CN1078843A - 感应电炉供电系统 - Google Patents

Abstract

一种感应电炉供电系统，通过单相线圈直接从原 动机驱动的交流同步发电机将加热功率加到感应电 炉。同时使单相线圈的电压可由发电机的自动调压 器连续调节，从而可连接调节对应供电电压的加热功 率，且使该电压频率可由原动机的自动调频机根据与 该电压的预定关系连续调节。在开始供电时，供电电 压及其频率可在预定的持续时间内从预定的最小值 按预定关系以一定的梯度增到其额定值。

Description

本发明涉及一种感应电炉的供电系统，该系统配备有与市电电源无关地构成专用电源的交流发电设备。作为感应电炉（或感应加热器）的交流电源，加热所需的电能即通过感应电炉的单相线圈加到感应电炉上，感应电炉本身则是该交流电源的单相负荷，交流发电设备的输出电压和频率可连续调节地加以控制。

如所周知，这类传统的感应电炉供电系统，其加热所需的电能是按图4至6所示的供电系统加到感应电路上的。

这就是说，图4所示的供电系统采用市电电源作为基本电源，采用象柴油机之类的原动机驱动的交流发电机作为辅助电源。图5所示的供电系统则采用市电电源作为专用电源，并促使市电电源驱动的电动发电设备起变频机的作用，用作加热所需要的电源，这通常是供高频电炉用的。此外，图6所示的供电系统则采用象上面提到的那种原动机驱动的交流发电机作为专用电源，其中通过切换装在供电主电路中变压器的抽头而改变所需要的供电电压，供电电压的频率通常是使其与市电频率相等，或者将交流发电机的输出经过整流后，再由变换器变换成电压和频率合乎要求的交流电进行供电。

下面介绍一下图4至图6的电路图。应该指出的是，各图中作用相同的各组成元件都用同样的编号或字母表示。

首先，图4A和4B中，G3表示三相交流发电机，E表示象柴油机之类供驱动发电机用的原动机，CB_S1和CB_S2表示电源侧的断路器，CB_L1至CB_Ln（n＝1，2……）表示负荷侧的断路器，10表示由感应电炉及其附属设备组 成的感应电炉设施，图4B中的COS表示用以隔离市电电源与三相交流发电机之间的供电主电路的切换开关。

换句话说，图4A示出了这样一种基本电路结构，该电路系设计得使原动机E和三相交流发电机G₃组成的发电机设备能与市电电源同时运行，同时，当从市电电源接收的最大供电量受到限制时用来切断峰值电流。图4B则示出了这样一种基本电路结构，其中发电设备是作为事故电源供电给感应电炉设施运行的，感应电炉设施则在市电电源出故障期间由切换开关COS将其与市电电源隔离开来。这两个电路图中都用发电机设备作为市电电源的辅助电源。

因此，就发电设备而论，其输出频率与市电电源相等，而在图4A的情况下，其输出容量系取得使其小于总负荷所需的最大功率（包括感应电炉设施10在内）与最大限定功率之差值，在图4B的情况下，发电设备的输出容量则按需要而取感应电炉在保持温度情况下继续运行所需要的各种功率的总和作为其最小值。两种情况下发电设备的输出功率都取得小于上述各负荷额定功率的总和。

其次，在图5中，M表示交流发电机，G₁表示电动机所驱动的高频单相交流发电机，T_R1表示变压器，7表示装在感应电炉炉体上用以引入加热功率的单相线圈;Cp表示单相线圈的改善功率因数电容器，11则为感应电炉设施，上述单相线圈和上述各种供电附属元件即在感应电炉设施11中组装在一起。

这就是说，图5示出了用市电电源作为专用电源的感应电炉供电系统，这种供电系统通常是供高频感应电炉用的。电动机M和发电机G₁一起构成对市电电源提供的供电来说起变频机作用的电动发电机。应该指出的是，这里分别通过调节发电机G的激磁和调节电动机M转速可以调节电动发电机的输出电压和输出频率。此外，电动发电机的输出容量是按照能给感应电炉提供所需最大功率的输出容量值而确定的。

