我公司为上海大众汽车公司、上海通用汽车公司配套生产大型、多规格、多品种、多牌号镁合金和铝合金压铸件及总成。现有 4套 (0 .8ｔ/4 0 0ｋＷ)镁合金三相工频炉 ,2套 (0 .75ｔ/2 6 0ｋＷ )铝合金单相工频炉。经 1 0多年使用 ,积累了一定的运行和维护经验。工频感应熔铝炉的不足之处有 3点 :①熔化速度慢 ,电磁搅拌力大 ,易吸气 ,烧损较大 ,严重影响金属液质量 ;②工频感应熔铝炉每次起熔时 ,必须预制起熔锭 ,每次出炉都只能从炉内倒出 2 /3金属液 ,再把金属加到余下的 1 /3的金属液中去 ,以确保熔化率的要求 ,造成部分金属液多次过热 ,合金成分不易控制 ;③操作使用不方便 ,不适于经常变换不同牌号的铝合金。根据“九五”规划中的铝合金压铸件的生产纲领 ,熔化 6种牌号的铝合金 ,年熔化量为 95 0 0ｔ,要求熔化设备的熔化率≥ 3ｔ/ｈ。若再添置工频感应熔铝炉将达不到压铸件的质量要求 ,而要达到 3ｔ/ｈ熔化率 ,至少需配置 8套 (0 .75ｔ/2 6 0ｋＷ )工频感应炉 ,其中 2套为备用 ,但生产场地不允许。所以 ,我们决定采用中频感应熔铝炉的方案 ,选择了西安机电研究所生产的最新型ＩＧＢＴ中频感应熔铝炉。1 不同形式的中频感应熔铝炉的比较(见表 1)2 ＩＧＢＴ串联谐振中频感应熔铝炉该设备的组成 :一套ＣＢ7
控制系统 ,一台整流变压器 ,一套ＣＳ90 0ＤＸＩＧＢＴ固体电源 (由一组整流滤波电路和二组ＩＧＢＴ半桥串联逆变电路构成 ) ,联接二台 1 .6ｔ感应炉体。我公司规划设计三大套 ,现实施二套 ,其相配套公用设施一步到位。该设备的主电路如图 3所示。(1 )根据本公司的配电网 ,电源由 3Ｎ380Ｖ电压经过一台 1 0 0 0ｋＶＡ ,Ｄ/Ｙ - 1 1 .ｄｏ整流变压器升压为 6相表 1 不同形式的中频感应熔铝炉的比较序号技术性能 电流型并联谐振电路 (图 1)电压型串联谐振电路 (图 2 )电压型串联谐振电路 (图 3)1逆变电路的主要元件快速晶闸管(Ｆ .Ｓ .Ｔ)Ｆ .Ｓ .ＴＩ.Ｇ .Ｂ .Ｔ绝缘栅双极晶体管2整流电路晶闸管相控晶闸管全导通整流二极管3控制能力好差极好4逆变电流小大大5逆变电压中或高低低6 断态电压临界上升率ｄｖ/ｄｔ 中高高7通态电流临界上升率ｄｉ/ｄｔ 高中低8对电网畸变及高次谐波影响 大小小9谐振频率匹配 低于固有谐振频率低于固有谐振频率高于固有谐振频率10 低功率输出时ｃｏｓ取值≥ 0 .8尚可≥ 0 .9好≥ 0 .95好11换相方式负载换相负载换相控制换相12与炉料匹配一般好优13逆变器振荡自激 /他激他激他激14电能的利用率 / % 90 92 9815熔化功率大中小16单耗多中低17投资资金中高中18设备占地面积多多少5 75Ｖ交流电 ,送至两组三相整流桥。由于整流变压器次级绕组间线电压相序依次相差 30°的关系 ,所以设置了平衡电抗器 ,从而实现真正的并联运行 ,后经电容器滤波 ,得到平滑的 75 0Ｖ直流电压 ,作为二组逆变器的供电电源。