3相6脉）、双整流桥（6相12脉）及四整流桥（12相24脉）配合工作。主要由电源、调节器、保护电路、启动演算电路、逆变频率跟踪、逆变脉冲形成、脉冲放大及脉冲变压器组成。其核心部件采用美国生产的高性能、高密度、超大规模专用DLJ集成电路，使其电路除调节器外，其余均实现数字化，而且具有可靠性高、脉冲对称度高、抗干扰能力强、反应速度快等特点。

整个控制电路除逆变末级触发单元外，做成一块印刷电路板结构。功能上包括电源、调节器、保护电路、逆变触发、启动演算等，除调节器为模拟运算电路外，其余为数字电路。

组成该控制板的核心器件是大规模可编程集成芯片，型号为CL它是一块专用大规模数字集成电路，有3路时钟输入口，35路输入/输出口，内部功能包括整流移相触发、逆变触发、逆变引前角锁定、整流电流过流保护、输出电流过流保护、过压保护、水压低保护、水温高保护。

逆变部分工作原理：

    本电路逆变触发部分，采用的是特殊扫频式零压软起动，只需取一路中频电流反馈信号，其本质上相当于它激转自激电路，属于平均值反馈电路。由于主回路上无需附加任何启动电路，不需要预充磁或预充电的起动过程，因此，主回路得以简化，调试过程简单。

起动过程大致是这样的，在逆变电路起动前，先以一个高于槽路谐振频率的它激信号去触发逆变晶闸管，当给定电位器由低向高调整时，调节器工作便控制它激信号的频率从高向低扫描，当它激少许信号频率下降到接近槽路谐振频率时，中频电压便建立起来，检测线路扑住到逆变电流信号，并反馈到自动调频电路，自动调频电路投入工作，便立即停止它激信号的频率往低扫描的动作，转由自动调频电路控制逆变动引前角，使设备进入稳态运行。

3.4.7 电源的保护措施包括：

★主回路短路保护

★主回路过电流保护

★电网电压高保护

★电网电压低保护

★冷却水温高保护

★冷却水压低保护

★冷却水流量低保护

★可控硅过电压保护

★可控硅过电流保护

★逆变可控硅电流上升率高保护

★逆变可控硅换流时间不足保护

★逆变可控硅反向关断电压时间不足保护

3.5 串联电源与并联电源的比较

3.5.1 串联中频感应熔炼炉特点     

    图1为串联逆变中频感应熔炼炉(以下简称串联电路)主回路电路图。该种供电方式是一台电源可以同时向两台电炉馈电熔炼，亦可以一台炉子熔炼，另一台保温。以我公司生产的一拖二串联谐振中频感应电炉为例，由图1可知，逆变部分是由2个半桥式逆变电路相串联。这种串联电路在使用过程中，整流电路一直处于全导通状态，所以功率因数≥0．95(整流输出电压

Ud恒定不变)，串联电路功率输出是通过调节逆变导通角大小来控制的。这里所指的功率因数是：COS￠=P／S

 式中：P有功功率。S视在功率    ￠——电路中电压与电流之间相位差。

3.5.2 并联中频感应熔炼炉的特点

图2为并联电路中频感应电炉主回路电路图，逆变部分为并联电路。这种并联电路在使用过程中，功率输出是通过调节整流导通角大小来控制的，整流电路一直处于被调节状态(整流输出电压处于不断的变化中)。并联电路的功率因数与整流导通角成正比例，当电炉打新炉衬烘炉或新开炉时，小功率输出时间较长，整流导通角前移很小，功率因数严重不达标。影响变压器的利用率，同时也严重影响生产率。当用大、小中频电源(并联电路)加换炉开关切换的方式时，存在换炉开关的工作电流过大，换炉开关的工作电流产生集肤效应(工作频率50Hz)以及频繁切换等问题，因而难以稳定工作。通常换炉开关的工作电流=中频电流×Q(品质因数系数为12)。

