“一拖三”中频感应电炉的节能与应用

吉耀庭

（机械工业第一设计研究院，安徽 蚌埠 233017）

1 一拖三中频感应电炉的特点

“一拖三”中频感应电炉是串联逆变主回路控制的中频感应熔炼（保温）电炉，是在“一拖二”中频感应电炉的基础上开发、定型和发展起来的，该种供电方式是1套电源可以同时向3台电炉馈电熔炼，亦可以2台炉子熔炼，另1台保温；或1台炉子熔炼，另2台保温；或1台炉子熔炼，1台炉子保温，另1台停用，确切地说，这才是真正意义上的“一拖二”中频感应电炉，它不仅具有“一拖二”中频感应电炉的全部优点，而且还具有连续作业、使用灵活和高效节能等特点，特别适用于以销定产的多品种、小批量，铸件重量差异比较大的生产车间或铸造厂。

2 一拖三中频感应电炉的工作原理

以苏州振吴电炉有限公司生产的一拖三串联电路中频感应电炉为例，如图1所示，逆变部分是由三个半桥式逆变电路相串联。这种串联电路在使用过程中，整流电路一直处于全导通状态，所以功率因数不小于0.95（整流输出电压Ud恒定不变），串联电路功率输出是通过调节逆变导通角大小来控制的。

这里所指的功率因数是：

式中：P——有功功率，kW；

S——视在功率，kVA；

φ——电路中电压与电流之间相位差。

有功功率反映了交流电在电阻性负载上做功的大小或转变为其他形式能量（如热能、机械能、光能）的效率，以一拖三串联电路为例，逆变桥1（12 t炉子）、逆变桥 2（12 t炉子）和逆变桥 3（30t炉子）各给一个10V的给定输出电压，三个给定输出电压通常以一个乘法器集成块相互控制，在工作时：

1）当逆变桥1和逆变桥2分别给定输出电压1 V时，逆变桥1、逆变桥2输出功率分别为额定功率的10%，此时逆变桥3给定输出电压最大能达到8 V，逆变桥3输出功率为额定功率的80%。

图1 “一拖三”串联电路

2）当逆变桥1和逆变桥2分别给定输出电压5V时，逆变桥1、逆变桥2输出功率分别为额定功率的50%，此时逆变桥3输出功率为额定功率0。

3）当逆变桥11和逆变桥2分别给定输出电压3V时，逆变桥1、逆变桥2输出功率分别为额定功率的30%，此时逆变桥3给定输出电压最大能达到4V，逆变桥3输出功率为额定功率的40%；以此类推，逆变桥 1（12 t炉体）、逆变桥 2（12 t炉体）和逆变桥3.（30t炉体）三炉体功率任意分配。

4）当逆变桥l给定输出电压3 V时，逆变桥1输出功率为额定功率的30%，此时逆变桥2和逆变桥3也可以停用。

概括起来，“一拖三”串联电路中频感应电炉大致有以下几个创新特点：

（1）新型无功功率补偿——电压反馈串联谐振逆变技术的运用负载串联谐振时，变频电源中的整流桥工作在全导通状态，系统功率因数cosφ≥0.95。

（2）功率控制与多供电分配技术的有机结合（1台变压器）1套整流系统在额定范围内可将电能无级分配给多台逆变器，逆变器再根据工艺需要无级调功给感应电炉供电。

（3）系统成套自动化程度高、优化组合功能完备。

（4）节能效果效果显著

1）采用并联逆变技术的变频电炉平均cosφ≤0.85；采用串联逆变技术其cosφ≥0.95，可节能10%。

2）与其他电路相比，负载回路的电流要小10～12（倍），可节约运行电耗3%。

3）无需大容量滤波电抗器，又可节约电耗1%。

4）每台感应熔炼炉由一组逆变器独立供电，无需安装大电流换炉开关切换，可节约电耗1%。

5）串联逆变器，在运行功率特性曲线中，不存在功率凹角部分即功率损失部分，使之熔炼时间明显缩短，既增加产量又节省电耗，可节能7%。

6）上述 5项共节能（电）22%。

（5）具有连续作业、使用灵活的特点，特别适用于多品种、小批量，铸件重量差异比较大的生产车间或铸造厂。

3 一拖三中频感应电炉的应用实例

以苏州振吴电炉有限公司为某重工铸铁车间提供的两套“一拖三”中频感应电炉为例：

某重工重铸铁业工程铸铁车间年生产能力30000t，其中最大铸件单重200t，大件约占铸件总量的15%。

若选用并联电路中频感应熔炼电炉（1台电源配置1台电炉，为传统产品），则需要6套30t/h的中频感应电炉，配备6台额定功率为6000kW的变压器，同时考虑10%左右的使用余量，该方案需电力总量为43900kVA，电炉设备投资将近5000万元。

