變頻電源自動阻抗調(diào)節(jié)在鋁鎂等有色金屬棒料梯度加熱和感應(yīng)熔煉中的應(yīng)用

（西安威特電力電子設(shè)備研究所，西安 710000）

1 梯度加熱和感應(yīng)熔煉過程鋁鎂等有色金屬棒料阻抗變化對加熱系統(tǒng)的影響

目前國內(nèi)鋁鎂及有色金屬型材加工中用于棒料梯度加熱設(shè)備，主要有變頻梯度加熱和工頻梯度加熱兩種方式[1]。在加熱過程中，對整個(gè)系統(tǒng)工作效率影響較大的因素，是加熱過程中棒料溫度改變時(shí)，材料電性能改變引起的系統(tǒng)阻抗變化對加熱效率的影響。金屬材料的這種固有特性對工頻加熱來說，溫度引起的阻抗變化只能被動接受。而對于棒料長度變化時(shí)，未能充滿爐膛，引起的系統(tǒng)阻抗變化，此時(shí)由于系統(tǒng)阻抗小，感應(yīng)線圈電流過大，會引起設(shè)備故障，所以需要加入補(bǔ)償體進(jìn)入感應(yīng)線圈中，以此彌補(bǔ)棒料長度不足引起的系統(tǒng)阻抗變化，增加系統(tǒng)阻抗。被加熱的補(bǔ)償體依靠水冷降溫，直接加大設(shè)備無用能耗。如不使用補(bǔ)償體進(jìn)爐，就要將空爐部分的感應(yīng)線圈斷電，這將造成三相供電不平衡，用電效率低，并能造成變壓器損壞。鋁棒溫度改變時(shí)，引起的鋁棒材料阻抗變化這種固有特性對變頻加熱來說，同樣影響設(shè)備工作效率。在因溫度變化使阻抗偏離設(shè)備的額定阻抗時(shí)，變頻電源處于低電效率、低輸出功率的工作狀態(tài)。變頻電源的工作原理是先將50HZ交流電通過三相可控橋式整流電路變?yōu)榭煽刂绷麟?，再通過逆變半導(dǎo)體器件及負(fù)載LC（感應(yīng)圈與補(bǔ)償電容）振蕩，在感應(yīng)圈上形成單相變頻交流電，以其交變磁場使感應(yīng)圈（爐體）中的鋁棒發(fā)熱。由于爐體和鋁棒既是諧振電感又是加熱工作區(qū)，加熱鋁棒受熱后的阻抗變化必然會影響到變頻電源的工作狀態(tài)。對變頻電源的效率及穩(wěn)定性有著很大的影響。變頻電源逆變橋的前一級是三相可控橋式整流電路[2]，冷鋁棒的等效阻抗遠(yuǎn)小于額定阻抗（大約為0.3Ω～0.5Ω）,由于變頻電源的額定輸出功率所限，變頻電源進(jìn)入電流載止?fàn)顟B(tài)，工作在該狀態(tài)下變頻電源的整流電流達(dá)到額定輸出電流，并被強(qiáng)制截止而設(shè)備的整流電壓被強(qiáng)制自動下調(diào)，使整流電壓小于額定電壓。隨著鋁棒溫度上升，其等效阻抗開始變大，在出熱料前達(dá)到最大值，這時(shí)變頻電源的整流電壓上升達(dá)額定電壓，整流電流卻因負(fù)載阻抗變大而小于額定電流，變頻的輸出功率也無法達(dá)到額定輸出功率。由此可見加熱過程中鋁棒溫度變化引起的阻抗變化，使變頻電源工作時(shí)的整流電壓與整流電流隨著冷料進(jìn)爐，熱料出爐在不斷的波動變化，這種波動變化，直接影響變頻電源的工作效率和設(shè)備的可靠性。對于工頻梯度加熱，冷鋁棒進(jìn)爐，由于阻抗小，為防止電流超載，只有降低電壓，設(shè)備處于低壓大電流工作狀態(tài)，此時(shí)大量電能消耗變?yōu)楦袘?yīng)器發(fā)熱，只有通過冷卻水強(qiáng)制冷卻將感應(yīng)器上熱量帶走。加熱總耗電量增加。因此，如何對應(yīng)這種鋁棒隨溫度的阻抗波動變化，成為感應(yīng)梯度加熱提高效率、提高設(shè)備運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵因素。但是，由于工頻加熱設(shè)備的固有特性，三相交流電，直接接入LC諧振回路，是無法適應(yīng)這種變化。這就使得變頻梯度加熱的應(yīng)用逐漸引起人們的重視。從變頻梯度加熱的工作原理可以看出，如果變頻電源控制系統(tǒng)能智能化自動調(diào)節(jié)變頻輸出參數(shù)來適應(yīng)鋁棒溫度變化或爐內(nèi)部分空缺引起的系統(tǒng)阻抗變化。使LC諧振系統(tǒng)一直處于高效工作狀態(tài)，則變頻梯度加熱的能耗會明顯下降，變頻梯度加熱將較工頻梯度加熱有更大優(yōu)勢。

