中频炉负载分析

点击数:20342014-09-21 10:29:26 来源: 上海远陆中频

 

中频负载分析

中频炉是电热的一种好的形式。置于交变磁场中的金属工件,由于电磁感应而直接在工件自身产生涡流发热。感应加热具有加热时间短,效率高,便于控制温度,保证加热质量,改善劳动条件,易于组合自动线生产,因此得到越来越广泛的应用。
 
通常,在15010×103 Hz频段的感应加热称为中频炉
 
中频炉负载有熔炼、透热、淬火、焊接以及烧结等。本文主要分析普遍应用的熔炼、透热和淬火负载,如图1所示。

(a)熔炼        (b)透热        (c)淬火

1 负载示意图

2 负载等效电路
 
由图1可知,中频炉负载有一个共同特点,就是均由一个具有很大电感的空心线圈与被加热工件组成工作负载。因此,它是一个功率因数很低的感性负载。
 
我们常把具有很大电感的线圈叫做感应器。感应器是将电能转换为热能的关键。当在感应器内通以中频大电流而产生强磁场时,便在被加热工件中感应出很大涡流。为分析方便,我们把中频炉负载等效为一个变压器,感应器视为原边绕组,工件视为副边绕组,于是便得到了负载等效电路,如图2所示,其中r1x1表示感应器的电阻与电抗,x12表示互感抗,r2x2表示被加热工件的电阻与电抗。

2 负载等效电路

  当感应器输入中频电压U时:

求解,可得

     ρ为阻抗变换系数
 

 
由此可知:
 
负载电阻 rf=r1+ρ2r2
 
负载电抗 xf=x1-ρ2x2
 
负载阻抗
 
负载功率因数
 
有功功率 Py=I21rf
 
无功功率 Pw=I21xf
 
负载品质因数
  Q
cos关系 
 
中频炉负载来说,通常xfrf,因此,cos很低,典型负载的Q值和cos值见表1

求解,可得      ρ为阻抗变换系数     由此可知:  负载电阻 r=r+ρr  负载电抗 x=x-ρx  负载阻抗   负载功率因数   有功功率 P=Ir  无功功率 P=Ix  负载品质因数   Qcos关系    对中频炉负载来说,通常xr,因此,cos很低,典型负载的Q值和cos值见表1

1

求解,可得      ρ为阻抗变换系数     由此可知:  负载电阻 r=r+ρr  负载电抗 x=x-ρx  负载阻抗   负载功率因数   有功功率 P=Ir  无功功率 P=Ix  负载品质因数   Qcos关系    对中频炉负载来说,通常xr,因此,cos很低,典型负载的Q值和cos值见表1

负载

熔炼

透热

淬火

Q

1020

410

24

cos

0.050.1

0.10.3

0.30.5

3 负载振荡回路
 
从表1可知,中频炉负载为cos值很低的感性负载。为提高功率因数,有效利用电源容量,采用中频电容器补偿无功功率,这样便组成了振荡回路。
 
根据补偿形式,可分为串联振荡回路和并联振荡回路。
3.1
串联振荡回路
  (1)
串联振荡回路如图3所示。

3 串联振荡回路

  由图3,可得:

 
 

  当电路出现谐振时,


 

  由此可见,在谐振时,电源电压U全部加在电阻上,而串联电容两端电压UC和电感端电压UL其值相等,方向相反,均为电源电压的Q倍,因此,串联谐振为电压谐振。
  (2)
串联振荡回路的频率特性
 
根据上述分析,我们可得到串联振荡回路的阻抗和电流:

 

  假定LCr值不变(Q为常数)时,在输入电压U条件下,可绘制ZIω的变化情况,如图4

4 串联振荡的频率特性

  从图4可知,当ω=0时,由于容抗的阻挡,I=0。当频率逐渐增大而容抗逐渐变小,感抗逐渐增大,电流也逐渐增大,回路呈容性。当ω=ω0时,电路处于谐振状态,电流达到最大值,UC=UL=QU,回路为纯电阻负载。当ω继续增大,因容抗小于感抗,电流下降,此时回路呈感性。
 
上述分析可用表2和图5来综合描述。

2

频率

电容与电感
上的电压

电流变化

回路性质

矢量图

ωω0

UCUL

I变大

容性(超前)

5a

ω=ω0

UC=UL=QU

I=I0(最大)

阻性(cos=1)

