中频炉-中频感应加热负载分析

图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U_C和电感端电压U_L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L、C和r值不变(Q为常数)时，在输入电压U条件下，可绘制Z与I随ω的变化情况，如图4。

图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，电流达到值，U_C=U_L=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。

表2

(a)　　　　　　　　　　(b)　　　　　　　　　　(c)

图5　矢量图

　　如果考虑L、C和r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。

图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，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。

图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I₀的Q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。
　　在Q值不变(即电路L、C和r不变)条件下负载阻抗Z、I与频率的关系如图8所示。

图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。

表3

(a)　　　　　　　　　　(b)　　　　　　　　　　(c)

图9　矢量图

　　根据回路阻抗

　　当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
　　中频感应加热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，中频感应加热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L_s也几乎不变，而电阻r_s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ρ和μ的温度变化曲线。由图10可知，在磁点之前，电阻系数ρ和导磁率μ均在变化，一般称这种状态为冷态。当工件温度达到磁点以上时，ρ和μ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L_s也几乎不变，此时电阻r_s随ρ的上升而增大，当温度接近磁点时，导磁率μ有明显下降，这不仅使L_s急剧减小，同时由于渗透深度的迅速增大，因此r_s也减小。

图10　磁性材料ρ和μ温度变化曲线

　　在C和ω均为不变条件下，负载阻抗Z随温度的变化参见图11。

图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。
　　图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。