可控硅中频电源原理及使用说明书.doc

可控硅中频电源原理及使用说明书第二册(宽频电源7.1板)洛阳市大好机电有限公司 前言洛阳市大好机电有限公司是专业生产可控硅中频电源装置的老企业,公司占地面积20000余平方米，建筑面积近15000平方米。拥有高中级工程师二十余名，大部分员工都具有大中专以上学历，普通员工也是从技校毕业生中挑选出来的。公司从上世纪七十年代中期创建至今,始终与科研院校保持着紧密的合作关系,以科研为先导,从事中频电源的研发与制造。三十余年来我公司先后研发和制造了二十几代SCR系列可控硅中频电源装置,其产品遍布全国各地,并远销前苏联,越南,泰国,缅甸,马来西亚等国。优越可靠的性能,加上良好的售后服务,深得广大用户的满意和好评。SCR7.1主控板是我公司最新研制开发的产品。其特点是：控制线路采用全集成化，双电源供电，抗干扰能力强，各点电位不发生漂移，使其工作更加稳定可靠。 第一章概述可控硅中频电源装置简称可控硅中频装置,是利用可控硅的开关特性把50Hz的工频电流变换成中频电流的一种电源装置,主要是在感应熔炼,感应加热,感应淬火等领域中广泛应用。它的优点是:1效率高可控硅电源装置具有相当高的变换效率(90-95%),输出功率低时,电源转换效率并不降低,特别是在热处理行业中,有些被加热工件需要分段加热,频繁开机和停机,在停机状态下无损耗。因此,在感应加热行业中采用可控硅中频装置可节约能源。2体积小重量轻可控硅变频装置由半导体元件组成,没有复杂的机械旋转部分无震动,噪音小,安装时对地面基础无特殊要求。3操作方便可控硅装置的功率调节范围大。频率可随负载参数改变而自动变化(既所谓频率跟踪)。负载回路保持在近乎谐振状态,既在最佳状态下工作。再加上它有一系列的自动保护装置,使它的工作稳定可靠。4启动灵活可控硅变频装置一般采用零压软启动,启动成功率高无冲击,快而平稳。基于以上几个方面,并伴随着新的专有集成电路的开发成功,其高度的稳定性及结构紧凑性,深受广大用户的欢迎。因此;洛阳市大好机电公司为了满足用户需要。研制开发了SCR系列宽频带中频电源控制板。1)均采用了先进的大规摸芯片,元件少工作可靠2)先进的控制电路设计,性能稳定故障率低。3)频率适应范围宽,在50Hz10000Hz范围内不必调整可直接使用。4)采用零压软启动,启动成功率高无冲击。完全能够满足广大热加工行业用户的需求。第二章感应加热的作用原理中频无铁芯感应电炉的结构(见图1)主要有三部分组成1感应圈(由水冷却的铜管绕制的)2坩埚(通常用耐火材料捣制而成) 3炉料（可为各种金属材料的碎块） 中频无铁芯感应电炉的基本原理是属于空气芯变压器的一种类型,感应圈相当于变压器的初级绕组,而坩埚内部的金属炉料则相当于变压器的次级绕组(既负载)当在初级绕组中通过中频电流(200Hz 8000Hz)就在电磁场的作用和应响下,产生磁力线切割次级绕组,致使炉料产生感应电势,并在垂直于感应圈轴线的表面内引起感应电流(称涡流),从而使炉料本身发热将金属熔化。用于锻造的加热到锻造温度。下面我们简单的分析一下感应电炉的工作情况;根据变压器互感应的理论,在次级绕组(既炉料)内的感应电势的有效值(用E2表示)与频率及交变磁通的最大值两个参数有关,在这个感应电势E2的作用下,炉料所形成的闭和回路中,便有涡流通过,涡流的数值大小,与感应电势E2成正比,与炉料回路的阻抗成反比,当炉料的阻抗已确定的情况下,则发热与感应电势成比例。无铁心感应电炉由于没有导磁的物体存在,所以磁力线必须经过空气而闭合,但是空气的磁阻很大,会减少有效的磁通量,为了要获得所必须的感应电势,就要求增加磁力线的切割速度,这就要求增加通过感应线圈电流的频率,来达到发热效果显著的目的。