3.5.3 串联电路中频感应电炉的新特点

1 新型无功功率补偿变频技术的运用，负载串联谐振时，变频电源中的整流桥工作在全导通状态，系统功率因数>0.95。

2 功率控制与多供电分配技术的有机结合，(一台变压器)一套整流系统在额定范围内可将电能无级分配给多台逆变器，逆变器再根据工艺需要无级调功给感应电炉供电。

3 系统成套自动化程度高、优化组合功能完备。

4 节能效果显著

    ①采用并联逆变技术的变频电炉平均COS￠≥0.8，采用串联逆变技术其COS￠≥0.95，可节能10%。

   ②与其他电路相比，负载回路的电流要小10一12倍，可节约运行电耗3％。

   ③无需大容量滤波电抗器，又可节约电耗1％。

    ④每台感应熔炼炉由一组逆变器独立供电，无需安装大电流换炉开关切换，可节约电耗l％。

  ⑤串联逆变器，在运行功率特性曲线中，不存在功率凹角部分即功率损失部分，使之熔炼时间明显缩短，既增加产量又节省电耗，可节能7％

    ⑥上述5项共节能(电)22％。

3.5.4 国际应用情况分析

由于一拖二的串联谐振中频感应电炉具有以上特点和优势，很适合于铸造行业使用，属于铸造行业熔炼设备的发展方向。目前国际上铸造行业并联谐振中频电炉产品已逐步被淘汰，国内新上项目中也很少使用，已都在使用串联谐振中频感应电炉。

四、钢结构液压倾炉炉体

4.1 炉体结构

钢结构带液压倾炉中频炉体结构，由炉体固定架和炉体本体组成，炉固定架和炉体采用整体性开放式骨架结构。此种结构强度高、刚度好、便于散热、能防止倾炉时炉衬产生应力变形，同时便于接近炉体，对其重要部分进行检查维修。

炉体的倾转是由液压系统控制，靠炉体两侧的两个液压缸顶起实现的，采用这种方式是考虑到倾炉时的匀速平稳、操作方便，炉体的复位是靠炉体的自重产生的压力实现的。

炉膛中铁液的高度和直径比较大。本炉膛吸收国外先进炉型的优点，在计算机分析的基础上确定的，采用串联逆变式电路，因此功率因数得到改善，电效率得到提高。

4.2 线圈

线圈是感应熔化系统的核心，是由横截面壁厚恒定的重型铜管制成的，使用重型铜管可防止线圈变形。感应器线圈在电流的作用下产生强大的磁场，此磁场使炉膛内的金属产生涡流而发热。线圈是电能转换成热能的关键所在，所以线圈的设计非常重要。本炉的线圈是结合感应炉的实际使用情况，根据电磁场原理，是富有理论知识及多年设计经验的工程师通过计算机专业软件的计算而确定的最佳方案，感应线圈的设计功率与实际运行功率的误差不大于5％，线圈的绝缘，特别是匝间绝缘采用新型线圈锁紧办法来保证（如下图），专用复合支撑按一定间距与线圈连接并固定，这不仅增加了线圈的刚度，而且当线圈需要取出维修或检查时，还有助于处理线圈。

我们公司的感应器是按照以下的工艺要求严格制作：绕制→整形→酸洗→钝化→浸漆→皂化→烘烤→干燥等，经过3倍于常规压力的水压（0.6MPa）实验历时30分钟无渗漏才可装配。

4.3 磁轭

磁轭的特点：磁轭制作采用半弧结构，使磁轭更好的贴合线圈外壁，避免损伤线圈和磁轭中间的石棉板和环氧树脂板，双层绝缘可减少磁轭的发热量保护硅钢片的绝缘，从而延长磁轭的使用寿命（见下图）。磁轭包容面积高达70%以上，超出国外10%以上。

磁轭的作用：磁轭在钢壳感应炉中发挥很重要的作用，主要有以下几方面。

其一：是节能降耗，感应炉的工作原理是：用交变的磁力线穿过被加热物料，被加热物料电磁场的作用下，产生巨大的涡流电流，涡流电流使物料产生热能从而使物料被融化。电炉效率的高低除了在感应器匝数的设计和负载连接方式以外，磁轭就起到很关键的作用，它将发散的磁力线集中起来，在设备节能环节起到很大的作用。

