Kernstromversorgungsanforderungen für Hochfrequenz-Schmelzöfen

Das Netzteil für einen Hochfrequenz-Schmelzofen (oft als "Mittelfrequenz-Netzteil" oder "Frequenzumwandlungs-Netzteil" bezeichnet) ist nicht nur eine einfache Stromversorgung, sondern ein komplettes System zur Umwandlung und Steuerung elektrischer Energie. Seine Anforderungen lassen sich in den folgenden Schlüsselbereichen zusammenfassen:

1. Leistungs- und Kapazitätsanforderungen

• Ausreichende Nennleistung: Die Nennleistung (Kilowatt, kW) des Netzteils muss zur Ofenkapazität (Kilogramm pro Schmelze) und zur erforderlichen Schmelzgeschwindigkeit (Kilogramm pro Stunde) passen.

  • Faustregel: Typischerweise ist eine Konfiguration von 300-500 kW pro Tonne für eine angemessene Schmelzgeschwindigkeit erforderlich. Beispielsweise benötigt ein 500 kg Ofen in der Regel ein 150 kW bis 250 kW Netzteil.

  • Unzureichende Leistung führt zu sehr langsamen Schmelzgeschwindigkeiten, geringer Produktionseffizienz und erhöhtem Energieverbrauch pro Einheit.

• Leistungsregelung: Das Netzteil sollte einen weiten Bereich und eine reibungslose Leistungsregelung bieten.

  • Anlaufphase: Geringere Leistung ist erforderlich, um übermäßige elektromagnetische Krafteinwirkung auf das kalte Gut zu verhindern und die Ofenauskleidung zu schützen.

  • Schmelzphase: Volllastbetrieb für schnelles Schmelzen.

  • Halte-/Raffinationsphase: Reduzierte Leistung ist für eine präzise Temperaturregelung erforderlich.

2. Frequenzanforderungen

• Frequenzauswahl ist entscheidend: Die Ausgangsfrequenz (Hertz, Hz) des Netzteils beeinflusst direkt den "Rühreffekt" und den thermischen Wirkungsgrad des Schmelzens.

  • Hohe Frequenz (typischerweise 1 kHz - 10 kHz):

    • Vorteile: Starker Skineffekt, schnelle Aufheizgeschwindigkeit, besonders geeignet für Öfen mit geringer Kapazität (<500 kg) und das Schmelzen von hochohmigen Materialien (z. B. Gold, Silber, Kupfer, Eisen-Chrom-Aluminium). Hoher thermischer Wirkungsgrad.

    • Nachteile: Relativ schwache elektromagnetische Rührkraft.

  • Mittlere Frequenz (typischerweise 150 Hz - 1 kHz):

    • Vorteile: Starke elektromagnetische Rührkraft, förderlich für eine gleichmäßige Legierungszusammensetzung, Temperaturgleichmäßigkeit und Schlackenaufschwimmen. Geeignet für Öfen mit größerer Kapazität und das Schmelzen von Stahl, Eisen usw.

    • Nachteile: Geringfügig geringerer Heizwirkungsgrad im Vergleich zu hoher Frequenz bei kleinen Chargengrößen.

• Frequenzstabilität: Das Netzteil sollte eine stabile Ausgangsfrequenz während der Laständerungen (Ofenbeschickung) aufrechterhalten, um kontinuierliche Resonanzbedingungen und eine effiziente Energieübertragung zu gewährleisten.

3. Anforderungen an die Stromqualität und den Wirkungsgrad

• Hoher Leistungsumwandlungswirkungsgrad: Der inhärente Umwandlungswirkungsgrad (AC → DC → AC) des Netzteils selbst sollte so hoch wie möglich sein (typischerweise >95%), um Energieverluste während des Betriebs zu reduzieren.

• Hoher Leistungsfaktor: Moderne Hochfrequenz-Netzteile verwenden üblicherweise Kompensation mit Kondensatoren, um sicherzustellen, dass der Systemleistungsfaktor über 0,95 liegt. Dies reduziert nicht nur die Verluste durch Blindleistung und senkt die Leitungsbelastung, sondern vermeidet auch Strafen durch das Energieversorgungsunternehmen.

• Geringe Oberschwingungsverunreinigung: Gleichrichterschaltungen mit Thyristoren (SCRs) oder IGBTs erzeugen Oberschwingungen, die in das Netz zurückgespeist werden und andere Geräte beeinträchtigen können. Hochwertige Netzteile sollten mit Eingangsfiltergeräten ausgestattet sein oder Technologien wie 12-Puls-/24-Puls-Gleichrichtung verwenden, um strenge Netzanforderungen für Oberschwingungsverzerrungen (THD) zu erfüllen, wie z. B. die Einhaltung der IEEE 519 Standards.

