3吨串联中频炉可拖一也可以拖二技术标准

3吨串联中频炉引言

    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Z先进的电炉为目标。串联逆变中频炉具有功率因素

高，我公司生产的中频炉功率因素不低于0.98.高效节能，谐波小。

  一、3吨串联中频炉元器件的选择

  目前已经研制成功的具有一拖二功能的可控硅中频电源熔化炉，是高效节电Z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／2500V可控

硅。目前世界上技术Z先进、规模Z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，Z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、串并电炉的比较 

串联中频炉和并联中频炉相比具有以下优点

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。

  国内外中频炉主要有二种类型，并联逆变中频炉和串联中频炉逆变二类，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 00VAC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

三，一拖二中频炉的工作原理

    运行方式采用一拖二中频炉，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为一拖二中频炉方块图。

图3    一拖二中频炉方块示意图

  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。

并联与串联谐振逆变比较

  四、串联逆变中频电炉电源工作原理

  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    3吨串联中频炉逆变电源原理图

    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。

图5  逆变波形

 半桥逆变器工作电流流动路经的描述

    图6为简化的逆变器电路图，逆变运行时，电流通过逆变器和炉体线圈L

的路径，逆变器的工作波形如图7所示，逆变工作前恒定直流电压Ud为电容C1、

C2均分，各充电至1／2Ud，均为上正下负电压，当t=to时SCRl被触发导通，电

容C1电荷通过SCRl-Lf-Rf -C1下端放电，另一路是使C2充电，+Ud由CF上端

-SCRl-Lf-Rf-C2-CF下端，这二路都是同一谐振电路的一部份，由于C1=C2，因

而两路的工作频率相同，等于C=C1+C2，Lf-Rf组成的谐振频率。当t=t1时C1

放电结束，C1电压为零，C2上电压必定充电到Ud，因为CF两端电压恒定，其

值等于C1和C2电压之和，此时流过负载线圈的电流为Z大，I=I1+I2，由于在

炉体线圈中储蓄的磁场能量作用下，继续维持上述两路电流流动，使电容C1反

向充电，下正上负，而C2则从Ud值继续升高，直到t=t2时，磁场能量降至零，

线圈Lf电流I=0，这时C1上反压和C2上正向电压都达到Z大值，到此流过炉

体线圈的电流为半个正弦波周期。

图6  逆变器电流流向图

图7  半桥逆变器工作波形

     接着住C1，C2电容电压的作用下，形成两路和前述两路路径基本相同，只

  是DI代替SCRl通过电流，而电流方向与前完全相反，此电流仍按正弦波规律

  变化，直到t=t4时，C1正向充电到1／2Ud，C2电压也恢复到1／2Ud，炉体

