中频感应加热节能技术在锻造生产线中的应用

文／余国平，徐皓·安徽安簧机械股份有限公司

中频感应加热节能技术在锻造生产线中的应用

文／余国平，徐皓·安徽安簧机械股份有限公司

余国平，副总工程师，承担节能、重点新产品、生产线技术改造等6项国家项目和多项省市技术攻关、技术创新、技术改造项目，获国家专利4项(其中发明专利1项)、省科技成果奖4项、市级科技进步奖3项。

锻造行业作为机械工业的基础行业，一直存在高能耗问题。中频感应加热炉的控制电源是一种将工频50Hz交流电转变为中频(300～20000Hz)的电源装置，把三相工频交流电整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频电流供给电容和感应线圈，中频交变电流在感应线圈中产生高密度的磁力线并切割感应线圈里盛放的金属材料，在金属材料中产生涡流从而产生大量的热量。

中频感应加热炉是一种耗电量较大的加热设备，通过配备专用变压器，可在实际生产应用中节约电能10%左右。通过配备专用谐波治理装置，可实现无功补偿、提高功率因数、净化电网污染的目的。

降低能耗、减少污染、应用新工艺技术、进行装备改造和淘汰现有高能耗设备是我国锻造行业技术改造的重点，我公司针对锻件坯料800kW/1000Hz中频感应加热炉的高能耗问题，研究了中频感应加热节能技术，并将其应用到现有锻造生产线的坯料加热工序，取得了良好的效果。

节能技术方案分析

变压节能技术

通过铜损的计算公式PCu＝I2RCut分析，电源的输出功率是一定的，若电压升高，则电流I就会相应减小，而铜管的规格是不变的，即阻值RCu为恒定，故若电压升高，铜损PCu就会下降。中频感应加热炉通过配备专用变压器，在实际生产应用中节约了10%左右的电能。

专用谐波治理节能技术

中频感应加热炉在工作时产生高次谐波电流，造成电网母线电压畸变，当超过一定极限值时，电压畸变将加剧可控硅触发角的不对称，使可控硅整流装置的非正常谐波电流含量增大，导致电气设备过热、产生振动和噪声，并使其绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电网局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。谐波会造成对电网的污染，并对所有用户造成严重危害。根据国标GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》要求，此谐波必须进行治理。

传统的治理方法是装设滤波器(交流滤波装置)，即电抗器与电容器组成的LC串联回路，并联于供电系统中，在电网母线上设立数个不同谐振频率的单调谐波支路和高通滤波支路，这样能滤除大部分谐波。但传统的无功补偿装置由于不能完全抵抗并消除谐波的干扰，且存在短时间内烧保险、爆电容等安全隐患，因此不能长时间正常使用。

图1 新型谐波治理装置的工作原理图

新型谐波治理装置是由LC回路组成的调谐式无源滤波装置，采用智能自动控制，既能治理谐波又能补偿无功功率，并可实时综合补偿谐波、进行无功电压波动治理等。该装置可以提高电网功率因数，调节稳定电压，提高供电质量和供配电设备的安全性，还可降低母线电流，使用户的线损降低，提高配电变压器的承载效率。

新型谐波治理装置的工作原理图如图1所示。

滤波参数配置见表1，535V额定电压计算值见表2，660V额定电压计算值见表3。

新型谐波治理装置投入运行后，能消除如5、7、11次等特征性谐波，滤波效果明显，对改善中频感应加热炉加热过程中冲击负载引起的电流冲击、减少电压波动、提高电压及波形稳定性都有明显的作用，用电质量得到明显改善。中频感应加热炉加热过程中负荷有大有小，滤波装置可分成若干组，用智能控制器根据负荷无功功率的变化自动跟踪、快速投切，实现实时自动补偿，确保运行稳定可靠。经谐波治理后，功率因数从0.79最高可提高到0.95。

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表1 滤波参数配置

表2 535V额定电压计算值

主要电气元件的选择方案分析

新型谐波治理装置的主要元器件有滤波电容器、滤波电抗器和电容器投切开关。

滤波电容器

改造前，使用的是自愈式金属化膜电容器。金属化膜电容器的优点是价格便宜、体积小，缺点是不耐过载电压、过热等而导致金属化膜损坏。虽然金属化膜具有较强的自愈功能，但自愈后电容器的容量会发生改变，这会使滤波装置调谐频率失谐，从而导致滤波效果变差，甚至还会放大谐波，引起系统谐振，使电网运行处于不可控制的状态。中频感应加热炉在工作时会产生大量的5、7、11次等特征性谐波电流，5次谐波电流含量达20%～30%，7次谐波电流含量达12%～15%，11次谐波电流含量达8%～10%，而普通的自愈式金属化膜电容器过载电流倍数低，一般在1.1～1.3倍之间，当谐波电流过大时，电容器容易因为过电流而造成损坏。因此，本项目决定不选择使用金属化膜电容器，而是对现有生产线的谐波装置进行相应的技术改造。

表3 660V额定电压计算值

新型滤波电容器选用全膜介质(双膜)型，即二芳基乙烷浸渍的单相双套管电容器，其过载能力更强，可承受2倍过载电流；电容量稳定，在滤波装置中能有效、稳定地吸收谐波。应用效果证明，该电容器性能稳定，可靠性高。

滤波电抗器

滤波电抗器选用三相铁芯电抗器，电抗器采用国内先进的设计理念和制作工艺来制成，由我公司设计的制作工艺技术，解决了普通铁芯电抗器在滤波装置中的发热和噪声问题，电抗器温升在35℃左右，噪声≤50dB，噪声和温升均远低于国标中对电抗器的要求，且性能参数稳定可靠，电抗值可调。

电容器投切开关

电容器投入时会产生涌流，涌流的大小与线路阻抗有关，还与电容器投入时电容器与电源间的电压差有关。在极端的情况下，涌流可超过100倍的电容器额定电流，这会对电容器的寿命产生很大的影响，而且还会对电网产生干扰。电容器投切开关选用专用的真空接触器，合闸涌流小，断弧能力好，运行稳定可靠。

改造前后的经济效益对比

改造前的2011年，锻造生产线的坯料加热工序全年用电量为2528万千瓦时，用电费为1997万元。改造后的2012年的综合效果叙述如下。

变压节能方面

经现有工艺能耗数据验证，通过变压节能改造，坯料的中频感应加热工序的耗电量减少了10%左右，坯料的中频感应加热工序的节电量、节电费及折合节约的标煤为：

专用谐波治理节能方面

水利电力部、国家物价局颁布的《功率因数调整电费办法》规定，以功率因数0.90为标准值的用电单位，功率因数在0.71～0.90时，每下降0.01增收用电单位当月电费总额的0.5%，在此区间最多可增收用电单位当月电费总额的9.5%。而当功率因数大于0.90时，每上升0.01减收用电单位当月电费总额的0.15%(当功率因数在0.95～1.00之间时，都统一减收用电单位当月电费总额的0.75%)，最高可减收用电单位当月电费总额的0.75%。锻造生产线的坯料中频感应加热工序年缴纳电费按1997万元计算，改造前每个月平均的功率因数是0.79，改造后每个月平均的功率因数是0.93，则仅此部分一年便可节约费用1997万元×5.5%＋1997万元×90%×0.45%＝117.92万元。

结束语

通过以上两项节能技术改造，每年新增效益317.62万元，节电252.8万千瓦时，折合节约标准煤799.45t，取得了显著的节能效果，并且满足供电网安全运行要求。