其二：是磁屏蔽的作用，在感应线圈周围分布若干条磁轭，将发散的磁力线集中起来，尽量减少漏磁通，避免外部钢构件穿过磁力线，产生电磁感应而发热。

其三：是作为感应线圈的径向紧固与支承作用，使磁轭、线圈与炉壳连成刚性体。磁轭采用优质高硅晶粒有取向的冷轧矽钢片叠制而成；在两侧用不锈钢制作水冷夹板，给磁轭降温并使磁轭强度提高。

4.4 水电引入系统

在炉体冷却水入口处，设有电接点压力表，以控制和监测冷却水压力的变化，在炉体冷却水出口的每一个支路上各设一个双金属信号温度计，用以监控冷却水水温的变化。炉体引电采用水冷电缆，电缆头扣压成形，接触电阻小、连接可靠、夹布胶管更换方便。

感应器与电源的最终连接是通过水冷电缆进行连接的，电缆的长度以及布置方式对整体效率也有一定影响，过去的结构大多采用后出线方式，为满足正常使用，水冷电缆必须有足够的长度。此外，在倾炉过程中，由于电缆摆动幅度大，连接处长期反复受力，影响使用寿命。

我公司的电炉采用的是侧出线方式，即水路、电路均从炉体侧边引出，通过靠近旋转中心位置与导电铜排以及汇水器连接，这样就缩短了电缆的长度，最大限度减少了电缆的摆动，既提高了效率，又提高了寿命。

4.5 液压系统

液压系统由液压站、液压缸及液压操作台和液压电控箱组成；

炉液压系统提供的动力源履行提升、将炉子向前倾出钢水。炉体可以倾转95度，倒出全部金属液，并可以根据需要在倾转的过程中的任意位置停留。

4.5.1 双系统液压站

液压系统采用双系统，就是在液压箱上安装两套液压元件，设备正常运行是只需要一套系统，另外一套系统备用。由于炉体内的钢水温度到达出炉温度时万一液压系统出现问题是很危险的，这时就要启动另外一套系统，这样就不会影响正常的生产。液压系统包括控制系统、油泵、液压阀和油箱。

4.5.2 炉前操作台

操纵台是控制液压系统的运行，当一套系统出现故障是马上启动备用系统，液压站油泵起动加载均采用转换开关电动控制便于操作，过程中由于操作人员的疏忽，经常出现非工作状态，高压溢流运行，造成油温上升，介质性能下降，系统易产生故障等。我公司采用多路换向阀后，彻底避免了上述现象，油泵开启后，系统仍处于卸载状态，只有操作手柄工作时，才可升高压力，工作完毕，系统自动处于卸装状态，从而彻底避免了因操作失误而产生的油温升高现象。

4.6 中频炉总体结构特点

炉体设计必须有炉衬顶出装置,具有快速拆除炉衬的功能。

感应器必须用牌号为T2的优质紫铜管在专用工具上绕制而成,并经整体浸漆.真空烘干等绝缘处理。

磁轭采用牌号为Z11的日本进口冷轧无取向矽钢片或武钢的高矽钢片叠制而成。

倾炉系统采用液压式,倾炉缸采用倒装式安装.进油口要有限速切断阀,炉体倾炉耳轴要有良好的润滑装置。

具有漏炉报警,冷却水失压及冷却水超温保护措施。

中频电源主回路应采用可控硅串联谐振电路,并应满足输出功率旋纽在任何位置均可启动,且启动成功率不得低于100%。

中频电源所有可控硅保证工作电流不得大于元件额定电流的50%。

中频电源具有过流.过压.缺相及水温.水压等保护措施。

炉体框架必须保证足够的强度,防止因变形而导致炉衬寿命短等一系列问题,炉壳下部设有炉衬顶出机构的固定支架。

磁轭采用优质冷轧硅钢片叠制,用不锈钢夹紧,设有良好的水冷散热装置,磁轭对感应圈覆盖面积要达到60%以上。

水冷电缆连接要牢固耐用,更换维修方便。

坩埚模采用厚钢板卷制而成,确保同心度及焊接面平整。

液压泵采用双机双泵机组(一套工作,一套备用),该机组用卧式机组,油泵外置式,必须要有油液过滤装置.液压操作台,可控制炉体在0—95度范围内倾动及炉衬推出,系统工作可靠.平稳,无冲击及爬行现象,速度可调并可在任意位置停留。