工频感应加热炉电路优化设计卢祥胜;闻国民;陈全明【摘要】本文主要介绍了工频感应加热炉电路的优化设计方法及应用,主要包括主电路、控制电路及励磁电路.优化后的电路具有反应快、精度高、误差小等优点,使工频感应加热炉的加热效率提高.【期刊名称】《热处理技术与装备》【年(卷),期】2013(034)005【总页数】4页(P61-64)【关键词】加热炉;优化设计;效率【作者】卢祥胜;闻国民;陈全明【作者单位】河南江河机械有限责任公司,河南平顶山467337;河南江河机械有限责任公司,河南平顶山467337;河南江河机械有限责任公司,河南平顶山467337【正文语种】中文【中图分类】TG155.2+1铜加工行业迅速发展，热挤压是铜材产品生产过程中常采用的工艺。
热挤压工艺是根据产品要求，先将一定长度的铜铸锭经工频感应加热炉加热到工艺温度后，进行挤压成型。
因此，对铜铸锭的加热就成了挤压工序的主要环节。
在挤压生产过程中，如果铜铸锭加热温度过高，挤压时经过加热后的铜铸锭在模具内流动速度快，容易造成产品收缩比大，出现裂纹，尺寸不易保证;如果铜铸锭加热温度过低，会使挤压设备及模具的使用寿命降低，铜铸锭内外温差大，会造成产品的性能不均匀，影响质量。
所以对工频感应加热炉加热选择适当的控制方法，使铜铸锭的加热温度均匀上升，是产品性能提高、设备及模具使用寿命提高的保证。
而工频感应加热炉加热控制的适当与否取决于工频感应加热炉的加热电路。
本文主要介绍我公司对工频感应加热炉(如图1)主电路、控制电路及励磁电路进行优化设计而采用的方法，经过使用证明优化后的电路及其控制方式更加可靠，使工频感应加热炉加热效率更高。
图1 工频感应加热炉Fig.1 Line frequency induction heating furnace1 感应加热原理感应加热的原理就是利用感应电流在工件表面一定深度内先产生温度，再通过传导的方法向中心传热，最后使铜铸锭内外温度达到加工的工艺温度。
感应电流在工件内形成的深度通常叫做“感应电流透入深度”。
感应电流透入深度△与频率f的关系为式中:ρ为加热铜铸锭的电阻率，Ω·cm;μ为加热铜铸锭的相对磁导率(对于非导磁材料μ=1);f为电源频率，Hz。
2 电路设计2.1 主电路优化前我公司使用的工频感应炉主电路如图2所示。
该电路设计为二个主接触器(分别是KM1和KM2)来控制工频感应加热炉电源的通与断，在通电一瞬间KM2吸合，将电源从平波电阻器R3接入，几秒钟后KM2断开，KM1接通，电源从这个接触器接入工频感应炉。
其中R2为平衡用电抗器，Cn1为平衡用电容组，Cn2为补偿电容组，Rn为工频感应炉线圈组。
图2 优化设计前工频感应炉主电路Fig.2 The main circuit of line frequency induction heating furnace before optimal design2.2 控制电路工频感应加热炉的控制电路如图3所示。
在工频感应加热炉工作时，首先继电器KA2接通，驱动接触器KM2接通，电压由平波电阻器R3接入工频感应加热炉加热线圈，经过一定延时后，继电器KA1带电，驱动接触器KM1将电源接入工频感应炉线圈组。
当电路接通后，三相电源经平衡电抗器和平衡电容器后改变为两相电源，供给工频感应炉线圈组。
2.3 励磁电路磁性调压器具有在带负荷情况下，改变控制绕组电流就能实现无级调压，因此工频感应加热炉广泛采用磁性调压器进行调压。
磁性调压器调压的原理是控制变压器绕组的直流控制电流，从而控制磁调二次电压的变化，进而达到调整电炉工作电流的目的。
当直流控制电流增大时，磁调二次电流随之增大，励磁回路如图4所示。
图3 优化设计前工频感应炉控制电路Fig.3 The control circuit of line frequency induction heating furnace before optimal design图4 优化设计前工频感应炉励磁电路Fig.4 The excitation circuit of line frequency induction heating furnace before optimal design当变压器侧高、低压接通，启动信号给予后，KM3吸合;电压经平波电抗器后，加在可调调压器两端，经可调调压器调压后送给桥式整流装置整流成直流后送给磁性调压器，实现对控制变压器绕组的直流控制;进而控制磁调二次电压的大小，实现对工频感应加热炉工作电流的调整。
3 电路优化设计3.1 优化后的主电路优化前的工频感应加热炉主电路的电源设计为两相工作模式。
为了使电网平衡，采用了平衡电抗器和平衡电容器进行三相平衡供电的方式进行工作，加热效率低，且只适用于加热一种规格的铜铸锭。
如果加热不同规格的铜铸锭则需要在更换工频感应炉线圈组的同时，需要调整与其对应的平衡用电抗器和平衡用电容器组。
由于平衡用电抗器固定较牢固，安装空间相对来说比较狭小，调整拆卸难度较大，导磁块之间的间隙很难调整到最佳效果。
