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  • 中頻爐負載分析

    點擊數:41022014-09-21 10:29:26 來源: 上海遠陸中頻

     

    中頻負載分析

    中頻爐是電熱的一種好的形式。置于交變磁場中的金屬工件,由于電磁感應而直接在工件自身產生渦流發熱。感應加熱具有加熱時間短,效率高,便于控制溫度,保證加熱質量,改善勞動條件,易于組合自動線生產,因此得到越來越廣泛的應用。
     
    通常,在15010×103 Hz頻段的感應加熱稱為中頻爐。
     
    中頻爐負載有熔煉、透熱、淬火、焊接以及燒結等。本文主要分析普遍應用的熔煉、透熱和淬火負載,如圖1所示。

    (a)熔煉        (b)透熱        (c)淬火

    1 負載示意圖

    2 負載等效電路
     
    由圖1可知,中頻爐負載有一個共同特點,就是均由一個具有很大電感的空心線圈與被加熱工件組成工作負載。因此,它是一個功率因數很低的感性負載。
     
    我們常把具有很大電感的線圈叫做感應器。感應器是將電能轉換為熱能的關鍵。當在感應器內通以中頻大電流而產生強磁場時,便在被加熱工件中感應出很大渦流。為分析方便,我們把中頻爐負載等效為一個變壓器,感應器視為原邊繞組,工件視為副邊繞組,于是便得到了負載等效電路,如圖2所示,其中r1、x1表示感應器的電阻與電抗,x12表示互感抗,r2、x2表示被加熱工件的電阻與電抗。

    2 負載等效電路

      當感應器輸入中頻電壓U時:

    求解,可得

         ρ為阻抗變換系數
     

     
    由此可知:
     
    負載電阻 rf=r1+ρ2r2
     
    負載電抗 xf=x1-ρ2x2
     
    負載阻抗
     
    負載功率因數
     
    有功功率 Py=I21rf
     
    無功功率 Pw=I21xf
     
    負載品質因數
      Q
    cos關系 
     
    中頻爐負載來說,通常xfrf,因此,cos很低,典型負載的Q值和cos值見表1。

    求解,可得      ρ為阻抗變換系數     由此可知:  負載電阻 r=r+ρr  負載電抗 x=x-ρx  負載阻抗   負載功率因數   有功功率 P=Ir  無功功率 P=Ix  負載品質因數   Qcos關系    對中頻爐負載來說,通常xr,因此,cos很低,典型負載的Q值和cos值見表1。

    1

    求解,可得      ρ為阻抗變換系數     由此可知:  負載電阻 r=r+ρr  負載電抗 x=x-ρx  負載阻抗   負載功率因數   有功功率 P=Ir  無功功率 P=Ix  負載品質因數   Qcos關系    對中頻爐負載來說,通常xr,因此,cos很低,典型負載的Q值和cos值見表1。

    負載

    熔煉

    透熱

    淬火

    Q

    1020

    410

    24

    cos

    0.050.1

    0.10.3

    0.30.5

    3 負載振蕩回路
     
    從表1可知,中頻爐負載為cos值很低的感性負載。為提高功率因數,有效利用電源容量,采用中頻電容器補償無功功率,這樣便組成了振蕩回路。
     
    根據補償形式,可分為串聯振蕩回路和并聯振蕩回路。
    3.1
    串聯振蕩回路
      (1)
    串聯振蕩回路如圖3所示。

    3 串聯振蕩回路

      由圖3,可得:

     
     

      當電路出現諧振時,


     

      由此可見,在諧振時,電源電壓U全部加在電阻上,而串聯電容兩端電壓UC和電感端電壓UL其值相等,方向相反,均為電源電壓的Q倍,因此,串聯諧振為電壓諧振。
      (2)
    串聯振蕩回路的頻率特性
     
    根據上述分析,我們可得到串聯振蕩回路的阻抗和電流:

     

      假定L、Cr值不變(Q為常數)時,在輸入電壓U條件下,可繪制ZIω的變化情況,如圖4。

    4 串聯振蕩的頻率特性

      從圖4可知,當ω=0時,由于容抗的阻擋,I=0。當頻率逐漸增大而容抗逐漸變小,感抗逐漸增大,電流也逐漸增大,回路呈容性。當ω=ω0時,電路處于諧振狀態,電流達到最大值,UC=UL=QU,回路為純電阻負載。當ω繼續增大,因容抗小于感抗,電流下降,此時回路呈感性。
     
    上述分析可用表2和圖5來綜合描述。

    2

    頻率

    電容與電感
    上的電壓

    電流變化

    回路性質

    矢量圖

    ωω0

    UCUL

    I變大

    容性(超前)

    5a

    ω=ω0

    UC=UL=QU

    I=I0(最大)

    阻性(cos=1)

