吳永橋，楊俊超，馬 營(yíng)，顏廷廣，孔祥兵，何 萌

(山東圣陽(yáng)電源股份有限公司，山東 曲阜 273100)

1 概述

2012年5月11日，工業(yè)和信息化部、環(huán)境保護(hù)部發(fā)布《鉛蓄電池行業(yè)準(zhǔn)入條件》，要求“采用重力澆鑄板柵工藝，應(yīng)實(shí)現(xiàn)集中供鉛”。因此，鉛酸蓄電池行業(yè)出現(xiàn)了“一鍋多機(jī)、集中供鉛” 式的板柵制造設(shè)備，該供鉛方式的熔鉛爐和輸鉛管大多采用傳統(tǒng)的加熱方式，即：熔鉛爐采用L型電加熱管的電阻加熱方式，輸鉛管采用電阻式加熱管加熱或大功率低壓變壓器短路加熱的方式。

通過(guò)長(zhǎng)期使用發(fā)現(xiàn)，板柵制造設(shè)備中熔鉛爐和輸鉛管的傳統(tǒng)加熱方式存在能耗高、故障率高、維修成本高、廢渣率高、維修不方便和存在職防安全隱患的弊端。

針對(duì)傳統(tǒng)加熱方式的弊端，本文提出，在蓄電池板柵生產(chǎn)線引入全數(shù)字大功率IGBT電磁加熱的技術(shù)，可以有效降低能耗、提高加熱效率和維修便捷性、減少材料燒損、降低故障率和維修成本。

2 電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的使用背景和基本原理及IGBT模塊

2.1 使用背景

電磁感應(yīng)加熱技術(shù)自上世紀(jì)70年代在我國(guó)得到應(yīng)用實(shí)踐以來(lái),逐漸在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用,特別是在冶金、機(jī)械、電力、鐵道、交通和國(guó)防工業(yè)等部門(mén)得到比較多的應(yīng)用,并日趨成熟[1][3]。2010年，蓄電池行業(yè)首先把大功率IGBT模塊應(yīng)用在充放電設(shè)備上，獲得巨大成功，使直流母排式充放電機(jī)在業(yè)內(nèi)得以廣泛的推廣。山特瑞聊城電子技術(shù)有限公司和浙江湖州盛強(qiáng)機(jī)械科技有限公司均推出IGBT電磁加熱電源替換可控硅控制電源并開(kāi)始研發(fā)電磁加熱熔鉛爐。它所加熱的對(duì)象，一般是導(dǎo)電的金屬材料，因此它的加熱具有良好的選擇性。正是由于它的這種選擇性,在一些特殊場(chǎng)合，有著其他加熱方式不可替代的優(yōu)越性[4]。

2.2 基本原理

所謂“電磁感應(yīng)加熱技術(shù)”, 加熱電源產(chǎn)生的交變電流通過(guò)感應(yīng)器(即線圈)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，導(dǎo)磁性物體置于其中切割交變磁力線，從而在物體內(nèi)部產(chǎn)生交變的電流(即渦流)，渦流使物體內(nèi)部的原子高速無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，原子相互碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能所實(shí)施的渦流加熱技術(shù)。即是通過(guò)把電能轉(zhuǎn)化為磁能，使被加熱的鋼體感應(yīng)到磁能而發(fā)熱的一種加熱方式，這種加熱方式從根本上解決了電阻加熱效率低的問(wèn)題。其原理見(jiàn)圖1。

圖1 電磁感應(yīng)加熱原理圖Fig .1 Electromagnetic induction heating technology principles graph

2.3 IGBT模塊

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。IGBT非常適合應(yīng)用于直流電壓為500V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

本文的應(yīng)用中，IGBT模塊采用從德國(guó)進(jìn)口的高端零部件，晶體管高頻電源的整流部分采用半橋整流，電感和電容濾波方式。

3 大功率IGBT高頻整流電磁加熱方式的優(yōu)點(diǎn)

(1)直流電壓始終工作在500V，不需調(diào)導(dǎo)通角，因此具有不產(chǎn)生高次諧波、不污染電網(wǎng)、變壓器和開(kāi)關(guān)不發(fā)熱，不干擾工廠內(nèi)其它電子設(shè)備運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)。