但在实际情况下炉料中感应电流的流动,也会形成磁场,但其方向是与感应器的磁场相反,二个磁场迭加一起的结果将削弱整个的作用。随着不断被削弱的磁场继续向炉料内部深入分布并不断产生电流,而电流的去磁作用又促使炉料中感应的电场强度和电流密度自表面向中心剧烈的减小,电流的频率愈高,这种现象也愈显著,这也就是所谓集肤效应作用的结果。为了提高炉料的发热量,如果无限制的增高频率,一则受到电源装置复杂性的限制,更重要的是由于上述集肤效应的原因,涡流发热随着电流频率的升高,只局现在炉料周围的表面层,而炉料中心的热量是由表面传导进来的,所以加热时间将拉长了,电效率不再上升。电源的频率与电效率之间的关系可以这样来描述,在感应电炉炉料直径固定,炉料的物理性能不变的情况下,电效率将随着电流频率的增加而显著上升,但当频率继续增加时,电效率将不再随频率变化而近于饱和阶段。因此,我们可以作一断言,对于一定尺寸的感应炉,并在炉料和感应器材料的物理性质为同一条件下,则必定有一临界频率的存在。正是以上原因的存在,电炉生产厂家将根据炉子的大小来选定频率的高低。考虑到炉子的电效率和热效率,选定合适的频率。炉子容量较小时频率选高些,容量较大时选低些,一般在200Hz-8000Hz范围内。第三章 无铁芯感应炉对可控硅中频电源的要求感应炉对可控硅中频电源提出了下述一些要求；1 感应炉对可控硅中频电源的输出功率要求。可控硅中频电源的输出功率必须满足感应炉的最大功率,还要考虑到输出功率能很方便的调节,这是因为通常感应炉的坩埚的寿命约熔炼数十炉后就损坏了,必须重新修筑坩埚炉衬,而新的坩埚炉衬筑好后必须对其进行低功率烘炉,通常烘炉是从10-20%的额定功率开始,然后每隔一定时间升高10%功率,直至额定功率。再则,熔炉过程中,当炉料熔化后,必须对炉料的成分进行化验,而化验期间为不使炉料熔化后沸腾剧烈,这时中频电源必须减小输出功率,使炉料保温。鉴于以上情况,所以要求可控硅中频电源能从10%-100%额定输出功率的范围内方便的调节。用于锻造的透热炉不存在烘炉的过程。2 感应炉对可控硅中频电源的输出频率要求。感应炉的电效率与频率之间的关系是相关连的。从电效率出发可以决定可控硅中频电源的输出频率。例如我们称这一频率为fo 。感应器实际上是一个电感线圈，而为要补偿线圈的无功功率,在线圈的两端并联电容,这就组成了LC 震荡回路。当可控硅逆变器的输出频率f等于感应炉回路的固有震荡频率fo时,则此时回路的功率因数等于1 。感应炉内将得到最大的功率。从以上可以看出,回路的固有震荡频率与L和C的数值有关,一般补偿电容C的值是固定不变的,而电感L则因炉料的导磁系数变化而变化,例如炼刚时,冷炉钢的导磁系数很大,所以电感L较大,而当钢的温度高到过居里点时钢的导磁系数 =1,所以电感L 减小,因而感应炉回路的固有震荡频率 fo 将有低变高。为了使感应炉在熔炼过程中始终都能得到最大的功率,这就要求可控硅中频电源的输出频率f能随着 fo 的变化而变化，始终保持频率自动跟踪。3 对可控硅中频电源的其他要求。这是因为当炉料在熔炼过程中,一旦中频电源发生故障,严重时会损坏坩埚所以要求可控硅中频电源工作要可靠,还须具备必要的限压限流保护,过压过流保护,断水保护,等其它自动保护装置。此外,要求可控硅中频电源启动成功率要高,启动停止操作要方便。 第四章 可控硅中频电源的工作原理可控硅中频电源的基本工作原理,就是通过一个三相桥式整流电路,把50 Hz的工频交流电流整流成直流,再经过一个滤波器(直流电抗器)进行滤波,最后经逆变器将直流变为单相中频交流以供给负载,所以这种逆变器实际上是一只交流直流交流变换器,其基本线路如图2 。