“一拖三”中頻感應(yīng)電爐的節(jié)能與應(yīng)用

吉耀庭

（機(jī)械工業(yè)第一設(shè)計(jì)研究院，安徽 蚌埠 233017）

1 一拖三中頻感應(yīng)電爐的特點(diǎn)

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

2 一拖三中頻感應(yīng)電爐的工作原理

以蘇州振吳電爐有限公司生產(chǎn)的一拖三串聯(lián)電路中頻感應(yīng)電爐為例，如圖1所示，逆變部分是由三個(gè)半橋式逆變電路相串聯(lián)。這種串聯(lián)電路在使用過程中，整流電路一直處于全導(dǎo)通狀態(tài)，所以功率因數(shù)不小于0.95（整流輸出電壓Ud恒定不變），串聯(lián)電路功率輸出是通過調(diào)節(jié)逆變導(dǎo)通角大小來控制的。

這里所指的功率因數(shù)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(fù)載上做功的大小或轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问侥芰浚ㄈ鐭崮堋C(jī)械能、光能）的效率，以一拖三串聯(lián)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(gè)10V的給定輸出電壓，三個(gè)給定輸出電壓通常以一個(gè)乘法器集成塊相互控制，在工作時(shí)：

1）當(dāng)逆變橋1和逆變橋2分別給定輸出電壓1 V時(shí)，逆變橋1、逆變橋2輸出功率分別為額定功率的10%，此時(shí)逆變橋3給定輸出電壓最大能達(dá)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(lián)電路

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

3）當(dāng)逆變橋11和逆變橋2分別給定輸出電壓3V時(shí)，逆變橋1、逆變橋2輸出功率分別為額定功率的30%，此時(shí)逆變橋3給定輸出電壓最大能達(dá)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(dāng)逆變橋l給定輸出電壓3 V時(shí)，逆變橋1輸出功率為額定功率的30%，此時(shí)逆變橋2和逆變橋3也可以停用。

概括起來，“一拖三”串聯(lián)電路中頻感應(yīng)電爐大致有以下幾個(gè)創(chuàng)新特點(diǎn)：

（1）新型無功功率補(bǔ)償——電壓反饋串聯(lián)諧振逆變技術(shù)的運(yùn)用負(fù)載串聯(lián)諧振時(shí)，變頻電源中的整流橋工作在全導(dǎo)通狀態(tài)，系統(tǒng)功率因數(shù)cosφ≥0.95。

（2）功率控制與多供電分配技術(shù)的有機(jī)結(jié)合（1臺(tái)變壓器）1套整流系統(tǒng)在額定范圍內(nèi)可將電能無級(jí)分配給多臺(tái)逆變器，逆變器再根據(jù)工藝需要無級(jí)調(diào)功給感應(yīng)電爐供電。

（3）系統(tǒng)成套自動(dòng)化程度高、優(yōu)化組合功能完備。

（4）節(jié)能效果效果顯著

1）采用并聯(lián)逆變技術(shù)的變頻電爐平均cosφ≤0.85；采用串聯(lián)逆變技術(shù)其cosφ≥0.95，可節(jié)能10%。

2）與其他電路相比，負(fù)載回路的電流要小10～12（倍），可節(jié)約運(yùn)行電耗3%。

3）無需大容量濾波電抗器，又可節(jié)約電耗1%。

4）每臺(tái)感應(yīng)熔煉爐由一組逆變器獨(dú)立供電，無需安裝大電流換爐開關(guān)切換，可節(jié)約電耗1%。

5）串聯(lián)逆變器，在運(yùn)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(shí)間明顯縮短，既增加產(chǎn)量又節(jié)省電耗，可節(jié)能7%。

6）上述 5項(xiàng)共節(jié)能（電）22%。

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

3 一拖三中頻感應(yīng)電爐的應(yīng)用實(shí)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(yīng)電爐為例：

某重工重鑄鐵業(yè)工程鑄鐵車間年生產(chǎn)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(lián)電路中頻感應(yīng)熔煉電爐（1臺(tái)電源配置1臺(tái)電爐，為傳統(tǒng)產(chǎn)品），則需要6套30t/h的中頻感應(yīng)電爐，配備6臺(tái)額定功率為6000kW的變壓器，同時(shí)考慮10%左右的使用余量，該方案需電力總量為43900kVA，電爐設(shè)備投資將近5000萬元。

若選用“一拖二”串聯(lián)逆變中頻感應(yīng)電爐，則需要三套，其中一套12 t/h的中頻感應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)備投資將近3000萬元。

