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感应加热设备的核心部分是变频电源,其中大功率感应加热装置以晶闸管中频电源为主。中频电源的大型化一直是其主要发展趋势,为了使感应加热得到更广泛的应用,至少应制造出安全可靠的50-100兆瓦特大功率中频电源,使感应炉达到50吨至100吨的容量,这样感应加热的优势才能得以全面体现。
受功率半导体器件容量的制约,中频电源大型化是通过少量器件串并联达到合理单机容量的情况下,再多机并联的方式来实现的。恒流源特性决定了并联逆变中频电源更适宜多机并联。对于并联逆变晶闸管中频电源,无论是单机运行还是多机并联总是面临重负载下的启动问题,越大容量的电源,其对应的负载也越难于启动。因此,超大功率中频电源研制的根本困难就是解决50吨-100吨负载下,并联逆变晶闸管中频电源的启动问题。
大容量重负载条件下并联逆变器的启动困难可以归结为谐振系统的阻尼问题。欠阻尼条件下,负载电阻越小,振荡衰减越剧烈,电源越难于启动。感应炉负载可以简单地通过增加感应线圈匝数来增加等效电阻,使电源易于启动,但受欧姆定理限制,大电阻下设备要达到足够的功率就必须增加设备的电压。受器件耐压以及安全性的制约,并联逆变中频电源功率无法进一步提高。
我们提出一种频率预追踪多外桥转内桥的启动技术,基于该技术制造了由两台750kW并联逆变中频电源单机组成的1500kW中频电源启动试验机组,成功进行了感应炉冻炉负载、反应釜负载和氧气瓶负载的低压启动试验。
3种负载的启动试验充分证明了频率预追踪多外桥转内桥启动方案的重负载启动能力。其中,反应釜负载的各项设计完全可以等效为实际45吨感应熔炼炉炉体负载或者45吨超大型工件的透热负载。而氧气瓶负载的直流等效电阻仅为0.04Ω,这意味着以现有中频电源的耐压水平(直流电压2000V),理论上设备的输出功率可以达到100MW。该项启动技术可以使感应加热在功率和容量上与电弧加热相接近,感应加热的应用领域将得到极大拓展。