另外，图6A中，SW₁和SW₂分别表示电磁接触器之类的开关，CLR表示限流电阻器，T_R2表示带抽头的变压器，C_B和L_B分别表示电容器和电抗器，供相平衡之用，12表示感应电炉设施，上述单相线圈7和上述各种供电附属元件即在感应电炉设施12中组装在一起。

这就是说，图6A示出的低频感应电炉供电系统的基本电路结构采用由原动机E和三相交流发电机G₃组成的发电设备作为其专用电源，其频率通常取50/60赫的市电频率。

应该指出的是，改善功率因数电容器Cp只简单地与单相线圈7并联连接，它系设计得使其可以使两个元件的合成功率因数等于或接近1，并使其合成特性起电阻元件的作用。单相线圈7与电容器Cp之间的并联连接（这样这两个元件就象电阻元件一样配置）连同相平衡电容器C_B和电抗器L_B一起，构成相平衡格雷伯（Grebor）电路，从三相电源供电给单相电阻负荷时，它用以供平衡电源侧各相上的负荷之用。此外，在上述单相线圈本身的电阻部分和功率因数按上述感应电炉的负荷状态而变化的情况下，为如上述那样平衡三相电源侧上各相之间的负荷，可以通过控制一个根据未在图中示出的功率因数和相平衡控制器的指令而动作的开关器的通、断，按预定的关系来改变和控制Cp、C_B和L_B各元件的相应值。

此外，感应电炉所需用的加热功率（这是经单相线圈7输入的）实质上按感应电炉的操作情况（例如加热、熔化和热量保持）而变化。应加到上述单相线圈的电压，其改变和控制则是根据其所要求功率的变化情况而改变变压器T_R2的抽头来进行的，电压的调节范围达例如额定电压的20%至100%左右。

另外，为控制改变变压器各抽头的过程中主电路的瞬时过电流，按预定的次序进行下列程序：在开关SW₁打开的情况下，合上开关SW₂，从而将限流电阻器CLR插入主电路中;主电路电流的瞬时过电流状态结束 之后，合上开关SW₁，短接该限流电阻器;接着打开开关SW₂，解除限流电阻器的并联状态。

其次，图6B中，T_R3表示整流器的变压器;REC表示整流电路，该电路由多个受到相位控制的整流元件组成，因而其输出的直流电压可以连续地加以调节;DCL表示滤波用的直流电抗器;INV表示用作变频器的变换器;T_R4表示匹配变压器;Cp表示单相线圈7的改善功率因数电容器;13为感应电炉设施，上述单相线圈7和上述各种供电附属元件即在感应电路设施13中组装在一起。

这就是说，图6B所示的供电系统采用原动机E和三相交流发电机G₃组成的发电设备作为其专用电源，系统中供到感应电炉的电能通过其输出分别连续可调的变压电路和变频电路而连续地加以调节。这种供电系统通常供高频感应电炉使用。

应该指出的是，就结构方面而论，图6B中所示的供电系统相当于这样一种系统，其中由图5中的电动机M和高频单相交流发电机G₁组成的电动发电机设备被可调输出范围更广的固定型（stationay type）电压/频率变换电路所代替。至于其供电电压的相数，可采用三相或单相。

感应电炉的运行情况多种多样，因而通常要求其所需的加热功率具有极宽的调节范围，因此感应电炉的电源电压和频率最好能控制得使其可在很宽的范围内平稳地连续加以调节。

然而，象上面所述的各种传统的感应电炉供电系统分别存在下列问题。

首先，就图4A和4B所示的供电系统而论，有关的感应电炉只局限于市电频率适用的低频电炉。此外，一个与图6A所示供电系统同样的问题是，若图4A和4B所示的感应电炉设施10其结构与图6A中感应电炉设施的类似，则改变感应电炉的加热功率就要通过改变变压器T_R2的抽头而分级进行，因此，要微量调节加热功率势必受到限制。