    5b

    ωω0

    UCUL

    I變小

    感性(滯后)

    5c

    (a)          (b)          (c)

    5 矢量圖

      如果考慮L、Cr的變化情況,此時:

     

      由此,可得到不同Q值下回路的諧振曲線變化情況,如圖6所示。

    6 幾種Q值下的諧振曲線

      由圖6可知,串聯振蕩電路中參數變化對頻率的影響,完全體現在Q值上。
     
    對晶閘管中頻電源串聯逆變器,需要它的負載為容性,其超前功率因數角為20°45°,為獲得容性負載,中頻電容必須過補償,即工作頻率必須低于諧振固有頻率ω0。
     
    在中頻機組供電情況下,要特別注意補償電容器問題,千萬不能使機組自激,以免損壞電機絕緣。此時,除了負載補償外,還應考慮中頻發電機的內阻抗等。
    3.2
    并聯諧振回路
      (1)
    并聯諧振回路如圖7所示。

     

    7 并聯振蕩回路

      考慮Lr,則

     

      當電路諧振時,

     

      式中:

      由此可知,在諧振時負載阻抗為純等效電阻負載,電源僅供給有功電流I0。在振蕩回路中的電流很大,為輸出電流I0Q倍,因此并聯諧振為電流諧振。
      (2)
    并聯振蕩回路的頻率特性
     
    根據分析串聯振蕩回路的方法,我們同樣可以得出并聯振蕩回路頻率特性相類似的結果。
     
    Q值不變(即電路L、Cr不變)條件下負載阻抗Z、I與頻率的關系如圖8所示。

    8 并聯振蕩的頻率特性

      電路在不同頻率時的特性見表3和圖9。

    3

    頻率

    電容與電感
    支路電流

    阻抗變化

    回路性質

    矢量圖

    ωω0

    ICIL

    Z變大

    感性(滯后)

    9a

    ω=ω0

    IC=IL=QI0

    Z=Z0(最大)

    阻性(cos=1)

    9b

    ωω0

    ICIL

    Z變小

    容性(超前)

    9c

    (a)          (b)          (c)

    9 矢量圖

      根據回路阻抗

      Q值變化時,則通頻帶變大或縮小。Q值降低,通頻帶增大;Q值增大,通頻帶縮小。
     
    對晶閘管中頻電源并聯逆變器,必須運行在超前角30°左右,因此,負載跟串聯振蕩回路一樣也為容性,但工作頻率ω應大于負載振蕩回路的固有頻率ω0。
     
    對中頻機組供電情況,為有效利用電源裝置的容量。一般希望運行在負載的諧振頻率接近于機組的固有頻率(固定頻率),但由于在加熱過程中負載參數隨溫度變化而改變,因此,需要通過不斷改變電容器C值來調節負載諧振頻率ω0和功率因數cos。

    4 負載在加熱過程中的變化
     
    中頻爐負載在加熱過程中的變化受多方面因素影響,反映在負載振蕩回路中的參數變化相當復雜,詳細分析是比較困難的。這里就實際運行中的幾個典型參數變化情況作簡要說明。
     
    通過前面的分析可知,中頻爐負載實際上應由感應器,被加熱工件和補償電容器三部分組成,如圖7所示。被加熱工件有磁性材料(如鐵等)和非磁性材料(如銅等)之分。不同性質的工件對溫度變化的反應是不一樣的。對非磁性工件而言,其在加熱過程中導磁率(μ=1)不變,則電感Ls也幾乎不變,而電阻rs則隨溫度升高而增大。對磁性工件來說,加熱過程中溫度變化所引起的電參數變化非常復雜,圖10示出了鐵磁材料ρμ的溫度變化曲線。由圖10可知,在磁性變態點之前,電阻系數ρ和導磁率μ均在變化,一般稱這種狀態為冷態。當工件溫度達到磁性變態點以上時,ρμ均趨于穩定,這種狀態稱為熱態。冷態加熱開始時,μ幾乎不變,即Ls也幾乎不變,此時電阻rsρ的上升而增大,當溫度接近磁性變態點時,導磁率μ有明顯下降,這不僅使Ls急劇減小,同時由于滲透深度的迅速增大,因此rs也減小。

    10 磁性材料ρμ溫度變化曲線

      Cω均為不變條件下,負載阻抗Z隨溫度的變化參見圖11。

    11 負載阻抗溫度變化曲線

      由圖11可知,冷態阻抗小,熱態阻抗大,這就是晶閘管中頻熔煉設備為什么熱爐起動容易,冷爐起動困難的原因。
     
    11所示的負載阻抗變化規律,對我們分析負載電路特性非常有用。根據這種特性,我們可以在電源設計時采取措施,實現恒功率輸出,還有頻率自動跟蹤,功率因數自動調節等。

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