若選用“一拖三”串聯(lián)逆變中頻感應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)備投資將近2800萬元。在上述2套“一拖三”中頻感應(yīng)電爐中，若其中一臺(tái)爐體需要修爐，另2臺(tái)爐體則可繼續(xù)使用，可365 d連續(xù)作業(yè)，而且功率因數(shù)始終≥95%。

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

選用“一拖三”串聯(lián)逆變中頻感應(yīng)電爐，不僅滿足了生產(chǎn)要求，還降低了電力裝機(jī)容量，節(jié)省了基本用電費(fèi)和固定資產(chǎn)投資，少占車間廠房面積。

中船重工集團(tuán)某重型鑄鍛公司，一直是我國船舶螺旋槳制造的龍頭企業(yè)，同時(shí)也是大型銅制工藝品設(shè)計(jì)制造的著名企業(yè)，擁有雄厚的技術(shù)力量和豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。但是在開發(fā)生產(chǎn)大噸位、高精度、高質(zhì)量的船用螺旋槳時(shí)需要能滿足工藝要求的高功率大容量新型熔煉設(shè)備。該公司選用了蘇州振吳電爐有限公司生產(chǎn)的一套 30t、7 t、7 t“一拖三”串聯(lián)逆變中頻感應(yīng)電爐，配置3000kVA的變壓器，1套30t/h“一拖二”串聯(lián)逆變中頻感應(yīng)電爐，配置7500kVA的變壓器，加20%的爐體設(shè)計(jì)余量，圓滿的解決了難題?！耙煌先贝?lián)逆變中頻感應(yīng)電爐，其1臺(tái)電源可同時(shí)帶2臺(tái)、3臺(tái)電爐同時(shí)進(jìn)行相同作業(yè)（同時(shí)熔煉或同時(shí)保溫澆注）或不同作業(yè)（1臺(tái)熔煉、2臺(tái)保溫澆注或2臺(tái)熔煉、1臺(tái)保溫澆注）的三供電熔煉成套設(shè)備，具有“先進(jìn)制造”和“高效節(jié)能”雙重優(yōu)勢(shì)，一方面該設(shè)備可24 h、360d不間斷機(jī)械化連續(xù)作業(yè)，三臺(tái)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(chǎn)品質(zhì)量；同時(shí)由于3臺(tái)爐子僅用1臺(tái)電源（變壓器）工作。3臺(tái)爐子的熔煉和保溫使用的功率不同，由自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)的電路采用電壓反饋串聯(lián)逆變諧振電路，功率因素在任何情況都≥95%，而且設(shè)備一直處于熱效率完好的狀態(tài)下工作。因此比普通的并聯(lián)線路結(jié)構(gòu)的“一拖一”電爐節(jié)能25%左右。該公司不但用此設(shè)備澆注生產(chǎn)了80t高品質(zhì)船用螺旋槳，而且節(jié)約了固定資產(chǎn)的投資，同時(shí)還節(jié)省基本用電費(fèi)用。

蘇州某鑄造有限公司為了進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，選用了蘇州振吳電爐有限公司生產(chǎn)的5 t、5 t、1 t“一拖三”串聯(lián)線路的熔煉設(shè)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(guī)格鑄件的鐵水由固定的爐子提供，材質(zhì)穩(wěn)定不變，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性；其次三臺(tái)爐子同時(shí)進(jìn)行相同或不同作業(yè)（熔煉、保溫、澆鑄），處于24 h甚至360d不間斷的作業(yè)狀態(tài)，產(chǎn)能比“一拖一”提高30%左右；三是設(shè)備運(yùn)行的功率因素始終≥95%，又因?yàn)槿_(tái)電爐僅用一臺(tái)電源（變壓器），三臺(tái)電爐的功率可自動(dòng)調(diào)配，一直處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備利用率幾乎100%，一直保持高熱效率狀態(tài)，所以總體節(jié)能比“一拖一”傳統(tǒng)設(shè)備25%左右。

4 結(jié) 論

通過上述三個(gè)典型案例的說明：“一拖三”（串聯(lián)逆變線路）中頻感應(yīng)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(duì)提高規(guī)格、品種繁多的小件的產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量也有獨(dú)特作用。非常適應(yīng)多品種小批量、大件占有量較少的鑄造車間使用。因?yàn)樵O(shè)備運(yùn)行的功率因素始終≥95%，是鑄造業(yè)“節(jié)能降耗”的熔煉設(shè)備，有著廣闊的前景。

［1］韓至成.電磁冶金技術(shù)及裝備［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2009.