因此考虑将工频感应炉设计为三相供电加热方式，省去平衡用电抗器及平衡用电容组，增加功率因数补偿电容组，此种工作方式下电容的匹配、调整方便、实用。
优化后的主电路如图5所示，KM1、KM2、KM3为主接触器，R4为平波电阻器;Rn1、Rn2、Rn3为工频感应炉线圈组;Cn1、Cn2、Cn3为与工频感应炉线圈组对应的补偿电容组。
图5 优化设计后的主电路Fig.5 The main circuit after optimal design优化后的电路设计为三个主接触器(分别是:KM1，KM2，KM3)来控制工频感应加热炉电源的通与断，在通电一瞬间KM3吸合，将电源从平波电阻器R4接入，几秒钟后KM3断开，KM1与KM2接通，电源从这两个接触器接入工频感应炉。
这样的好处有两个:一是防止有接触器坏掉影响工频感应炉的正常工作;二是可以分流，由于工频感应炉的工作电流大，如果直接入一个接触器的话电流全部从其触头流过，会减少其使用寿命，接入两个接触器后其使用寿命大大提高。
3.2 优化后的控制电路优化后的控制电路如图6所示，除了控制主电路的电路外，增加了控制补偿电容的电路。
当工频感应加热炉功率因数低时，可根据其功率因数，选择向主电路中接入补偿电容器组数，补偿电容器组的选择由转换开关来完成。
电容器组总共有三组，可分三种方式接入电路即:接入一组、二组、三组，经调试后证明，优化后的电路更能满足生产所需。
图6 优化设计后的控制电路Fig.6 The control circuit after optimal design3.3 优化后的励磁电路由于常用调压装置采用可调磁性调压器反应慢，且长时间使用后接触不好容易起热，影响工频感应加热炉加热的可靠性和效率，遂对励磁电路进行优化。
优化后的励磁电路如图7所示，该电路采用脉冲触发控制器的脉冲电压改变可控硅K1、K2导通角的大小，从而实现对励磁电压大小的改变。
这种励磁电路改变传统调压采用手轮式调压器进行调压的方式，采用电位器RP对脉冲触发控制器的脉冲进行调整，进而实现工频感应加热炉加热电路电压高低设定。
图7 优化后的励磁电路Fig.7 The excitation circuit after optimal design脉冲触发器在工作时，对电源输出的交流信号经双半波整流后，通过同步整形环节变成方波;经锯齿波发生器变成与电源同频的锯齿波同步信号后，与电位器RP输出的控制信号比较，产生相应的控制脉冲;经脉冲变压器后去触发可控硅的导通角，改变输出直流的大小，控制磁性调压器二次电压的变化，从而达到调整工频感应加热炉工作电流的目的。
脉冲触发器中J1、J2间接入工频感应加热炉线圈温度测试传感器信号，实现超温保护。
3.4 励磁电路控制电路优化前后，励磁电路都用同一个控制电路，控制电路如图8所示。
低压侧只有高压侧接通后才能接通，调压只有在高压侧和低压侧接通后才能够启动。
这样的好处是可以防止操作者不按工作要求，直接启动工频感应炉，其接通电源时的电流反冲将变电所的电源闸刀顶开，发生停电故障。
图8 励磁电路的控制电路Fig.8 The control circuit of excitation circuit4 加热效果为了比较电路优化前后工频感应加热炉的加热效率，分别计算不同规格的铜铸锭在相同加热条件下加热至生产工艺温度所需时间。
见表1。
表1 电路优化前后加热不同规格铜铸锭所需时间Table 1 Heating time required copper ingots of different specification before and after optimal design规格加热至工艺温度所需时间/min 800℃ 820℃ 840℃ 860℃ 880℃φ175 mm 优化前 51 55 61 67 73优化后44 49 53 57 64 φ210 mm 优化前 68 74 81 87 92优化后59 64 70 74 78从表1可以看出，采用工频感应加热炉加热相同规格的铜铸锭，电路优化前与优化后相比，每加热一段铜锭平均需多用约9 min，升温时间也需多用9 min左右，说明电路优化后工频感应加热炉加热效果更好、更节能。
5 结论通过对工频感应加热炉主电路、控制电路及励磁电路的优化设计，使工频感应加热炉的加热效率提高，更节能。
优化电路后的工频感应加热炉采用电容补偿可以有效解决加热效率低的问题;加热不同规格铜铸锭不需要更换工频感应加热炉炉体，操作更加方便。
优化后的电路在工作时，工频感应加热炉、磁性调压器与励磁电路组成了一个闭环系统。
当炉温与给定温度存在偏差时，PI调节器发出一个调节信号，半控桥触发脉冲根据这个信号自动移相，改变磁调控制电流，从而控制电炉的工作电流。
调节过程采用PI控制方式，系统具有反应快、精度高、误差等优点。
参考文献［1］潘天明.工频和中频感应加热炉［M］.北京:冶金工业出版社，1995.［2］约喻·戴堆斯.感应加热手册［M］.张搬芳，译.北京:国防工业出版社，1985. ［3］臧尔寿.热处理炉［M］.北京:冶金工业出版社，1983.。