在有色金屬感應(yīng)熔煉領(lǐng)域，材料溫度變化、固態(tài)到液態(tài)的變化同樣引起系統(tǒng)阻抗改變，影響設(shè)備效率，增加電耗。

2 變頻梯度加熱設(shè)備自動阻抗調(diào)節(jié)的工作原理

自70年代半導(dǎo)體變頻設(shè)備投入工業(yè)運(yùn)行后人們一直在努力，希望從變頻電源的控制方式上加以改善，并為此做了許多工作，但終因效果不佳，以致在多年來變頻控制系統(tǒng)的發(fā)展過程中，這一方面一直沒有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。進(jìn)入2000年后，隨著智能化芯片和PLC控制技術(shù)的發(fā)展[3]，為變頻電源控制系統(tǒng)智能化發(fā)展提供了條件。對此，我所專家在經(jīng)過近十年的不斷努力，同時(shí)借鑒國外先進(jìn)技術(shù)，設(shè)計(jì)出具有自動阻抗調(diào)節(jié)功能的智能化變頻電源控制系統(tǒng)。該智能化控制系統(tǒng)可根據(jù)梯度加熱過程中鋁棒溫度變化或長度變化引起的系統(tǒng)阻抗變化。把原來傳統(tǒng)線路中，變頻電壓與整流電壓的固定比例關(guān)系[4]，通過智能化控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能，變?yōu)榭勺儽壤P(guān)系。變頻電源的輸出電壓Ua與直流電壓Ud、功率因數(shù)C0S∮的數(shù)學(xué)關(guān)系

式為：Ua=1.1×Ud/cos∮---公式1[5]

Ua—變頻電源的輸出電壓；Ud—變頻電源的直流電壓；cos∮—功率因數(shù)；其中∮—逆變脈沖的超前角。

變頻電源的輸出功率與變頻電源的輸出電壓Ua及諧振L.C的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：P=Ua2＊rs＊C/Ls----公式2[5]

P—變頻電源的輸出功率；Ua—變頻電源的輸出電壓；C—諧振電容；Ls—諧振電感（純電感）；rs—諧振電感的分布電阻。

從公式1可以看出，變頻電源的輸出電壓Ua、變頻電源的直流電壓Ud與cos∮有一個(gè)固定的比例關(guān)系。在以往的電路里逆變脈沖超前角∮的變化會難于控制，并且其變化影響設(shè)備啟動性能，所以控制電路里∮角均設(shè)計(jì)為固定的。因此當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)由于金屬材料加熱阻抗變化引起變頻電源的直流電壓Ud變化時(shí)，設(shè)備效率大幅度降低。

