“一拖三”中頻感應電爐的節能與應用

吉耀庭

（機械工業第一設計研究院，安徽 蚌埠 233017）

1 一拖三中頻感應電爐的特點

“一拖三”中頻感應電爐是串聯逆變主回路控制的中頻感應熔煉（保溫）電爐，是在“一拖二”中頻感應電爐的基礎上開發、定型和發展起來的，該種供電方式是1套電源可以同時向3臺電爐饋電熔煉，亦可以2臺爐子熔煉，另1臺保溫；或1臺爐子熔煉，另2臺保溫；或1臺爐子熔煉，1臺爐子保溫，另1臺停用，確切地說，這才是真正意義上的“一拖二”中頻感應電爐，它不僅具有“一拖二”中頻感應電爐的全部優點，而且還具有連續作業、使用靈活和高效節能等特點，特別適用于以銷定產的多品種、小批量，鑄件重量差異比較大的生產車間或鑄造廠。

2 一拖三中頻感應電爐的工作原理

以蘇州振吳電爐有限公司生產的一拖三串聯電路中頻感應電爐為例，如圖1所示，逆變部分是由三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，所以功率因數不小于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：

式中：P——有功功率，kW；

S——視在功率，kVA；

φ——電路中電壓與電流之間相位差。

有功功率反映了交流電在電阻性負載上做功的大小或轉變為其他形式能量（如熱能、機械能、光能）的效率，以一拖三串聯電路為例，逆變橋1（12 t爐子）、逆變橋 2（12 t爐子）和逆變橋 3（30t爐子）各給一個10V的給定輸出電壓，三個給定輸出電壓通常以一個乘法器集成塊相互控制，在工作時：

1）當逆變橋1和逆變橋2分別給定輸出電壓1 V時，逆變橋1、逆變橋2輸出功率分別為額定功率的10%，此時逆變橋3給定輸出電壓最大能達到8 V，逆變橋3輸出功率為額定功率的80%。

圖1 “一拖三”串聯電路

2）當逆變橋1和逆變橋2分別給定輸出電壓5V時，逆變橋1、逆變橋2輸出功率分別為額定功率的50%，此時逆變橋3輸出功率為額定功率0。

3）當逆變橋11和逆變橋2分別給定輸出電壓3V時，逆變橋1、逆變橋2輸出功率分別為額定功率的30%，此時逆變橋3給定輸出電壓最大能達到4V，逆變橋3輸出功率為額定功率的40%；以此類推，逆變橋 1（12 t爐體）、逆變橋 2（12 t爐體）和逆變橋3.（30t爐體）三爐體功率任意分配。

4）當逆變橋l給定輸出電壓3 V時，逆變橋1輸出功率為額定功率的30%，此時逆變橋2和逆變橋3也可以停用。

概括起來，“一拖三”串聯電路中頻感應電爐大致有以下幾個創新特點：

（1）新型無功功率補償——電壓反饋串聯諧振逆變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cosφ≥0.95。

（2）功率控制與多供電分配技術的有機結合（1臺變壓器）1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）節能效果效果顯著

1）采用并聯逆變技術的變頻電爐平均cosφ≤0.85；采用串聯逆變技術其cosφ≥0.95，可節能10%。

2）與其他電路相比，負載回路的電流要小10～12（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1%。

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%。

（5）具有連續作業、使用靈活的特點，特別適用于多品種、小批量，鑄件重量差異比較大的生產車間或鑄造廠。

3 一拖三中頻感應電爐的應用實例

以蘇州振吳電爐有限公司為某重工鑄鐵車間提供的兩套“一拖三”中頻感應電爐為例：

某重工重鑄鐵業工程鑄鐵車間年生產能力30000t，其中最大鑄件單重200t，大件約占鑄件總量的15%。

若選用并聯電路中頻感應熔煉電爐（1臺電源配置1臺電爐，為傳統產品），則需要6套30t/h的中頻感應電爐，配備6臺額定功率為6000kW的變壓器，同時考慮10%左右的使用余量，該方案需電力總量為43900kVA，電爐設備投資將近5000萬元。

若選用“一拖二”串聯逆變中頻感應電爐，則需要三套，其中一套12 t/h的中頻感應熔煉電爐，額定功率為7000kW，配8000kVA的變壓器；1套12 t/h、30t/h的中頻感應熔煉電爐，額定功率為6000kW，配7500kVA的變壓器；1套60t/h的中頻感應保溫電爐，額定功率為6000kW，配7500kVA的變壓器。該方案需電力總量為23000kVA，電爐設備投資將近3000萬元。