此外，感应电炉作为其电源的单相负荷，且在电源是三相交流电源的情况下，为抑制因电源加到单相负荷使得相间负荷不平衡从而导致负相序分量的产生，就需要配备相平衡装置。因此，就需要有下列各元件：大容量的功率因数改善电容器Cp，用以校正低功率因数的单相线圈7的滞后的功率因数;电容器C_B和电抗器L_B，供相平衡之用;多个开关及其开关控制器，用于使上述元件C_P、C_B和L_B可根据预定的关系连续加以调节，这些元件实际上根据感应电炉的运行情况分别按它们的单元数量步级式地组合而进行配置。因此，供电系统的结构必然复杂而庞大。

此外，由于主电路的断开和接通是为借助于变压器T_R2对具有象C_P和C那样的大容量电容器的供电系统的供电电压进行变压而进行的，因而主电路在没有采取任何措施的状态下接通时流入的冲击电流变得特别大，即达到其额定电流的15至18倍。因此，要控制过电流就需要配备由开关SW₁和SW₂、限流电阻器CLR等组成的如图6A所示的过流控制装置。与此同时，在三相交流发电机G₃的容量方面，为减小控制之后由于过电流所引起的压降并吸收因相间负荷不平衡的残留分量引起的负相序分量，其额定容量必须取其所需负荷容量的1.5倍。这样，交流发电机的体积就非常庞大，供电系统的结构也更加复杂。

其次，就图5所示的供电系统而论，由于单相交流发电机G₁是供作为单相负荷的感应电路用的，因而供电系统的结构大大地简化了，但发电机的体积就比同样容量的三相交流发电机大得多。因此，当发电机的容量能给感应电炉提供需要的最大的功率时，这个发电机必然非常不经济。此外，供电系统从根本上是采用上述市电电源作为其专用电源，因此在市电电源出故障时必然不能工作。

另外，就图6B所示的供电系统而论，虽然其功能完善，但系统的结构复杂。再有，为防止各固定型变流器所产生的谐波传到电源侧，需要在象感应电炉设施13输入端那样的有效位置上设置（图中未示出的）谐 波滤波器。此外，还需要增加三相交流发电机G的容量，使其能吸收在所要求的负荷容量下因上述谐波引起的等效负相序分量。这样，发电机的体积大是不可避免的了。

如上所述，在现行通用的感应电炉供电系统中，迄今在其功能和供电系统的结构方面还没有一个在体积、安装占地面积、价格等的组合上达到最佳状态的系统，它们不是有这样的缺点就是有那样的缺点。

鉴于以上所述的一切，本发明的目的是提供一种在结构上能加以简化，在造价上能加以缩减的感应电炉供电系统，具体的作法是采用一种发电设备作为感应电炉的专用电源，其中采用柴油机之类作为原动机来驱动发电设备中的交流发电机，这样就可以增强供电设施而不致提高用户方面的规定功率。

为达到上述目的，本发明的感应电炉供电系统是一种将所需的加热功率经过装在感应电炉炉体内的单相线圈加到感应电炉炉体内待加热的金属上的感应电炉供电系统，该系统中采用一个发电设备作为与市电电源无关的专用电源，该发电设备则由象柴油机之类的原动机和由原动机所驱动的交流发电机组成，并将电压值预定、频率与加热功率相应的交流电压直接加到单相线圈上。同时，待加到单相线圈的电压可用交流发电机的调压器连续加以调节，该电压的频率则可用原动机的调节速器连续地加以调节。此外，所提供的电压及其频率还可以用调压器和调速器按预定的相互关系连续地加以调节。再有，开始供电给单相线圈时，待加上去的电压及其频率可在预定的持续时间内从其预定的最小值按上述预定的相互关系按着一定的梯度而增加到其额定值。另外，在交流发电机为三相发电机的情况下，发电机的负相电阻值取相当于控制三相的各相位时最大负荷不平衡状态时的阻值。