线圈电流又降至零，至此通过炉体负载的电流完成一个正弦波周期，当放电电流

通过二极管D1时，其反向压降使SCRl关断，如果在大于可控硅SCRl TOT关断

时间，及时将SCR2触发导通，电流14通过C1-Rf-Lf-SCR2-CF下端，对C1充电，

炉体线圈从电源吸取的电能，其电流与放电电流方向一致，触发SCRl的时间越接近

  TOT，炉体线圈输出的功率就越大，如果SCR2一直不能通，上述放电电流将形

  成炉体感应器电流的负半周，当电流到达零时，C1和C2上的电压将相等，等于

  1／2Ud。

        负载在SCRl或SCR2导通期间，从电源获取电能，在D1，D2导通期间，

  电容中的电能又反馈到电源，显然D1是在SCRl电流过零到SCR2导通期间导

通。D1导通时间一定要大于SCRl的关断时间TOT，SCR2导通后，SCR2便接

  过D1中的电流，使D1自行关断，D2的工作过程与D1相同，只不过用来使SCR2

  关断。图8为逆变运行时，示波实器测波形

(a)负载电压波形                 (b)谐振电容波形             (c)逆变桥SCR电压波形

图8  示波器测试的实际波形

谐振回路的自然谐振频率f0在运行中不是固定不变的，电感L和等效电阻R

随着温度和炉料的多少而不断变化，对一定容量的炉体是在一定范围内变化。

F0=2

Lf炉体电感

Rf炉料等效电阻

C谐振电容C1+C2

    电压源串联逆变器的触发脉冲频率始终低于负载谐振频率，当触发脉冲频率

接近谐振频率时，负载阻抗降低，输出功率增加。当触发脉冲频率越低于负载谐

振频率时，负载阻抗增大，输出功率便减小。如图9所描绘的频率对功率的变化

曲线，因此电炉始终在低于谐振频率下工作。

图9频率与输出功率的关系

   为了减少中频熔化电源工作时对电网产生的谐波干扰，我公司生产的500kw以上的中频炉采用12脉冲可控硅桥式整流线路。中频熔化电源的整流变压器采用了D/Y-11，d0接线形式，变压器的二次有二组三相输出，这二组输出的线电压相等，都是380V，但是相位相差30°。二组输出分别接I和II组整流桥。

理论分析表明，通常的三相6脉冲可控硅桥式整流线路在工作时会对电网产生5次，7次，11次，13次和更高次的谐波干扰电流，这些谐波电流的大小分别是工频基波电流的1/5，1/7，1/11和1/13。当中频熔化电源的输出功率比较大时，如果采用三相6脉冲可控硅桥式整流线路，它们工作时产生的谐波干扰有可能造成当地电网谐波超标（取决于当地电网的短路容量），或导致某些精密设备和仪器不能正常工作。

   采用六相12脉冲可控硅桥式整流线路后，由于变压器的特殊接线方法，5次，7次谐波电流将在变压器内部相互抵消，从而使对电网的谐波干扰大幅度降低。12脉冲可控硅桥式整流线路的Z低次谐波是11次，大小是工频基波电流的1/11。 

   上图为一台采用6脉冲可控硅桥式整流线路的中频熔化电源和另一台采用12脉冲可控硅桥式整流线路的中频熔化电源谐波电流的实测值。

    从上图可以看到，当采用6脉冲可控硅桥式整流线路时，变压器一次电流是方波，电流中含有较多的高次谐波成分。采用12脉冲可控硅桥式整流线路后，变压器一次电流接近于正弦波，高次谐波成分较少。各次谐波的大小与理论分析结果接近。采用12脉冲整流器后，中频炉工作时产生的谐波将可以满足相关标准的要求。

  串联中频炉采用12脉冲整流线路。整流桥使用可控硅是用来保护的，不是用来调压的。调节功率是通过调节逆变触发频率来调节功率大小的。整流桥一直工作在零度。这种线路有三个优点：（１）谐波干扰小，（2）整流器工作在全导通状态，电压和电流始终同相位，因此无论输出功率大小，中频炉的电网侧功率因数始终大于0.95。