若选用“一拖二”串联逆变中频感应电炉，则需要三套，其中一套12 t/h的中频感应熔炼电炉，额定功率为7000kW，配8000kVA的变压器；1套12 t/h、30t/h的中频感应熔炼电炉，额定功率为6000kW，配7500kVA的变压器；1套60t/h的中频感应保温电炉，额定功率为6000kW，配7500kVA的变压器。该方案需电力总量为23000kVA，电炉设备投资将近3000万元。

若选用“一拖三”串联逆变中频感应电炉，则需要 2 套，其中 1 套 12 t/h、30t/h、60t/h“一拖三” 中频感应电炉，额定功率为6500kW，配7000kVA的变压器；另 1 套 12 t/h、12 t/h、60t/h“一拖三” 中频感应电炉，额定功率为6500kW，配7000kVA的变压器。该方案需电力总量为14000kVA，电炉设备投资将近2800万元。在上述2套“一拖三”中频感应电炉中，若其中一台炉体需要修炉，另2台炉体则可继续使用，可365 d连续作业，而且功率因数始终≥95%。

选用“一拖三”串联逆变中频感应电炉，其电力总量比“一拖一”并联电路电力总量少29900kVA。其电力总量比“一拖二”串联电路电力总量少9000kVA。

选用“一拖三”串联逆变中频感应电炉，不仅满足了生产要求，还降低了电力装机容量，节省了基本用电费和固定资产投资，少占车间厂房面积。

中船重工集团某重型铸锻公司，一直是我国船舶螺旋桨制造的龙头企业，同时也是大型铜制工艺品设计制造的著名企业，拥有雄厚的技术力量和丰富的生产经验。但是在开发生产大吨位、高精度、高质量的船用螺旋桨时需要能满足工艺要求的高功率大容量新型熔炼设备。该公司选用了苏州振吴电炉有限公司生产的一套 30t、7 t、7 t“一拖三”串联逆变中频感应电炉，配置3000kVA的变压器，1套30t/h“一拖二”串联逆变中频感应电炉，配置7500kVA的变压器，加20%的炉体设计余量，圆满的解决了难题。“一拖三”串联逆变中频感应电炉，其1台电源可同时带2台、3台电炉同时进行相同作业（同时熔炼或同时保温浇注）或不同作业（1台熔炼、2台保温浇注或2台熔炼、1台保温浇注）的三供电熔炼成套设备，具有“先进制造”和“高效节能”双重优势，一方面该设备可24 h、360d不间断机械化连续作业，三台炉子的熔液通过熔炼、保温可积聚成大容量一次浇注成型，保证了产品质量；同时由于3台炉子仅用1台电源（变压器）工作。3台炉子的熔炼和保温使用的功率不同，由自动控制系统自动调节，设计的电路采用电压反馈串联逆变谐振电路，功率因素在任何情况都≥95%，而且设备一直处于热效率完好的状态下工作。因此比普通的并联线路结构的“一拖一”电炉节能25%左右。该公司不但用此设备浇注生产了80t高品质船用螺旋桨，而且节约了固定资产的投资，同时还节省基本用电费用。

苏州某铸造有限公司为了进一步提高产品质量和产量，选用了苏州振吴电炉有限公司生产的5 t、5 t、1 t“一拖三”串联线路的熔炼设备，配置额定功率为3500kW，4000kVA的变压器，取得了理想的效果：首先多种规格铸件的铁水由固定的炉子提供，材质稳定不变，保证了产品质量的可靠性；其次三台炉子同时进行相同或不同作业（熔炼、保温、浇铸），处于24 h甚至360d不间断的作业状态，产能比“一拖一”提高30%左右；三是设备运行的功率因素始终≥95%，又因为三台电炉仅用一台电源（变压器），三台电炉的功率可自动调配，一直处于满负荷运行状态，设备利用率几乎100%，一直保持高热效率状态，所以总体节能比“一拖一”传统设备25%左右。

4 结 论

通过上述三个典型案例的说明：“一拖三”（串联逆变线路）中频感应电炉不但可以解决浇注大件、特大件一次难成型的问题，而且能解决某种特殊要求铸件的难浇铸的问题，并对提高规格、品种繁多的小件的产品质量和产量也有独特作用。非常适应多品种小批量、大件占有量较少的铸造车间使用。因为设备运行的功率因素始终≥95%，是铸造业“节能降耗”的熔炼设备，有着广阔的前景。

［1］韩至成.电磁冶金技术及装备［M］.北京：冶金工业出版社，2009.