晶闸管中频电源

工作原理

　　主电路原理

　　晶闸管中频电源将三相工频交流电整流为直流, 经电抗器平波后,成为一个恒定的直流电流源,再经单相逆变桥,把直流电 流逆变成一定频率的单相中频电流. 负载是由感应线圈和补偿电容器组成的. 联接成并联谐振电路.三相工频交流电(550V,三相四线制)送至本装置隔离开关的三个进 线端,自动空气开关 ZK 作为主回路的电源开关.电流检测采用电流互感器, 该电流信号被电流互感器及 5/0.1A 电流变换器二次转换后送到控制电路板 《KSRL.SCH》作为电流闭环信号和过电流保护信号.快速熔断器作为控制 电路失控时的短路保护.为了减少开关操作过电压及由 SCR 换相时产生的" 毛刺",在进线处设置了阻容滤波电路及压敏过电压吸收电路.

　　本装置采用三相桥式全控整流电路,可以获得较为平滑的电流波形,并且通过 脉冲移相,可实现拉逆变工作状态.三相全控桥式整流电路的工作原理从略.

　　2.控制电路原理

　　整个控制电路除逆变末级触发电路板外,做成一块印刷电路板结构,从功能上分 为 整 流触 发部 分, 调节 器 部分 ,逆 变部 分, 启 动演 算部 分. 详细 电 路 见 《KSRL.SCH 控制电路原理图》.

　　2.1 整流触发工作原理

　　这部分电路包括三相同步,数字触发,末级驱动等电路.触发部分采用的是数 字触发,具有可靠性高,精度高,调试容易等特点.数字触发器的特征是用计 (时钟脉冲)数的办法来实现移相,该数字触发器的时钟脉冲振荡器是一种电压 控制振荡器,输出脉冲频率受 α 移相控制电压 Vk 的控制,Vk 降低,则振荡频率 升高,而计数器的计数量是固定的(256),计数脉冲频率高,意味着计一定脉冲数 所需时间短,也即延时时间短,α 角减小,反之 α 角增大.计数器开始计数时刻 同样受同步信号控制,在 α=0°时开始计数.现假设在某 Vk 值时 , 根据压控 振荡器的控制电压与频率间的关系确定输出振荡频率为 25KHZ , 则在计数到 256 个脉冲所需的时间为 (1/50000)×256=10.2 (mS) ,相当于约 180°电角度,该触 发器的计数清零脉冲在同步电压(线电压)的 30°处,这相当于三相全控桥式整流 电路的 β=30°位置,从清零脉冲起,延时 10.2mS 产生的输出触发脉冲,接近于三 相桥式整流电路某一相晶闸管 α=150°的位置.如果需要得到准确的 α=150° 触发脉冲,可以略微调节一下电位器来实现.显然,有三套相同的触发电路,而压 控振荡器和 Vk 控制电压为公用.这样,在一个周期中产生 6 个相位差 60°的 触发脉冲.数字触发器的优点是工作稳定,特别是用 HTL 或 CMOS 数字集成电 路,则可以有很强的抗干扰能力.

　　调节器的输出信号到电压——频率转换器,其输出频率随调节器送来的输入电 压 VK 而线性变化.通过频率的变化来控制 a 角,达到调节功率第目的. 三相同步信号直接由晶闸管的门极引线从主回路的三相进线上取得, 由内部 IC 进行滤波及移相,再经 6 只光电耦合器进行电位隔离,获得 6 个相位互差 60 度,占空比略小于 50%的矩形波同步信号输出. 三相同步信号对计数器进行复位后,对电压——频率转换器的输出脉冲每计数 256 个脉冲便输出一个延时脉冲,因计数脉冲的频率是受 VK 控制的,换句话 说,VK 控制了触发脉冲的延时. 计数器输出的脉冲经隔离,微分后,变成窄脉冲,送到后级的 IC,它既有同步 分频器功能,亦有定输出脉宽的功能.输出的窄脉冲经电阻合成为双窄脉冲, 再经晶体管放大,驱动脉冲变压器输出.

　　2.2 调节器工作原理

　　调节器部分共设有四个调节器:中频电压调节器,电流调节器,阻抗调节器,逆 变角调节器.