5b

ωω0

UCUL

I变小

感性(滞后)

5c

(a)          (b)          (c)

5 矢量图

  如果考虑LCr的变化情况,此时:

 

  由此,可得到不同Q值下回路的谐振曲线变化情况,如图6所示。

6 几种Q值下的谐振曲线

  由图6可知,串联振荡电路中参数变化对频率的影响,完全体现在Q值上。
 
对晶闸管中频电源串联逆变器,需要它的负载为容性,其超前功率因数角为20°45°,为获得容性负载,中频电容必须过补偿,即工作频率必须低于谐振固有频率ω0
 
在中频机组供电情况下,要特别注意补偿电容器问题,千万不能使机组自激,以免损坏电机绝缘。此时,除了负载补偿外,还应考虑中频发电机的内阻抗等。
3.2
并联谐振回路
  (1)
并联谐振回路如图7所示。

 

7 并联振荡回路

  考虑Lr,则

 

  当电路谐振时,

 

  式中:

  由此可知,在谐振时负载阻抗为纯等效电阻负载,电源仅供给有功电流I0。在振荡回路中的电流很大,为输出电流I0Q倍,因此并联谐振为电流谐振。
  (2)
并联振荡回路的频率特性
 
根据分析串联振荡回路的方法,我们同样可以得出并联振荡回路频率特性相类似的结果。
 
Q值不变(即电路LCr不变)条件下负载阻抗ZI与频率的关系如图8所示。

8 并联振荡的频率特性

  电路在不同频率时的特性见表3和图9

3

频率

电容与电感
支路电流

阻抗变化

回路性质

矢量图

ωω0

ICIL

Z变大

感性(滞后)

9a

ω=ω0

IC=IL=QI0

Z=Z0(最大)

阻性(cos=1)

9b

ωω0

ICIL

Z变小

容性(超前)

9c

(a)          (b)          (c)

9 矢量图

  根据回路阻抗

  Q值变化时,则通频带变大或缩小。Q值降低,通频带增大;Q值增大,通频带缩小。
 
对晶闸管中频电源并联逆变器,必须运行在超前角30°左右,因此,负载跟串联振荡回路一样也为容性,但工作频率ω应大于负载振荡回路的固有频率ω0
 
对中频机组供电情况,为有效利用电源装置的容量。一般希望运行在负载的谐振频率接近于机组的固有频率(固定频率),但由于在加热过程中负载参数随温度变化而改变,因此,需要通过不断改变电容器C值来调节负载谐振频率ω0和功率因数cos

4 负载在加热过程中的变化
 
中频炉负载在加热过程中的变化受多方面因素影响,反映在负载振荡回路中的参数变化相当复杂,详细分析是比较困难的。这里就实际运行中的几个典型参数变化情况作简要说明。
 
通过前面的分析可知,中频炉负载实际上应由感应器,被加热工件和补偿电容器三部分组成,如图7所示。被加热工件有磁性材料(如铁等)和非磁性材料(如铜等)之分。不同性质的工件对温度变化的反应是不一样的。对非磁性工件而言,其在加热过程中导磁率(μ=1)不变,则电感Ls也几乎不变,而电阻rs则随温度升高而增大。对磁性工件来说,加热过程中温度变化所引起的电参数变化非常复杂,图10示出了铁磁材料ρμ的温度变化曲线。由图10可知,在磁性变态点之前,电阻系数ρ和导磁率μ均在变化,一般称这种状态为冷态。当工件温度达到磁性变态点以上时,ρμ均趋于稳定,这种状态称为热态。冷态加热开始时,μ几乎不变,即Ls也几乎不变,此时电阻rsρ的上升而增大,当温度接近磁性变态点时,导磁率μ有明显下降,这不仅使Ls急剧减小,同时由于渗透深度的迅速增大,因此rs也减小。

10 磁性材料ρμ温度变化曲线

  Cω均为不变条件下,负载阻抗Z随温度的变化参见图11

11 负载阻抗温度变化曲线

  由图11可知,冷态阻抗小,热态阻抗大,这就是晶闸管中频熔炼设备为什么热炉起动容易,冷炉起动困难的原因。
 
11所示的负载阻抗变化规律,对我们分析负载电路特性非常有用。根据这种特性,我们可以在电源设计时采取措施,实现恒功率输出,还有频率自动跟踪,功率因数自动调节等。

【责任编辑:(Top) 返回页面顶端
4008206695