若選用“一拖三”串聯逆變中頻感應電爐，則需要 2 套，其中 1 套 12 t/h、30t/h、60t/h“一拖三” 中頻感應電爐，額定功率為6500kW，配7000kVA的變壓器；另 1 套 12 t/h、12 t/h、60t/h“一拖三” 中頻感應電爐，額定功率為6500kW，配7000kVA的變壓器。該方案需電力總量為14000kVA，電爐設備投資將近2800萬元。在上述2套“一拖三”中頻感應電爐中，若其中一臺爐體需要修爐，另2臺爐體則可繼續使用，可365 d連續作業，而且功率因數始終≥95%。

選用“一拖三”串聯逆變中頻感應電爐，其電力總量比“一拖一”并聯電路電力總量少29900kVA。其電力總量比“一拖二”串聯電路電力總量少9000kVA。

選用“一拖三”串聯逆變中頻感應電爐，不僅滿足了生產要求，還降低了電力裝機容量，節省了基本用電費和固定資產投資，少占車間廠房面積。

中船重工集團某重型鑄鍛公司，一直是我國船舶螺旋槳制造的龍頭企業，同時也是大型銅制工藝品設計制造的著名企業，擁有雄厚的技術力量和豐富的生產經驗。但是在開發生產大噸位、高精度、高質量的船用螺旋槳時需要能滿足工藝要求的高功率大容量新型熔煉設備。該公司選用了蘇州振吳電爐有限公司生產的一套 30t、7 t、7 t“一拖三”串聯逆變中頻感應電爐，配置3000kVA的變壓器，1套30t/h“一拖二”串聯逆變中頻感應電爐，配置7500kVA的變壓器，加20%的爐體設計余量，圓滿的解決了難題。“一拖三”串聯逆變中頻感應電爐，其1臺電源可同時帶2臺、3臺電爐同時進行相同作業（同時熔煉或同時保溫澆注）或不同作業（1臺熔煉、2臺保溫澆注或2臺熔煉、1臺保溫澆注）的三供電熔煉成套設備，具有“先進制造”和“高效節能”雙重優勢，一方面該設備可24 h、360d不間斷機械化連續作業，三臺爐子的熔液通過熔煉、保溫可積聚成大容量一次澆注成型，保證了產品質量；同時由于3臺爐子僅用1臺電源（變壓器）工作。3臺爐子的熔煉和保溫使用的功率不同，由自動控制系統自動調節，設計的電路采用電壓反饋串聯逆變諧振電路，功率因素在任何情況都≥95%，而且設備一直處于熱效率完好的狀態下工作。因此比普通的并聯線路結構的“一拖一”電爐節能25%左右。該公司不但用此設備澆注生產了80t高品質船用螺旋槳，而且節約了固定資產的投資，同時還節省基本用電費用。

蘇州某鑄造有限公司為了進一步提高產品質量和產量，選用了蘇州振吳電爐有限公司生產的5 t、5 t、1 t“一拖三”串聯線路的熔煉設備，配置額定功率為3500kW，4000kVA的變壓器，取得了理想的效果：首先多種規格鑄件的鐵水由固定的爐子提供，材質穩定不變，保證了產品質量的可靠性；其次三臺爐子同時進行相同或不同作業（熔煉、保溫、澆鑄），處于24 h甚至360d不間斷的作業狀態，產能比“一拖一”提高30%左右；三是設備運行的功率因素始終≥95%，又因為三臺電爐僅用一臺電源（變壓器），三臺電爐的功率可自動調配，一直處于滿負荷運行狀態，設備利用率幾乎100%，一直保持高熱效率狀態，所以總體節能比“一拖一”傳統設備25%左右。

4 結 論

通過上述三個典型案例的說明：“一拖三”（串聯逆變線路）中頻感應電爐不但可以解決澆注大件、特大件一次難成型的問題，而且能解決某種特殊要求鑄件的難澆鑄的問題，并對提高規格、品種繁多的小件的產品質量和產量也有獨特作用。非常適應多品種小批量、大件占有量較少的鑄造車間使用。因為設備運行的功率因素始終≥95%，是鑄造業“節能降耗”的熔煉設備，有著廣闊的前景。

［1］韓至成.電磁冶金技術及裝備［M］.北京：冶金工業出版社，2009.