下面分整流电路,逆变电路及保护回路分别进行一些介绍。一 三相桥式全控整流电路的工作原理1 三相桥式全控整流电路的工作过程。三相桥式全控整流电路共有六个桥臂,在每一个时刻必须2个桥臂同时工作,才能够成通路,六个桥臂的工作顺序如图3 。现假定在时刻t1-t2(t1-t2的时间间隔为60o电角度，既相当于一个周波的1/6)此时SCR1和SCR6同时工作(图3(a)中涂黑的SCR),输出电压即为VAB。到时刻t2-t3可控硅SCR2因受脉冲触发而导通,而SCR6则受BC反电压而关闭,将电流换给了SCR2,这时SCR1和SCR2同时工作,输出电压即为VAC,到时刻t3-t4,SCR3因受脉冲触发而导通，SCR1受到VAB的反电压而关闭,将电流换给了SCR3,SCR2和SCR3同时工作,输出电压为VBC,据此到时刻t4-t5, t5-t6, t6-t1分别为 SCR3和SCR4, SCR4和SCR5, SCR5和SCR6 同时工作,加到负载上的输出电压分别为 VBA,VCA,VCB,这样既把一个三相交流进行了全波整流,从上述分析可以看出,在一个周期中,输出电压有六次脉冲。这种整流电路由于在每一瞬间都有两个桥臂同时导通,而且每个桥臂导通时间间隔为60o,故对触发脉冲有一定要求,即脉冲的时间间隔必须为60o,而且如果采用单脉冲方式,脉冲宽度必须大于60o,如果采用窄脉冲,则必须采用双脉冲的方法, 既在主脉冲的后面60o的地方再出现一次脉冲。 2 三相同步及触发线路1)三相同步的选取及整形根据三相桥式全控整流过程的有关要求,首先要保证触发电路与三相电源严格同步。既有A相产生的触发脉冲必须接于整流电路1号,4号可控硅(称为正A负A ),B相产生的触发脉冲接于3号,6号可控硅(称为正B负B),C相产生的触发脉冲接于5号,2号可控硅(称为正C负C)。本系统(如图4整流触发线路 )整流触发线路里,三相同步信号直接取之380V电压,接入主控板的同步输入端,X10(A),X20(B),X30(C)。通过降压电阻降压,进入由W1,W2,W3,C1,C2,C3组成的三相同步滤波,整形,平衡电路。它的特点是由W1,C1(单相说明)组成积分电路。电容量一定,改变阻值大小就可改变时间常数。其作用有:(1)滤除网电杂乱尖峰波干扰,使同步信号纯正,定位准确,避免整流可控硅误动作。(2) 调整三相不平衡度,调节移相范围可达12o使整流桥输出平衡。2)整流触发的形成通过以上整形后的三相同步信号,由C4.C5.C6.分别送入大规模集成块TCA787C的同步输入端1.2.18角。按三相全控整流桥触发电路的要求由7.8.9.10.11.12角分别输出 6 路调制后的双窄脉冲,经电容C13.C14.C15.C16.C17.C18耦合给6路大功率MOS管进行脉冲功率放大。再由6只脉冲变压器输出,经整形后接于整流桥的6只可控硅的控制极和阴极,达到三相全控整流桥正常工作的触发目的。3 整流可控硅的选取。1)由于三相全控整流桥工作在较低的频率范围,所以普遍选用普通整流可控硅,即KP系列可控硅。2)跟据三相全控整流电路的理论计算,流过每一个可控硅的电流是整流输出总电流的0.334倍。所以在使用中为了留有足够的富裕量,一般选用与电源的额定电流值相同大小的可控硅。3)进相电源电压为三相380V的机型中,选定耐压值为1200V1400V的KP硅。进相电压为三相660V的机型中,选定耐压值为2000V2500V的KP硅。二 可控硅中频电源装置的逆变电路1 两种逆变器电路无论是感应加热或是感应熔炼,负载的功率因数都是很低的,也就是感应的Q值很高,在感应熔炼炉来说Q值一般在10-14之间,对感应加热来说,则根椐偶合程度Q值为5-9之间。