4. Stabilitäts- und Schutzanforderungen

• Starke Lastanpassungsfähigkeit: Während des Schmelzprozesses ändern sich die Form, der Zustand und die elektromagnetischen Eigenschaften der Charge ständig. Das Netzteil muss den Resonanzzustand des Lastkreises automatisch verfolgen und aufrechterhalten, um eine stabile Leistungsausgabe zu gewährleisten.

• Umfassendes Schutzsystem: Das Netzteil muss über mehrere Schutzfunktionen verfügen, die den Grundstein für einen sicheren Betrieb bilden. Dazu gehören:

  • Überstromschutz: Verhindert Schäden an Leistungskomponenten durch Kurzschlüsse oder Überlastungen.

  • Überspannungsschutz: Schützt vor Netzschwankungen oder Betriebsüberspannungen.

  • Phasenausfallschutz: Verhindert den Betrieb des Netzteils bei fehlender Phase.

  • Wasserdruck-/Temperaturschutz: Verriegelt mit dem Kühlsystem, um sicherzustellen, dass Schlüsselkomponenten wie IGBTs, Kondensatoren und Spulen nicht durch Überhitzung beschädigt werden.

  • Lastkurzschluss-/Leerlaufschutz: Handhabt extreme Betriebsbedingungen.

5. Netzanforderungen

• Eingangsspannung: Abhängig vom Leistungspegel sind gängige Nennwerte 380V, 660V, 10kV usw. Das Netzteil sollte innerhalb eines Netzspannungsschwankungsbereichs von ±10% normal arbeiten.

• Netzkapazität: Die Transformatorleistung des Werks muss ausreichen, um den hohen Einschaltstrom beim Start und Betrieb des Schmelzofens zu bewältigen. Andernfalls kann dies zu einem starken Abfall der Netzspannung führen, der andere Geräte in derselben Leitung beeinträchtigt.

Kurzvergleich verschiedener Netzteiltypen

Praktische Checkliste für die Auswahl eines Netzteils

Bei der Auswahl oder Bewertung eines Netzteils für Ihren Schmelzofen sollten Sie die folgenden Fragen berücksichtigen:

• Produktionsbedürfnisse definieren:

  • Welches/welche Metall(e) werden hauptsächlich geschmolzen? Was ist ihr spezifischer Widerstand? (Bestimmt die Frequenzausrichtung)

  • Was ist die maximale Kapazität pro Schmelze? Was ist der Zielschmelzzyklus? (Bestimmt die Leistungsgröße)

• Netzteil-Leistung bewerten:

  • Erfüllen die Nennleistung und der Ausgangsfrequenzbereich des Netzteils meine Anforderungen?

  • Wie hoch sind der Wirkungsgrad und der Leistungsfaktor des Netzteils? (Wirkt sich direkt auf die Stromkosten aus)

  • Sind die erforderlichen Filtergeräte enthalten, um die Netzoberschwingungsstandards zu erfüllen?

• Schutz und Kompatibilität prüfen:

  • Sind die Schutzfunktionen umfassend (Überstrom, Überspannung, Wassertemperatur usw.)?

  • Ist das Netzteil mit meinem vorhandenen Ofenkörper (Spule, Kondensatoren) kompatibel?

  • Ist die Steuerschnittstelle benutzerfreundlich? Kann sie einfach in mein Produktionssystem integriert werden?

• Externe Bedingungen überprüfen:

  • Kann die Netzspannung und die Transformatorleistung meines Werks den Betrieb dieses Netzteils unterstützen?

  • Können die Qualität und der Durchfluss des Kühlwassersystems die Wärmeableitungsanforderungen des Netzteils erfüllen?

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Hochfrequenz-Schmelzofen von seinem Netzteil angemessene Leistung und Frequenz, einen extrem hohen Leistungsumwandlungswirkungsgrad, eine stabile Ausgangsleistung und umfassende, zuverlässige Schutzfunktionen benötigt. Die Wahl eines Netzteils, das perfekt zu Ihrem Produktionsprozess passt, ist der Schlüssel zu einem effizienten, energiesparenden, sicheren und wirtschaftlichen Betrieb. In modernen Anwendungen ist das IGBT-Mittelfrequenz-Netzteil aufgrund seiner hervorragenden Gesamtleistung zur bevorzugten Lösung für die meisten Szenarien geworden.