　　其中电压调节器,电流调节器,组成常规的电流,电压双闭环系统,在启动和运 行的整个阶段, 电流环始终参与工作, 而电压环仅工作于运行阶段;另一阻抗调 节器,从输入上看,它与电流调节器的输入完全是并联的关系,区别仅在于阻抗调 节器的负反馈系数较电流调节器的略大,再者就是电流调节器的输出控制的是 整流桥的输出直流电压,而阻抗调节器的输出控制的是中频电压与直流电压的 比例关系,即逆变功率因数角.

　　调节器电路的工作过程可以分为两种情况:一种是在直流电压没有达到值 的时候,由于阻抗调节器的反馈系数略大,阻抗调节器的给定小于反馈,阻抗调节 器便工作于限幅状态,对应的为最小逆变 Θ 角,此时可以认为阻抗调节器不起作 用,系统完全是一个标准的电压,电流双闭环系统;另一种情况是直流电压已经 达到值,电流调节器开始限幅,不再起作用,电压调节器的输出增加,而反馈 电流却不变化,对阻抗调节器来说,当反馈电流信号比给定电流略小时,阻抗调节 器便退出限幅,开始工作,调节逆变角调节器的 Θ 角给定值,使输出的中频电压 增加,直流电流也随之增加,达到新的平衡.此时,就只有电压调节器与阻抗调节 器工作,R 的继续增大,直至到逆变 Θ 角. 逆变角调节器使逆变桥能在某一 Θ 角下稳定的工作.

　　2.3 逆变部分工作原理

　　本电路逆变触发部分,采用的是扫频式零压软起动,由于自动调频的需要,虽然逆 变电路采用的是自励工作方式,控制信号也是取自负载端,但是主回路上无需附 加起动电路,不需要预充磁或预充电的启动过程,因此,主回路得以简化,但随之 带来的问题是控制电路较为复杂. 起动过程大致是这样的,在逆变电路起动前,先以一个高于槽路谐振频率的它激 信号去触发逆变晶闸管,当电路检测到主回路直流电流时,便控制它激信号的频 率从高向低扫描,当它激信号频率下降到接近槽路谐振频率时,中频电压便建立 起来,并反馈到自动调频电路.自动调频电路一旦投入工作,便停止它激信号的 频率扫描,转由自动调频电路控制逆变引前角,使设备进入稳态运行.若一次起 动不成功,即自动调频电路没有抓住中频电压反馈信号,此时,它激信号便会一直 扫描到频率,重复起动电路一旦检测到它激信号进入频段,便进行一次 再起动,把它激信号再推到频率,重新扫描一次,直至起动成功.重复起动的 周期约为 0.5 秒钟,完成一次起动到满功率运行的时间不超过 1 秒钟.

　　2.4 启动演算工作原理

　　过电流保护信号送到过电流截止触发器,封锁触发脉冲(或拉逆变);驱动"过 流"指示灯亮和驱动报警继电器.过电流触发器动作后,只有通过复位或关机 后再开机进行"上电复位",方可再次运行.可调节电位器整定过流电平. 当三相交流输入缺相时,本控制板能对电源实现保护和指示.一旦出现"缺 相"故障时,除了封锁触发脉冲外,还驱动"缺相"指示灯及报警继电器. 为了使控制电路能够更可靠准确的运行,控制电路上还设置了启动定时器和控 制电源欠压检测保护.在开机的瞬间,控制电路的工作是不稳定的,设置一个 三秒钟左右的定时器,待定时后,才容许输出触发脉冲.若由于某种原因造成 控制板上直流供电电压过低,稳压器不能稳压,亦会使控制出错.设置一个欠 压检测电路,当 VCC 电压低于 12.5V 时便封锁触发脉冲,防止不正确的触发. 过电压截止触发器,封锁整流桥触发脉冲(或拉逆变);驱动"过压"指示灯亮 和驱动报警继电器.使过压保护振荡器起振,逆变桥直通保护.过电压触发器 动作后, 也象过流触发器一样,只有通过复位信号或通过关机后再开机进行"上 电复位",方可再次运行.可调节电位器整定过压电平. 偶尔的水压低,只要不超过 8S 控制系统可不作反应,中频电源不必停止.最 大限度地保证了中频电源工作的连续性.