如上所述，感应电炉工作时，对于供电电压及其频率的变化作适当控制，其目的是为了根据工作情况而改变待提供的功率。

在满足这个要求时，上述现行通用的感应电炉供电系统，无论是在采用市电电源作为感应电炉的供电电源或者采用发电机由象柴油机之类的原动机驱动的发电设备作为感应电炉供电电源的情况下，都在假设电源侧电压及其频率都固定到市电电压和市电频率的情况下而配备有各种变压装置和变频装置。这样，这两种装置的配备引起了各种问题。

在本发明中，原动机驱动装置的上述发电设备是作为感应电炉供电的专用电源而装设的，且供电电压及其频率可分别在发电机设备侧通过调节发电机的励磁和调节原动机转速而连续地加以调节。因此不需要现行通用感应电炉供电系统的那种变压装置和变频装置。同时也不需要装设谐波滤波器来防止谐波外泄。

图1是本发明第一实施例的感应电炉供电系统图。

图2是本发明第二实施例的感应电炉供电系统图。

图3是交流发电机的输出电压/输出频率特性曲线图。

图4是现有技术第一实施例的感应电炉供电系统图。

图5是现有技术第二实施例的感应电炉供电系统图。

图6是现有技术第二实施例的感应电炉供电系统图。

下面参照图1和2分别所示的供电系统图说明本发明的第一和第二实施例。此外，图3示出了上述发电设备中的交流发电机的输出电压/输出频率特性曲线。应该指出的是，在图1和2中功用与图4至6的现有技术实施例图中相同的组成元件都用同样的编号和符号表示。

首先，图1中，1表示象柴油机之类的原动机，2是由原动机驱动的三相交流同步发电机，1a是自动调频机，用以根据该输出频率的设定值f_S自动调节与发电机的输出频率f有特定关系的原动机转速;2a是自动调压器，用以根据发电机2输出电压V的设定值V_S调节发电机2的励磁从而自动调节输出电压V;4是断路器;5是相位平衡器，由供相位平衡用的容器C_B和电抗器L_B和多个供改变该两个元件C_B和L_B的容量用的图中未 示出的开关等组成;7是单相线圈，装设在感应电炉的炉体上，供输入加热功率用;6是功率因数调节器，由改善单相线圈功率因数电容器Cp以及多个图中未示出的用以改变调节器容量的开关等组成。

应该指出的是，无论单相线圈本身的功率因数随感应电炉工作情况的变化如何波动，功率因数调节器都始终将电容器Cp和单相线圈7并联连接得出的总功率因数控制到1或1左右，从而使并联连接的合成特性其作用相当于一个等效电阻器。于是，包括上述并联连接（该并联连接系设定为一个等效电阻的状态）元件和元件C_B和L_B在内的三个元件，构成了一个三相负荷平衡格雷伯电路，该元件C_B和L_B的值则按与并联连接的等效电阻值的预定关系而确定。

如图1中所示，根据感应电炉所需要的加热功率确定的单相线圈7的供电电压，其大小及频率系在发电设备侧作为感应电炉的电源借助于上述自动调压器2a和自动调频机1a而连续地加以调节的。这样，就无需象现有技术那样改变变压器的抽头来改变供电电压，同时也避免了主电路因改变变压器抽头的操作而出现的过电流状态。因此，改变感应电炉加热功率的操作可以极其平稳地进行。此外，再也不需要由变压器和其改变抽头的操作电路等组成的变压装置以及变频装置，而且还缩小了交流发电机的体积。因此实质上可以简化感应电炉供电系统的结构，缩小该结构的大小。

其次，在图2中，将图1中的三相交流同步发电机2及其自动调压器2a改成单相交流同步发电机3及其自动调压器3a，同时取消了因此改变而不再需要的相平衡器5。感应电炉供电系统的特性与现有技术相比较变得与图1所示的三相供电系统的情况类似。

