Requisiti Fondamentali dell'Alimentazione Elettrica per Forni di Fusione ad Alta Frequenza

L'alimentatore per un forno di fusione ad alta frequenza (spesso chiamato "Alimentatore a Media Frequenza" o "Alimentatore a Conversione di Frequenza") non è solo una semplice unità di alimentazione, ma un completo sistema di conversione e controllo dell'energia elettrica. I suoi requisiti possono essere riassunti nelle seguenti aree chiave:

1. Requisiti di potenza e capacità

• Potenza nominale sufficiente: La potenza nominale dell'alimentatore (chilowatt, kW) deve corrispondere alla capacità del forno (chilogrammi per ciclo) e alla velocità di fusione richiesta (chilogrammi all'ora).

  • Regola empirica: Tipicamente, è necessaria una configurazione di 300-500 kW per tonnellata per una velocità di fusione ragionevole. Ad esempio, un forno da 500 kg di solito richiede un alimentatore da 150 kW a 250 kW.

  • Potenza insufficiente porta a velocità di fusione molto lente, bassa efficienza di produzione e aumento del consumo energetico per unità.

• Capacità di regolazione della potenza: L'alimentatore dovrebbe avere un'ampia gamma e una funzionalità di regolazione della potenza fluida.

  • Fase di avvio: È necessaria una potenza inferiore per prevenire un impatto eccessivo della forza elettromagnetica sulla carica fredda e per proteggere il rivestimento del forno.

  • Fase di fusione: Funzionamento a piena potenza per una fusione rapida.

  • Fase di mantenimento/raffinazione: È necessaria una potenza ridotta per un controllo preciso della temperatura.

2. Requisiti di frequenza

• La selezione della frequenza è fondamentale: La frequenza di uscita (Hertz, Hz) dell'alimentatore influisce direttamente sull'"effetto di agitazione" e sull'efficienza termica della fusione.

  • Alta frequenza (tipicamente 1 kHz - 10 kHz):

    • Vantaggi: Forte effetto pelle, velocità di riscaldamento rapida, particolarmente adatto per forni di piccola capacità (<500 kg) e per la fusione di materiali ad alta resistività (ad esempio, oro, argento, rame, ferro-cromo-alluminio). Alta efficienza termica.

    • Svantaggi: Forza di agitazione elettromagnetica relativamente debole.

  • Media frequenza (tipicamente 150 Hz - 1 kHz):

    • Vantaggi: Forte forza di agitazione elettromagnetica, favorevole alla composizione uniforme della lega, all'uniformità della temperatura e alla flottazione della scoria. Adatto per forni di capacità maggiore e per la fusione di acciaio, ferro, ecc.

    • Svantaggi: Efficienza di riscaldamento leggermente inferiore rispetto all'alta frequenza per piccole dimensioni di carica.

• Stabilità della frequenza: L'alimentatore deve mantenere una frequenza di uscita stabile durante i cambiamenti del carico (carica del forno) per garantire condizioni di risonanza continue e un efficiente trasferimento di energia.

3. Requisiti di qualità ed efficienza energetica

• Elevata efficienza di conversione della potenza: L'efficienza di conversione intrinseca (CA → CC → CA) dell'alimentatore stesso dovrebbe essere la più alta possibile (tipicamente >95%) per ridurre la perdita di energia durante il funzionamento.

• Alto fattore di potenza: Gli alimentatori ad alta frequenza moderni utilizzano comunemente la compensazione a condensatore per garantire che il fattore di potenza del sistema rimanga al di sopra di 0,95. Questo non solo riduce le perdite di potenza reattiva e abbassa il carico di linea, ma evita anche le penalità da parte della società di fornitura di energia.

• Basso inquinamento armonico: I circuiti raddrizzatori che utilizzano raddrizzatori controllati al silicio (SCR) o IGBT generano armoniche, che si riversano nella rete e possono influire su altre apparecchiature. Gli alimentatori di alta qualità dovrebbero essere dotati di dispositivi di filtraggio in ingresso o utilizzare tecnologie come la raddrizzazione a 12 impulsi/24 impulsi per soddisfare i severi requisiti di rete per la distorsione armonica (THD), come la conformità agli standard IEEE 519.