采用 1 2相整流及三绕组整流变压器 ,可消除 5 ,7,1 7,1 9次谐波电流 ,而进入电网的 1 1 ,1 3,2 3,2 5次谐波电流 ,经计算 (后实测 )分别小于 9.3Ａ ,7.9Ａ ,4.5Ａ ,4.1Ａ(详见ＧＢ/Ｔ1 45 49- 93表 2注入公共连接点的谐波电流允许值 )。这样可从设计开始减少对配电网的谐波干扰 ,而且系统的功率因数亦高。从 1 999年 6月份投入运行以来 ,公司内许多精密数控设备和公司外居民区都没有受到任何影响。(2 )逆变器部分采用了国际上最新型最先进的电力电子器件 :绝缘栅双极晶体管 (ＩＧＢＴ)。ＩＧＢＴ是由电力晶体管和场控型器件ＭＯＳＦＥＴ的复合。ＩＧＢＴ具有驱动功率小 ,开关速度快等优点 ,是导通压降低的新型器件。通过对门极的控制 ,ＩＧＢＴ可以在 2 μｓ内开通或关断。不像晶闸管那样需要数 1 0 μｓ的通断时间。(3)ＩＧＢＴ组成的串联逆变器与快速晶闸管组成的串联逆变器相比 ,ＩＧＢＴ逆变器是采用控制换相 ,不需要关断时间 ,逆变器工作可靠 ,一旦出现故障 ,ＩＧＢＴ可快速关断 ,而且工作频率高于感应器固有频率 ,工作频率范围宽。因此 ,ＩＧＢＴ半桥串联逆变器具有良好的负载适应能力。无论是冷料熔化或空炉加料时 ,逆变器都能输出额定功率 ,从而使电炉效率提高 ,熔化加快 ,节约电能。从运行中看到 ,无论逆变器的输出功率小或大 ,炉衬的状况如何 ,其系统功率因数始终保持在 0 .95以上。ＦＳＴ串联逆变器是采用负载换相 ,需要关断时间 (在图 2中没有画出换向电感 ) ,运行不可靠 ,易发生故障 ,还由于快速晶闸管的工作电流大 (比并联逆变器还大 1 0～2 0倍 ) ,故障保护困难。而且工作频率范围小 ,对负载适应性差。(4)在ＦＳＴ串联谐振电路 (图 2 )中看到 ,为了限制过电压侵入和ＦＳＴ换相时将产生的较大的断态电压临界上升率ｄｕ/ｄｔ上升 ,避免ＦＳＴ损坏或者误导通造成电源短路 ,必须在整流后串入限流电抗器 ,在逆变器的每一桥臂中串入换流电抗器。这就在设计开始 ,造成ＦＳＴ串联谐振中频电源在运行中电能损耗要比ＩＧＢＴ串联谐振中频电源大 5 % ,还增加了体积和噪声源。(5 )从图 3看出三大优点。①一个整流源可供给2个或 2个以上的逆变器 ,每个逆变器都有可能满功率运行或在低至 1 .1 %的功率下运行 ,而不会影响系统功率因数。我们使用一个整流源 ,同时向两台电炉送电的方案。这一新产品为我公司在熔炼工艺上提供了极大的灵活性和功率输出的选择性 ,可以方便地实现一台电炉进行熔炼 ,同时对第二台进行工艺处理或保温 ,出料。当然 ,还可以同时保温、烘炉、熔炼。这样就用不着操作者对电炉的切换和电源的开 /关进行操作。由此可见 ,电源设备可达到 1 0 0 %的利用率。②并联分开控制的逆变器 ,可方便地实现炉前操作 (在炉前设置了远距离控制箱 ) ,使操作工人能够看到炉内熔炼情况的同时可随意选择施加每个电炉的功率 ,不必再关心切换和冷却水系统等问题。西安机电研究所在主控板中特此设置了可靠的控制保护系统 ,可保证 2台电炉工作在任何状态下 ,都不会超过系统的额定功率 90 0ｋＷ。③一套整流源供 2个逆变器 ,使 2台电炉同时熔化。这样相当于两套单独电源。由此可见 ,在达到同样熔化率的情况下 ,比图 1并联谐振和ＦＳＴ串联谐振至少可节约 35 %的投资费用。