此外，图3所示的交流发电机的输出电压/输出频率特性曲线示出了图1和2中交流发电机可工作的范围，该特性曲线系调定得使其适合感应电炉所要求的工作范围。就是说，假设电压可调节的范围取最大电压 V_U与最小电压V_L之间的范围，频率的可调范围取最高频率f_U与最低频率f_L之间的范围，且取V/f比值恒定特性作为标准。这样，被（f_L，o）、（f_L、V_L）、（f_U、V_U）和（f_U，o）各点所包围的部位成了交流发电机可以运行的范围。应该指出的是，上述的频率可调节范围被作为原动机对应于该频率的可调转速范围而控制原动机的工作情况。

此外，上述交流发电机的各额定值系选取得使其以最理想的状态去适应上述四个点所包围的工作范围。因此，在工作范围以外工作时，需要按工作情况给各额定值留有余地。

按照本发明，在经过装在感应电炉炉体中的单相线圈将所需要的加热功率加到感应电炉炉体中待加热的金属的感应电炉供电系统中，采用了交流发电机由象柴油机之类的原动机驱动的发电设备作为与市电电源无关的专用电源，同时将电压值预定、频率对应于加热功率的交流电压直接加到单相线圈上。此外，待加到单相线圈的功率及其频率系设计得使其能根据预定的相互关系连续地加以调节，或者在功率开始加到所述单相线圈时，使供电电压及其频率在预定的持续时间内根据该预定的相互关系从其预定的最小值按一定的梯度增加到其额定值。这样就可以根据感应电炉的工作情况下发电设备侧连续控制供电电压及其频率。这样就不需要象抽头变压器及其附件之类的变压装置和象变频器或电动发电机之类的变频装置，从而实质上简化了感应电炉供电系统的结构并缩小了该结构的大小，从而大大缩小了所要求的安装空间，而且总的说来降低了所要求设备的造价。同时还可以通过上述那样连续调节供电电压而平稳地改变感应电炉所需要的功率，并完全避免现行通用的供电系统中主电路因按步级改变供电电压而出现的过电流瞬时状态，从而有可能提高感应电炉操作的安全性和平稳性。此外，鉴于上述发电设备与市电电源分开，且作为感应电炉的专用电源，因而可以增强有关设施而无需增加用户侧的限定功率，而且可以提高感应电炉设施安装方面的自由度。

Claims (7)

1、一种感应电炉的供电系统，用以通过装设在感应电炉中的单相线圈将所需要的加热功率加到感应电炉中待加热的金属中，其特征在于，所述系统包括：

一个发电设备，具有原动机和由所述原动机驱动的交流发电机，用以产生所述交流电源，所述发电设备用作与市电电源无关的专用电源，

其中，电压和频率预定且对应于加热功率的所述交流电源直接加到所述单相线圈上。

2、根据权利要求1所述的感应电炉供电系统，其特征在于，所述交流发电机还具有一个调压器，供调节待加到所述单相线圈上的交流电压，使其可连续地加以调节。

3、根据权利要求1所述的感应电炉供电系统，其特征在于，所述原动机还具有一个调速器，供调节待加到所述单相线圈的电压的频率，从而使其可连续地加以调节。

4、根据权利要求1所述的感应电炉供电系统，其特征在于，它还包括：

供所述交流发电机用的调压器，用以调节待加到所述单相线圈上的交流电压，使其可连续地加以调节;和

供所述原动机用的调速器，用以调节待加到所述相线圈的电压的频率，从而使其可连续加以调节;

其中，可以根据预定的相互关系，用所述调压器和调速器连续地调节待加到所述单相线圈的电压及其频率。

5、根据权利要求4所述的感应电炉供电系统，其特征在于，在开始供电给所述单相线圈时，供电电压及其频率可根据预定的相互关系在预定的持续时间从其预定的最小值以一定的梯度增加到其额定值。

6、根据权利要求1所述的感应电炉供电系统，其特征在于，当所述交流发电机是三相发电机时，所述发电机的负相电阻值取与控制三相的各相时的最大负荷不平衡状态应相的值。

7、根据权利要求1所述的感应电炉供电系统，其特征在于，所述原动机是内燃机。

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