4. Requisiti di stabilità e protezione

• Forte adattabilità al carico: Durante il processo di fusione, la forma, lo stato e le caratteristiche elettromagnetiche della carica cambiano costantemente. L'alimentatore deve tracciare e mantenere automaticamente lo stato di risonanza del circuito di carico per garantire un'uscita di potenza stabile.

• Sistema di protezione completo: L'alimentatore deve avere molteplici funzioni di protezione, che sono la pietra angolare del funzionamento sicuro. Questi includono:

  • Protezione da sovracorrente: Previene danni ai componenti di alimentazione dovuti a cortocircuiti o sovraccarichi.

  • Protezione da sovratensione: Protegge dalle fluttuazioni della rete o dalle sovratensioni operative.

  • Protezione da perdita di fase: Impedisce all'alimentatore di funzionare con una fase mancante.

  • Protezione da pressione/temperatura dell'acqua: Interbloccato con il sistema di raffreddamento per garantire che i componenti chiave come IGBT, condensatori e bobine non vengano danneggiati dal surriscaldamento.

  • Protezione da cortocircuito/circuito aperto del carico: Gestisce condizioni operative estreme.

5. Requisiti di connessione alla rete

• Tensione di ingresso: A seconda del livello di potenza, i valori nominali comuni sono 380V, 660V, 10kV, ecc. L'alimentatore dovrebbe funzionare normalmente entro un intervallo di fluttuazione della tensione di rete di ±10%.

• Capacità della rete: La capacità del trasformatore di fabbrica deve essere sufficiente per resistere all'elevata corrente di spunto quando il forno di fusione si avvia e funziona. In caso contrario, può causare un forte calo della tensione di rete, che influisce su altre apparecchiature sulla stessa linea.

Breve confronto tra diversi tipi di alimentatori

Lista di controllo pratica per la selezione di un alimentatore

Quando si seleziona o si valuta un alimentatore per il proprio forno di fusione, considerare le seguenti domande:

• Definire le esigenze di produzione:

  • Quali metalli verranno fusi principalmente? Qual è la loro resistività? (Determina l'orientamento della frequenza)

  • Qual è la capacità massima per ciclo? Qual è il ciclo di fusione target? (Determina la dimensione della potenza)

• Valutare le prestazioni dell'alimentatore:

  • La potenza nominale e la gamma di frequenza di uscita dell'alimentatore soddisfano le mie esigenze?

  • Quali sono l'efficienza di conversione e il fattore di potenza dell'alimentatore? (Influisce direttamente sui costi dell'elettricità)

  • Sono incluse le apparecchiature di filtraggio necessarie per soddisfare gli standard armonici della rete?

• Verificare la protezione e la compatibilità:

  • Le funzioni di protezione sono complete (sovracorrente, sovratensione, temperatura dell'acqua, ecc.)?

  • L'alimentatore è compatibile con il mio corpo forno esistente (bobina, condensatori)?

  • L'interfaccia di controllo è intuitiva? Può essere facilmente integrata nel mio sistema di produzione?

• Verificare le condizioni esterne:

  • La tensione di rete e la capacità del trasformatore della mia fabbrica possono supportare il funzionamento di questo alimentatore?

  • La qualità e la portata del sistema di raffreddamento ad acqua soddisfano i requisiti di dissipazione del calore dell'alimentatore?

Conclusione

In sintesi, un forno di fusione ad alta frequenza richiede che il suo alimentatore abbia potenza e frequenza appropriate, un'efficienza di conversione della potenza estremamente elevata, prestazioni di uscita stabili e funzioni di protezione complete e affidabili. Scegliere un alimentatore che corrisponda perfettamente al proprio processo di produzione è fondamentale per ottenere un funzionamento efficiente, a risparmio energetico, sicuro ed economico. Nelle applicazioni moderne, l'Alimentatore a media frequenza IGBT è diventata la soluzione preferita per la maggior parte degli scenari grazie alle sue eccellenti prestazioni complessive.