3 系统的控制、监测和保护由ＩＧＢＴ组成串联谐振中频熔铝炉的控制系统是关键。该主电路要求控制系统不断地检测电炉负载的变化 ,根据这些变化不断改变工作频率 ,使输出功率维持恰当的数值。控制系统同时监测显示各项参数是否在控制范围内。若某项参数超过限定的范围 ,则控制系统自动采取相应的保护措施 ,并通过显示器显示某项参数故障 ,还有中文提示。控制系统是由该所研制的ＣＢ7型ＩＧＢＴ串桥串联逆变器控制。它包括一块主控板 ,一块液晶图形显示器和各种型号的传感器。(1 )主控板是以单片微控制器为核心 ,输入信号经Ａ/Ｄ变换成数字量 ,送至微控制器。微控制器根据这些参数进行计算 ,得到逆变器的工作频率再换成脉冲信号 ,送到脉冲放大器放大后 ,经光纤维线去控制ＩＧＢＴ的导通和截止。为了保证单片微控制器的工作稳定性 ,其工作电源由ＵＰＳ供给。主控板完全是由软件控制的 ,即它的工作参数 (如功率、电压、电流、频率等保护内容和参数 )都存储在ＥＥＰＲＯＭ中。因此在主控板上设有用于调节参数的机械电位器。这从根本上保证了控制系统的工作稳定性 ,而不会随时间流逝或环境温度变化而变化。(2 )监测和保护是由液晶图形显示器的一个工作界面来实现的 ,该界面显示该主电路的各项动态工作参数 ,并由中文提示保护和故障原因 ,从而缩短检修时间。还有另一个工作界面 ,可显示 70点温度检测功能 (本设备用了 40多点 ,检测各只整流二极管 ,滤波电容器 ,ＩＧ ＢＴ管 ,谐振电容器和感应绕组进出水温等 ) ,当某一点温度超过设定报警温度时 ,它会提示并关闭中频固体电源。第三个工作界面 ,是显示各项电参数在额定范围中的动态百分比。在液晶图形显示器上还有 1 5个触摸式的键盘 ,用于设置ＣＢ7主控板的工作参数。(3)采用ＣＢ7控制系统还具有如下优点。①ＣＢ7型控制系统真正实现全数字控制 ,控制精度高 ,可以使固体电源的输出功率在整个熔化过程中始终接近理想状态 ,即有智能形功能 ,缩短了熔化时间 ,又降低了能耗。②有全面、灵活的保护措施 ,确保固体电源可靠工作。保护措施包括调控电网电压 ,冷却水系统温度和压力 ,逆变器上的电压和电流 ,以及工作频率等。特别是 ,ＣＢ7控制系统在控制软件管理下可以区分不同的保护信号 ,采取灵活的保护措施。例如电网电压瞬间升高时 ,ＣＢ7控制先在显示器上提示电网电压高 ,1 0ｓ后如果电网电压还是高则控制系统关闭固体电源。这样做的目的是为了滤掉电网电压快速波动引起的误保护 ,避免固体电源频繁保护关机。③微控制器是采用大规模集成电路组成 ,元件少 ,故障率极低。还具备计算通讯接口 ,可以与通用的ＰＣ机连接 ,应用ＣＢＭＭ熔化管理软件 ,从而实现计算机实时熔化管理。④在本系统中配置一台ＩＢＭ - 5 86计算机 ,打印机和ＵＰＳ电源。设置三台ＣＳ90 0ＤＸ固体电源 (现为二台 )通过光纤串行通讯接口和计算机通讯 (详见图 4)。从而实现自动记录固体电源的各项动态运行参数 ,每隔 2ｍｉｎ自动生成 ,储存在硬盘中。在倒空炉料后 ,可以打印出一份
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