什么是Q值,Q值是指线圈的感抗和线圈的电阻之比。也就是炉子的无功功率和有功功率之比。举例来说,250Kg的感应熔炼炉,其需要的有功功率为160kw.假定Q值为10,则其无功功率为1600 kfar,这样大的无功功率,很显然不能有电网供给,那样电网的容量将非常庞大而不经济,因此,必须用能提供无功功率的电容器进行补偿,这个原理就象一般工厂里补偿功率因数一样。无功功率的补偿方法有二种,一种是补偿电容器和炉子串联,叫作串联补偿,补偿电容器和炉子并联的叫做并联补偿。针对二种不同的补偿方法,可以有两中不同的逆变线路,一种叫作串联逆变器,一种叫作并联逆变器,如图 5两种逆变器的比较如下；串联逆变器并联逆变器（1）输出电压为距形波 输出电压为正弦波（2）输出电流为正弦波输出电流为距型波 （3）炉子感应圈电压为逆变器输出电压的Q倍 炉子感应圈电压等于逆变器输出电压（4）感应圈电流等于逆变器电流感应圈电流为逆变器输出电流的Q倍（5）使直流电压稳定直流端并接有大的电容器使直流电流恒定直流端串接大的滤波电感 （6）用高电压的补偿电容 使用标准的补偿电容（7）用反馈二极管 不要反馈二极管2 单相桥式并联逆变器的工作原理1)并联逆变器的基本线路如图6。图中可控硅SCR1-SCR4组成了一个桥式线路,Ld为直流电抗器,L为感应炉,C为补偿电容, LC组成一个并联谐振线路。这个线路是如何工作,又是怎样把直流变为中频电流呢;我们首先来研究分析一下线路正常情况下是如何工作的。图7表示一个工作循环的情况。假设在图7(a)中,先是(1) (2)导通(3)(4)截止,则直流电流Id经电抗器Ld,可控硅(1)(2)流向LC谐振回,由于Ld的电感值比较大,Id受Ld的限止基本上不变化而保持恒定,LC谐振回路受到一个恒定电流的激励,而产生谐振,震荡电压为正弦波,也就是说电容器两端的电压为正弦波,(这相当于图7(a)及图8中时刻t1前的电流电压波形)假定在这一时刻电容器两端的电压极性左端为正,右端为负。电容器两端电压将按正弦波规律变化,如果我们在电容器两端电压尚未过零之前的某一时刻(图8中的时刻t1)触通可控硅(3)与(4),此时可形成可控硅(1)(2)(3)(4)同时导通的状态,(如图7(b),由于可控硅(3)(4)的导通,电容器两端的电压通过可控硅(3)(4)加在可控硅(1)(2)上,阳极电压为负,阴极电压为正,可控硅(1)(2)两端由于承受一个反向电压而迅速关断,也就是说可控硅(1)(2)将电流换给可控硅(3)(4).换流以后,直流电流经电抗器Ld,可控硅(3)(4),从相反方向激励了谐振回路。电容器两端电压继续按正弦规律变化,而电容器两端电压的极性变成左端为负,右端为正,(如图7(c),对应的波形图位图8中的t2t3时刻。在负载回路中的电流也改变了方向。当电容器右端的正电压再要过零之前的某一时刻(这相当于图8中的t3时刻),再将可控硅(1)(2)触通则再次形成4个桥臂可控硅(1)(2)(3)(4)同时导通状态,但在此时使可控硅(3)(4)承受一个反向电压,而将电流换给了可控硅(1)(2),这就完成了一个工作循环。从上述换流过程中我们可以看出,当可控硅(1)(2)导同时电流自一个方向流入负载,当可控硅(3)(4)导通时电流从相反方向流入负载,可控硅(1)(2)与(3)(4)相互轮流导通和关断,就把一个直流变成了交流,可控硅(1)(2)与(3)(4)交替工作的次数也就决定了输出交流电的频率。这种变频线路因其换流过程是受负荷控制的,所以不需要外加另外的强迫换流装置,这是它和其它变频线路的不同之点,由于不需外加换流装置,因之这种变频线路的效率较高。适合在大功率的感应熔炼及加热中应用,所以这种线路对负载的依赖性也是较大的。