应用

　　晶闸管中频电源采用中频感应加热技术常常能形成生产流水线或者自动线，提高产量和质量，因此这种感应加热技术已用于各种生产过程中，常见的如用于加工精密浇铸钢零件，不锈钢或合金钢的熔炼，真空熔炼，锻件的加热，钢管的弯曲，挤压成型工件的预热，钢零件的热处理，表面淬火和退火，金属零件的焊接，粉末冶金，以及输送高温工质的管道加热等。

　　我国自79年代初发展此项技术至今，全国已在机械、冶金、电力、铁道、纺织，以及国防工业等部门中广泛采用。

常见故障及排除

　　一、整流部分

　　1、晶闸管损坏

　　原因及处理方法：(1)冷却水管堵。检查水管是否结垢、进杂物或水管打弯。(2)阻容吸收故障。清理晶闸管阻容吸收部分灰尘，若有备件可以更换阻容吸收来判断是否是阻容吸收故障。(3)整流脉冲故障造成晶闸管误导通。用示波器测量整流脉冲输出，看输出脉冲是否正常。(4)干扰信号造成晶闸管误导通。用示波器测量是否有干扰信号，若有采取以下措施：增加晶闸管控制极与阴极之间并联电容器的电容，一般可增大0.47～1uF(4)快熔选用不合适或快熔质量差，不起保护作用。可用手感触的方法检测，若温度烫手，快速熔断器熔片易烧断，若感觉不到温度，快熔熔片不易熔断，不起保护作用。(5)晶闸管质量差。启动的瞬间就击穿或负载增加时晶闸管击穿。

　　2、快速熔断器熔断 　原因及处理方法：(1)中频电源输出铜板或感应线圈有短路或对地短路的地方。检查铜板和感应线圈有无短路打火的地方。(2)整流桥一个桥臂的上下两个晶闸管同时导通，烧断快速熔断器熔片。用万用表电阻档测量晶闸管有无击穿。(3)快速熔断器质量不合格或选型偏小。

　　3、直流电压波形不正常。而晶闸管和快速熔断器没损坏。

　　原因及处理方法：(1)整流触发脉冲缺失。整流触发部分故障．用示波器测量有无触发脉冲。(2)整流脉冲有，但幅值低或脉冲太窄，不能触发晶闸管导通。先用示波器测量找到没触发导通的晶闸管，再用示波器测量其触发脉冲与其它的触发脉冲进行比较。(3)晶闸管控制极回路断开。

　　4、整流桥无直流电压输出

　　原因及处理方法：(1)主电路空气开关没闭合或接触器没吸合。合上空气开关或启动接触器后测量其输出是否有电。(2)整流触发电路部分无脉冲输出。整流触发电路或功放电路无直流电源电压。用万用表或示波器测量整流触发电路部分和功放电路的电源电压。(3)功率调节的电位器坏。断电后用万用表分别测抽头电阻。(4)保护电路动作。检查是否有故障指示灯亮。排查故障后复位。

　　5、直流平波电抗器异常

　　原因及处理办法：(1)压紧铁芯的螺栓松动，电抗器有“嗡嗡”的冲击声，铁芯发热。调整铁芯后紧固螺栓。(2)直流平波电抗器线圈发热，线圈缠绕的阻燃绝缘材料发黑，有焦糊味。断电检查电抗器线圈和水管是否水路不通，可先用压缩风吹，若不通风，可用钢丝疏通，如果结垢还必须用稀盐酸冲洗铜管。如果线圈发黑，不能确保绝缘良好还要更换新的电抗器或重新缠绕阻燃布并刷绝缘漆。(3)出现打火或焦糊味。电抗器线圈之间或电抗器线圈与铁芯绝缘不好，造成短路打火。断电后拆掉电抗器线圈，检查是否匝间短路或线圈与铁芯短路。

　　二、逆变部分

　　1、逆变不能启动或启动困难 　原因和处理方法：(1)负载电路故障：a线圈匝间短路。感应圈因长时间冷却效果不好，绝缘破坏，造成匝间短路。线圈灰尘、氧化皮等导电物造成匝间短路。启动中频时出现打火现象，过流指示灯亮，频繁打火会引起炉线圈击穿。清理线圈表面杂物，刷绝缘漆或垫石棉板。b线圈与中频炉外壳短路。中频炉线圈外壳松散，炉内积灰太多，线圈通过炉子底座放电。加固中频炉线圈，清理灰尘。c中频输出与线圈连接的铜排短路。由于落异物或铜排没固定造成铜排间短路。d中频电容器外壳对地短路。检查是否漏水，检查电容器底座是否积灰太多，检查电容器瓷底座是否缺失。e水冷电缆断、输出到负载的铜排烧断。