(2)恒功率輸出： IGBT晶體管高頻電源采用調(diào)頻調(diào)功，不受爐內(nèi)鉛料多少和爐襯厚薄的影響，在整個(gè)熔煉過(guò)程中保持恒功率輸出，因此具有熔化速度快、加熱效率高、爐料元素?zé)龘p少的優(yōu)點(diǎn)。

4 電磁感應(yīng)加熱在熔鉛爐與輸鉛管中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

4.1 在熔鉛爐中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

采用圓形截面的熔鉛爐。 因當(dāng)截面積和其它形狀的截面積相同時(shí)，圓形截面具有最小的周長(zhǎng)，因此圓形截面與空氣接觸小，爐料元素?zé)龘p少。

4.2 在熔鉛爐中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

輸鉛管是由鐵質(zhì)材料制成，線圈纏繞在保溫層外邊，與鉛爐加熱原理相同，同屬內(nèi)加熱，加熱時(shí)外部與室溫基本相當(dāng)。

4.3 感應(yīng)線圈固定設(shè)計(jì)

將感應(yīng)線圈通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)和爐子的底座、外殼或者輸鉛管剛性連接在一起，以方便鐵質(zhì)坩堝或輸鉛管破損后更換。保溫棉的厚4-5cm，線圈直接纏繞在保溫層的外側(cè)再用固定材料支撐。

5 電磁感應(yīng)加熱與電阻加熱兩種方式的對(duì)比

5.1 不同加熱方式在熔鉛爐應(yīng)用中的對(duì)比

5.1.1 電阻加熱

行業(yè)中原來(lái)的熔鉛爐大多采用長(zhǎng)方體設(shè)計(jì)、電阻加熱方式(如圖2所示)：將電熱管插到鉛液里，直接對(duì)鉛加熱，外部采用隔熱層保溫。這種結(jié)構(gòu)和加熱方式的優(yōu)點(diǎn)是加熱效率很高；但存在如下缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：(1)方形設(shè)計(jì)焊縫較多、故障率較高，需要經(jīng)常維護(hù)；(2)隔熱效果不是很好，熱量損失較大且耗電量大；(3)電熱管故障后必須在高溫狀態(tài)下取出和放入，存在安全和職防隱患；(4)爐料損失大，出渣率高，增加材料損耗成本。

5.1.2 IGBT大功率電磁加熱

IGBT感應(yīng)加熱，爐體由鐵質(zhì)材料制成、采用圓形設(shè)計(jì)，加熱線圈纏繞在隔熱層外面(如圖3所示)，電磁感應(yīng)對(duì)爐體加熱，再由爐體傳導(dǎo)給爐內(nèi)的電解鉛，達(dá)到熔鉛的目的。這種結(jié)構(gòu)和加熱方式具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)圓形設(shè)計(jì)，焊縫較少，因此壽命長(zhǎng)且維護(hù)少；(2)隔熱材料緊緊地包圍在爐體的周?chē)?，隔熱效果很好，熱量損失小，因此加熱效率高且耗電量??；(3)爐口與空氣接觸面積小，因此爐料損失小，出渣率低，從而降低材料損耗成本。

圖2 電阻加熱示意圖Fig .2 Diagram of the resistance heating

圖3 電磁加熱示意圖Fig.3 Diagram of the electromagnetic heating

5.2 不同加熱方式在輸鉛管應(yīng)用中的對(duì)比

5.2.1 電阻加熱

行業(yè)中采用電阻加熱的輸鉛管是將電熱管緊貼在輸鉛管外面，再用保溫材料將電熱管和輸鉛管包扎在一起，電熱管單邊給輸鉛管加熱，然后由輸鉛管傳導(dǎo)給鉛液(如圖4所示)，因此存在干燒現(xiàn)象，具有如下缺點(diǎn)：(1)電熱管外壁高溫氧化快，導(dǎo)致壽命短，增加維修頻次和成本；(2)維修時(shí)必須停電和降溫后才能進(jìn)行，增加停機(jī)時(shí)間；(3)保溫層外部測(cè)量高達(dá)120 ℃，熱能量損失嚴(yán)重，耗能較高。