 五、 3吨串联中频炉控制核心系统原理

  电炉开始运行时，功率电位器设在零点，按下启动按钮，启动脉冲振荡器开

始振荡，振荡频率根据炉子谐振频率设定，现在启动频率设定为125Hz，由此产

生锯齿波和方波，方波后沿形成宽度约6us的脉冲，且与二分频后的方波同时

输入脉冲逻辑控制单元A与B两路，使逻辑单元A与B输出脉冲形成相位相差

180度的可控硅触发脉冲，并分别经过脉冲功放、驱动触发电路A与B，分别触

发二个桥臂上的可控硅SCRl与SCR2，起动时方波宽度Z宽，随后操作功率调

节电位器，逐渐提高控制电压，使S总线负值电压绝对值逐渐增加，锯齿波斜率

增加，宽度减小，此时方波宽度变窄，逆变触发脉冲向电流过零点靠近，输出功

率便逐步增加。当反馈实时功率，大于调节电位器给定值时，通过积分调节，使

S总线电压负值电压绝对值降低，触发脉冲又后移，如此反复在给定电压值上稳

定调节，输出所要求的功率。

    实时功率信号是通过乘法器532，将SCR逆变电压与逆变电流信号相乘而

得。

    所有输入信号，逆变电流，实时功率，炉体线圈电压，电容电压及频率，都

通过传感器和电子电路将输入信号和各设定极限值比较，当比较器输出极性相反

的电压时，通过积分调节器，改变S控制总线电压，使方波变宽，触发脉冲后移、

功率减小，各反馈信号也相应减小，如此反复稳定在设定点，当各参数超过设定

值时，在显示屏上有相应的极限指示灯显示。

    在控制系统中具有特殊设计的控制电路，保证起动时逆变器可控硅在满功率

下触通，不会有过流冲击现象。它具有缓冲电流上升的作用，逆变触发脉冲缓慢

从后向电流过零点移动，因此不致电路产生过电压，同样逆变器也可以在满功率

下停止工作。

六、 3吨串联中频炉具有完善的保护系统

    1。逆变可控硅过压保护，当电路有外来干扰或系统故障，使逆变SCR两端

承受的电压超过设定安全电压时，专用的传感器便会产生光电信号，其发送器通

过光纤输入到控制板，使逆变可控硅SRC 1、SRC2都导通，立即使可控硅失压。

并封闭整流桥SCRl—6触发脉冲，停止直流电源供给逆变桥，此时在电抗器上产

生的反压将通过二极管D3和SCRl—2放电，使用光纤传输技术，可以避免传输

信号在高电压大电流的强电磁场中的干扰。

    2．逆变可控硅SCRl-2在运行中，由于电路故障停止换流时，直流电源将

直接通过SCRl-2产生浪涌短路电流，此时在电抗器上将检测到反向感应电压，

并在直流母排上的电压也将快速降低，此时，分别通过电抗器CLR反压传感器

和直流母排DCBUS电压传感器的电压信号输入整流电子电路控制板ACI，使整

流触发脉冲及时封锁，保护逆变器可控硅不致过流烧损，电炉立即停止运行，此

时事故显示屏上将有显示。

    3．电炉具有可靠的调节系统和保护系统，运行时电炉的输出功率，电流、

电容电压，炉体线圈电压，对设定值随时进行积分调节，工作平稳，保证了电炉

的安全运行。

    故障保护系统可靠，对炉体和电源柜内的水压、水温，电容容器内压力，选

炉开关位置，及可控硅过压进行保护，即使电源输出铜排瞬时短路，反应灵敏、

快捷，能及时停机，保证不损坏电气元件。

结语

    1。采用串联谐振电路，3吨串联中频炉的炉子的电效率大大高于并联逆变电炉，具有一拖二功能，一台电源可同时向两台电炉供电，功率按需任意分配，高效，快速，节电。

    2。控制系统电路板及各种传感器均按装在屏蔽室内，与高压大电流铜排和

功率器件隔离，避免强电磁场干扰，电路板工作在封闭清洁环境中，提高了电路

板的使用寿命，控制系统稳定可靠，炉前工操作简便，，在任何负载情况下，包

括满炉料，冻炉起动成功率均为100％。

    3。整流桥采用可控硅，是为了实现软起动和逆变故障时作为电子开关，快

速切断直流供电，电炉运行时，不用它调压，而在全开通状态下工作，因而有高

的供电功率因数，从而减小供电容量，全丌通状态工作对供电网的干扰减到Z小

限度。

4。控制电路具有先进的调节系统和故障诊断显示系统

 5．3吨串联中频炉运行采用一体化结构，占地少，可以减少高压变压器容量一半，大大减少变电室投资。所有电器部件和匹配电容都装在机柜内，形成一体化电源，便于按装。

图1 1  可靠的高压安全隔离措施

    6．有安全保护措施，电炉谐振回路电压很高，谐振电容和炉体线圈电压可

达2500V以上，由于供电采用专用高压变压器，绕组为△／Y，二次Y中点不接

地(浮地)，这样振荡元件和高压电路铜排对地没有相对高压电位，对操作人员

保证安全。