　　(2)电流互感器绝缘烧坏或接线顺序不正确，检查调整电流信号的盘式电位器输出值是否太小。拆掉电流互感器检查绝缘是否烧坏，用万用表测量线圈是否烧断，若有备件可更换新的。检查调整电流信号的盘式电阻是否被调整过。

　　(3)逆变晶闸管未触发。原因和处理方法a晶闸管触发控制线断或连接不牢靠。b无触发脉冲输出。用示波器从晶闸管控制极开始，从后向前测有无触发脉冲查找故障点。c控制板有故障指示灯亮。根据故障指示灯确定是哪一类故障，例如相序错误、缺项或控制电路保险烧坏等。

　　(4)整流部分故障。整流晶闸管烧坏、快熔烧断或整流部分触发电路故障引起的整流波形不完整。

　　(5)电热电容器击穿。原因和处理方法：a 无冷却水。水管结垢、有杂物造成水流不畅，进出水水管接错造成水不能循环流动。b 电热电容器型号规格不正确。检查电热电容器是否击穿先观察其外观是否变形，接线柱是否有明显松动。然后拆掉所有铜板，用兆欧表检查每极是否击穿。若没兆欧表还可以依次拆掉电容器上的阳极铜板再启动中频排除电容是否击穿。

　　(6)电压互感器故障。原因和处理方法：检查电压互感器绝缘是否烧焦，检查接线是否松动。不能排除时可以通过更换新的电压互感器进行判断。

　　2、中频功率不能增大。 　原因和处理方法：(1)电位器的输出电压值没有变化。电位器损坏或电位器的电源电压故障。(2)过电流保护动作。a一次过电流保护或二次过电流保护设定值低，造成过电流保护电路动作。b 电路干扰造成过电流保护电路动作。(3)负载大量增加。负载直流等效电阻过小，直流电压低而直流电流却很大，造成换流困难逆变电路颠覆。(4)负载轻。直流电压和中频电压达到额定值，但中频电流却很小．中频功率达不到额定值。(5)电热电容器耐压降低或电热电容器底座因灰尘、水、油等造成电热电容器放电。拆掉电容器上的铜板，用1 000V兆欧表检测。清理电热电容器底座上的灰尘、水，油污。(6)感应线圈匝间短路或感应线圈对地短路，过压保护电路或过流保护电路动作。检查炉线圈确保线圈匝间清洁，清理感应线圈周围灰尘。(7)逆变晶闸管烧毁。拆掉晶闸管，用万用表量阴阳极电阻或启动中频后用示波器量晶闸管两端电压波形看是否是一条直线。若是一条直线证明此晶闸管击穿。(8)逆变晶闸管关不断。启动中频后用示波器量此晶闸管两端电压是否是一条直线，再断电后用万用表量此晶闸管阴阳极两端看电阻是否为零，可确定此晶闸管运行时是否关不断。(9)有逆变晶闸管没触发导通的。用示波器量此晶闸管的两端电压波形，为正弦波时证明此晶闸管没导通。

　　3、正常运行时损坏逆变晶闸管。

　　原因和处理方法：(1)晶闸管冷却水路不通或水流量小，晶闸管发热使关断时间增大而不能关断，造成逆变颠覆。检查水路。(2)电流互感器连接线松动，使交角法逆变脉冲形成电路的合成信号时有相位变化，时有提前触发现象，造成逆变换流失败。(3)主回路连接件接触不良，比如水电缆断裂．造成大电流工况下突然断开回路，使平波电抗器产生很高的自感电势，使逆变和整流晶闸管击穿。

　　三、保护电路部分

　　保护电路主要是担当中频电源系统保卫工作。如果保护电路误动作，易引起中频电源不运行。若出现故障而保护电路不动作，中频电源容易损坏。

　　1、误动作。外界干扰影响。负载剧烈变化，检测电路与强电路接近，引起干扰信号，造成检测电流值或检测电压值发生变化，过流指示灯或过压指示灯亮，逆变停止。

　　2、拒绝动作。a 检测电路部分电源没有电压。比如检测电路部分电子器件损坏或开焊。 b检测电路部分器件损坏。