2)从上述分析的逆变器的换流过程还可以看出,换流过程必须在电容器电压过零之前的某一时刻进行,也就是电流必须超前电压某一时间。这一点在所介绍的线路中非常重要,不满足这一点,这种逆变线路是不能正常工作的。我们习惯上,把电流过零之点到电压过零之点这一段时间叫做引前触发时间tf ,为了保证可控硅(1)(2)与(3)(4)之间能可靠地进行换流,必须有一定的数值,不能太小。这主要是从下述三点考虑:1在换流过程中,为了确保即将换流的SCR可靠关断,必须加上足够的反向电压,反向电压过低则可能关不断。2必须确保一定的换流时间tr,在上面的分析中,假定换流是瞬时进行的,但实际上可控硅受一定的允许di/dt耐量的限制,换流是不能瞬时进行的,必须有一定的换流时间tr,这一点在后面还要叙述。3要有足够的关断时间toff使即将关断的可控硅进行关断。3)什么是可控硅的关断时间,可控硅在导通状态下,它的三个结上积蓄有载流子,可控硅在关断时,需要一定的时间,使这些残留载流子,作为反向电流释放出来,才能使可控硅承受正向电压。(这种残留载流子的消失时间与可控硅的构造,结温,及关断前流过可控硅的电流等有关)如果残留载流子尚未完全消失,既加上正向电压,可控硅将重新再度导通。因此,引前触发时间tf必须大于换流时间tr与关断时间toff之和,既tftr+toff,不然的话,则可控硅尚未完全关断又将承受正向电压而再度导通,这就会造成非常危险的直通短路。但是，安全换流时间tr所对应的超前角也不能太大,主要是考虑下面两个原因；(1)角度增大,电容器两端电压Uc就要增高,这将受到电容器和可控硅所能承受电压的限制,在单相桥式逆变线路中,当直流输入电压为Ud,中频输出电压为Uc,则在Ud和Uc的有效值之间存在下述关系；Uc=1.1Ud/cos。从式中可以看出,在输入直流电压Ud相同的条件下,当角度增大,则cos值减小,Uc将增大,也既加于电容器和可控硅两端的电压将增高。这一点受到所选用的电容器即可控硅的耐压限制。(2)中频输入的有功功率与的关系：中频输出的有功功率P=Uc.ILcos。式中可以看出在相同的中频电压电流条件下角愈大,有功功率输出愈小,如果要保持一定的输出功率，则角度愈大,则必须使输出中频电压,电流愈大,这样恶化了可控硅的工作条件。4)综上所述,在目前考虑到可控硅的关断时间及所选用的可控硅元件,电容器的耐压水平,在输出中频频率1000Hz的情况下引前触发时间tf取100 s左右,对应的角度大约是在30o-45o范围内。这一超前的无功功率仍是由电容器来补偿的,前面在介绍谐振回路时曾讲到应补偿到谐振状态,实际上补偿到谐振状态还不行,为了要保证我们这一线路能正常工作,必须要过补偿,即补偿到电流超前电压一个角的程度。在前面的分析当中,假定换流是瞬时完成的,就是说关闭的可控硅的电流是瞬时转换给导通的可控硅的,但是这样是不允许的,受到可控硅允许的电流上升率di/dt的限制,如果转换太快,可控硅将烧毁。这是因为,当可控硅触发以后,电流首先在控制极附近流通,然后才以每微秒大约0.1mm的速度从控制极中心向外扩展,最后电流扩展到整个硅片,这样将使硅片的某些区域发生过热而烧坏,可控硅允许的电流上升率di/dt数值,随频率,换流时阳极电压,电流峰值及结温的增高而下降。为了限制换流过程中的电流上升率di/dt必须在每个桥臂中串接一定数量的电感,但是这个换流电感值也不能太大,因为换流的重叠时间tr直接有这个换流电感决定,如果这个电感数值太大,则换流时间将拖长,当电流增大时,时间会更长,以致是总的时间大于安全换流时间tf,而是换流无法完成造成逆变失败。一般考虑tr=Id/di/dt,式中；I为流过可控硅的电流,di/dt为可控硅元件允许的电流上升率。