由西安威特電力電子設(shè)備研究所開發(fā)的自動阻抗調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理是將逆變脈沖超前角∮設(shè)計(jì)成可變的，與變頻電源的輸出電壓Ua、變頻電源的輸出電流Ia相互關(guān)聯(lián)的，可自動跟隨Ua、Ia變化而自動調(diào)節(jié)的可變角度，其控制變化范圍約25度電角度。由公式1可以看出當(dāng)冷態(tài)鋁棒進(jìn)爐，系統(tǒng)阻抗變小時(shí)，自動阻抗調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)逆變脈沖超前角∮變小，cos∮增大，使變頻電源的輸出電壓Ua變小，變頻電源的輸出電流Ia不變，變頻電源的直流電壓Ud因其控制角ɑ不變而維持不變。加熱設(shè)備效率高。當(dāng)鋁棒加熱后，系統(tǒng)阻抗變大時(shí)，自動阻抗調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)逆變脈沖超前角∮變大，cos∮變小，使變頻電源的輸出電壓Ua變大，變頻電源的輸出電流Ia不變，變頻電源的直流電壓Ud因其控制角ɑ不變而維持不變。加熱設(shè)備效率仍高。再根據(jù)公式2可看出Ua的變化平衡了rs、Ls變化引起的阻抗變化。從而使得變頻電源的輸出功率P在一定的范圍內(nèi)可以恒定輸出。使設(shè)備的運(yùn)行效率大大提高，節(jié)能、省時(shí)、提高運(yùn)行的可靠性。

加熱中通過自動檢測系統(tǒng)阻抗?fàn)顟B(tài)，不斷調(diào)節(jié)變頻電壓與整流電壓的比例，使變頻電源的整流電壓盡量保持在額定電壓（電效率最高），對鋁棒溫度、長度等變化引起的阻抗的變化則通過自動調(diào)節(jié)變頻電壓來調(diào)節(jié)，變頻電壓在整流電壓不變的情況下調(diào)節(jié)范圍達(dá)150V左右。

3 變頻電源自動阻抗調(diào)節(jié)功能在鋁棒梯度加熱中的作用

變頻電源自動阻抗調(diào)節(jié)功能的實(shí)現(xiàn)，使變頻梯度加熱設(shè)備工作過程中，實(shí)現(xiàn)了加熱設(shè)備自動適應(yīng)鋁棒溫度變化的功能。在梯度加熱過程中它可在推入冷鋁棒進(jìn)爐阻抗較小時(shí)，使變頻電壓下調(diào)來保持整流電壓基本不變、輸出功率基本不變。而在鋁棒升溫后、出熱料前阻抗偏大時(shí)又盡量提高變頻電壓來提高整流電流使其基本保持為額定電流，將加熱過程中因阻抗變化引起的整流電壓、整流電流以及輸出功率的變化波動幅度降為最小。對于鋁棒長度變化，造成爐內(nèi)部分空缺，其特性也表現(xiàn)為系統(tǒng)阻抗變大，同樣可以提高變頻電壓來提高整流電流使其基本保持為額定電流。這樣，變頻梯度加熱就不需補(bǔ)償體進(jìn)爐加熱，再靠水冷卻補(bǔ)償體，也省去了這部分無用能耗。

表1為工頻梯度加熱，不同長度鋁棒，可見因補(bǔ)償體進(jìn)爐引起的加熱能耗增加。

表1 鋁棒工頻梯度加熱不同長度鋁棒因補(bǔ)償體增加能耗：

表2為無自動阻抗調(diào)節(jié)的變頻梯度加熱設(shè)備，不同溫度段設(shè)備輸出功率及效率不同。

表2 無自動阻抗調(diào)節(jié)的變頻梯度加熱設(shè)備各溫度階段能耗

表3為有自動阻抗調(diào)節(jié)的變頻梯度加熱設(shè)備，不同溫度段設(shè)備輸出功率及效率相同。

表3 自動阻抗調(diào)節(jié)的變頻梯度加熱設(shè)備各溫度階段能耗

自動阻抗調(diào)節(jié)系統(tǒng)在工作過程中是全自動，實(shí)時(shí)，無級進(jìn)行的。阻抗極端變化時(shí)設(shè)備的截流、截壓仍正常發(fā)揮功能使系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

通過智能化控制系統(tǒng)自動阻抗調(diào)節(jié)功能，我們實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)目標(biāo)，提高變頻電源交—直轉(zhuǎn)換效率以及基本維持輸出功率額定不變的目的。實(shí)際運(yùn)行證明具有阻抗調(diào)節(jié)功能的變頻電源在工作中比無此功能的變頻電源省時(shí)、省電、高效、同時(shí)也顯著提高了變頻電源的穩(wěn)定性。使變頻梯度加熱達(dá)到了更高的一個(gè)水平。