5.2.2 大功率低壓變壓器短路加熱

這種加熱方式雖然初期使用時(shí)加熱溫度均勻，維修量小，但存在如下缺點(diǎn)：(1)維修使用時(shí)隔離不徹底，導(dǎo)致漏電、冒火花等情況，最終導(dǎo)致功率下降；(2)輸鉛管與鉛勺合金成份燒損嚴(yán)重；(3)雖有保溫，但熱量損失嚴(yán)重。

5.2.3 電磁感應(yīng)加熱

輸鉛管由鐵質(zhì)材料制成，線圈纏繞在保溫層外邊(如圖5所示)，與鉛爐加熱原理相同，同屬內(nèi)加熱，加熱時(shí)外部與室溫基本相當(dāng)。因此具有壽命長(zhǎng)且維護(hù)少、隔熱效果好、熱量損失小、維修量小且安全、便捷等優(yōu)點(diǎn)。

圖4 電阻加熱式輸鉛管Fig.4 Resistance heating type delivery lead pipe

圖5 電磁加熱式輸鉛管Fig.5 The electromagnetic heating type delivery lead pip

6 電阻加熱和IGBT電磁加熱經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

表1 給出了兩種加熱方式經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比(一鍋八機(jī))Table 1 Comparison of economic benefits of twoheating methods (one pot with eight casting machines)

通過(guò)上表中數(shù)據(jù)對(duì)比，可以得出如下結(jié)論：

(1)電費(fèi)月節(jié)約：(97830-76320)×0.75元/kWh=16132元；

(2)鉛渣月減少：(12000-9540) ×9.2元/kg=22632元；

(3)(鉛渣+電費(fèi))年節(jié)?。?16132+22632)×12=465174元；

(4)維護(hù)費(fèi)用節(jié)?。?0000-5000=35000元/年；

(5)除渣劑費(fèi)用節(jié)省：30000-15000=15000元/年；

總費(fèi)用年節(jié)支：465174 +35000 +15000 =515174元。

7 結(jié)論

通過(guò)將電阻加熱、大功率低壓變壓器短路加熱和IGBT電磁感應(yīng)加熱三種加熱方式對(duì)比，可以得出如下結(jié)論：

(1)IGBT電磁感應(yīng)加熱是一種高效節(jié)能、快速內(nèi)熱的加熱方式，具有加熱效率高、預(yù)熱時(shí)間比電阻加熱方式短、節(jié)約電能消耗的優(yōu)點(diǎn)。

(2)采用IGBT加熱方式的熔鉛爐，采用圓形截面設(shè)計(jì)，鍋口表面積小，接觸空氣少，具有上中下溫度恒定(500℃)、表面的鉛完全融化且不易結(jié)塊、減少除渣劑使用的優(yōu)點(diǎn)。

(3)控制主機(jī)采用先進(jìn)的工業(yè)用機(jī)板，微電子控制，多路智能閉環(huán)系統(tǒng)和完善的保護(hù)功能，有效避免了主機(jī)老化現(xiàn)象，可充分保證設(shè)備長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

(4)電磁感應(yīng)加熱方式，設(shè)備表面常溫，大大改善了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的高溫工作環(huán)境，提高工人生產(chǎn)積極性，減少了傳統(tǒng)的降溫設(shè)施費(fèi)用。

[1] 杜錦才, 王曉平. 電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在包裝工程中的應(yīng)用[J]. 包裝工程, 2005, 26(5):21-23.

[2] 李慶標(biāo). 包裝工程中電磁感應(yīng)電加熱技術(shù)應(yīng)用[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2014(26):102.

[3] 楊思俊, 朱伯年. 晶閘管中頻電源基本知識(shí)[M].杭州: 浙江科學(xué)技術(shù)出版社, 1989.

[4] 杜錦才. 多感應(yīng)器聯(lián)合運(yùn)行是工件溫度均衡性研究[J].金屬熱處理, 2000(10):22-24.

[5] 朱松然. 蓄電池手冊(cè)[M]. 天津: 天津大學(xué)出版社, 1998.

[6] 劉銘欽，劉永豐. 固態(tài)超高頻電源在銅管焊接中的應(yīng)用[J]. 焊管, 2008, 31(6):56-59.

[7] 羅波, 吳希剛, 何曙光, 等. 中頻感應(yīng)加熱在鍛造中的節(jié)能應(yīng)用[J]. 電世界, 2015, 56(1):34-35.