因此；在中频频率1000Hz的电源装置中,电流超前电压角度一般设定在30o-45o之间。(这一点在所介绍的线路中非常重要,不满足这一点,这种逆变线路是不能工作的)5)在具体的线路中,为了实现以上触发提前的要求,采用的是谐振回路的电压Uc和流过电容器的电流Ic的合成信号,因为两个信号的交差点位置刚好在tf所要求位置附近(如图9)。UC信号是从与电容器并联的中频电压互感器中取 出,Ic信号从补偿电容器的一组Cs串联的电流互感器中取出,tf/c是一个比例常数。系统中Uc,Ic分别用两个电位器来调整(见图10(a)Uc. Ic信号的合成。通常称作频率跟踪电路)。3 .单相桥式逆变线路触发脉冲形成的过程1)合成信号的限幅。(见图10b）自中频电压互感器及中频电流互感器取得的信号,经WI,WU。D43,D44,D45,D46,合成后为一正弦波。通过 R101,R102降压限流后与D47,D48组成双向限幅电路,把输入的正弦波信号变成双向梯形波,这一电路的作用除了形成梯形波以提高过零转换的准确度以外,还有限幅作用,因为在工作过程中输入合成信号变化较大,由于二极管的作用,使合成信号的电位始终被钳位在0.7v保证下一级安全工作。C53,C54是抗干扰电容，旁路干扰信号。 2)脉冲方波的形成（见图10b）所示。双比较器集成块LM393的两个比较器,共同组成双向比较器电路。（实际上也叫窗口式比较器）当合成信号正半周到来时,3角为高电位2角低电位,比较器1角输出一个方波信号。当合成信号负半周到来时5角为高电位, 6角低电位, 7角输出一个方波信号。此两路方波送入下一级进行双稳态触发及分频处理。3）双稳态触发及分频的实现。(见图10c)在线路里由4与非门TC4011集成块来组成双稳态触发电路,其主要作用是分频和整形,目的是对双向比较器电路送来的方波脉冲作进一步整形,并把输入脉冲分成互差180o的两组前沿陡峭方波。使其相位更加准确,工作稳定可靠。4)脉冲功率放大及变压器偶和环节。（见图10d）自双稳态触发器两个输出端送来的2个相位互差180o的方波,分别经电容C64,C59进行微分,使触发脉冲的宽度设定在45o左右并偶合给有两只大功率 MOS管组成的脉冲功率放大电路,对脉冲信号进行功率放大,保证其足够的功率输出,实现强触发的目的。每个脉冲功率放大级带动一只脉冲输出变压器,每只变压器输出分4组,经整形电路整形后,分别去触发对角的两组桥臂8只可控硅,达到对逆变器进行良好触发的目的,使逆变器两组对角桥臂象工作原理中讲到的那样,工作在良好状态。4 逆变可控硅的选定。1)根据中频电源的工作频率段选定；频率在100HZ- 500HZ的选定关断时间在20s-45s的KK型可控硅。 频率在500HZ- 1000HZ的选定关断时间在18s-25s的KK型可控硅。频率在1000HZ-2500HZ的选定关断时间在12s-18s的KK型可控硅。频率在2500HZ-4000HZ的选定关断时间在10s-14s的KKG型可控硅。频率在4000HZ-8000HZ的选定关断时间在6s-9s的KA型可控硅。2)根据中频电源的输出功率选定；根据并联桥式逆变线路的理论计算,流过每个可控硅的电流是总电流的0.455倍,考虑留有足够的裕量,通常都选定和额定电流同样大小的可控硅。功率在50KW-100KW 的选定电流300A/1400V的可控硅。(380V进相电压)功率在100KW-250KW 的选定电流500A/1400V的可控硅。(380V进相电压)功率在350KW-400KW 的选定电流800A/1600V的可控硅。(380V进相电压)功率在500KW-750KW的选定电流1500A/1600V的可控硅。(380V进相电压)功率在800KW1000KW的选定电流1500A/2500V的可控硅。(660V进相电压)功率在1200KW-1600KW的选定电流2000A/2500V的可控硅。(660V进相电压)功率在1800KW-2500KW的选定电流2500A/3000V的可控硅。(1250V进相电压)三 系统的保护 本系统设置有多重保护系统,第一道有限压限流保护,第二道有过压过流保护,第三道有自动断路器(DW-16空气开关)作装置的短路电流保护。装置还分别设置有；冷却水欠压断水保护,快速熔断器保护,进相空芯电抗器保护,可控硅阻容吸收保护。1三相桥式整流电路的短路保护为了使在整流硅发生击穿时不使进相电压发生短路,一般在电路里每个整流桥臂都串联快速熔断器,以保护每个桥臂的可控硅。为限制相间短路时的电流上升率,不致超过可控硅元件本身的允许值,在交流进线处串有空芯电抗器。空芯电抗器的另一个作用是,使整流可控硅在换相过程中限制电流的上升率,对可控硅起到了一定的保护作用。2 逆变端过流及过压保护1)逆变端产生过电流的原因如下；(1)运行中负载的波动引起过流。感应炉在熔炼过程中负载波动很大,尤其是在熔炼的初期参数变化的更为激烈,往往造成过电流。(2)运行中桥式逆变器,两对桥臂可控硅换流失误,逆变失败,所引起的短路电流。(3)运行中桥式逆变器可控硅触发脉冲突然中断,造成桥臂对角线可控硅斜通短路,所引起的短路电流。还有其它各种原因引起的过电流,这种逆变侧的过电流采用快速熔断器保护将不是经济可靠的办法。2)逆变端产生过电压的原因如下；(1)(中频电压Uc=1.1Ud/cos 。由于超前角过大在整流电压Ud恒定时,造成中频电压Uc过高。(2)逆变触发脉冲的时刻是有Uc和-Ic信号的交点决定的,如果自电压互感器来的Uc信号突然中断。则此交点将由Ic信号决定,将迅速增大,从而造成中频电压Uc过高。(3)炉子感应圈突然开路造成过电压。(4)可控硅在导通与关断时产生的尖峰过电压。3 对逆变端的过流及过电压均采用脉冲封锁方法来保护的。1)下面简单说明一下脉冲封锁的动作原理。(1) 当三相桥式全控整流电路中,直流输出端发生短路时,迅速将整流触发脉冲移到最小角(例如=30o,相当于=150o处)以产生一反电压来快速关断整流可控硅,切断短路电流。这种将整流触发脉冲有整流装置快速移到封锁位置的方法,就叫做脉冲封锁。脉冲封锁不能简单理解为将脉冲去掉.实际上三相桥式全控整流电路是工作在逆变状态。（这里所说的逆变和我们讲的中频逆变器完全是两个概念,不可混同）(2) 当逆变电路发生短路时,电流迅速增大,此时有直流电抗器的存在,接近于整流输出的电压全部加在电抗器Ld的两端,Ld将产生强大的磁能。如不将整流电路立即封锁脉冲,磁能将无法释放,危害是不可估量的,必须是整流桥处在逆变状态才能把这一能量反馈给交流供电电网。随时间的推移Ua将逐步减小为零,电流也相应减小为零,整流可控硅而关断,使其达到保护的目的。(3) 在本系统实际的保护环节中过电流信号取自交流进线端的三只穿心式电流互感器,三只电流互感器接成星形联接,再有三只5/0.1互感器进行变换,以星形接入主控板的K1,K2,K3,经三相桥式整流后以电压的形式取出。过电压信号取自中频电压互感器,经单相桥式整流后取出(见图11),电位器W7的动端位置决定过电流的保护整定值。4比较器LM339分两组分别担任过流过压的任务,5角接有一基准电压,电位器动端输出的电流信号接于6角,此时与5角进行比较,当电流信号电压大于(取的是负电压)基准电压时比较器2角将输出高电位,分四路输出,一路使U3B负输入端6角电位高于正输入端7角电位，1角输出低电位，锁定U3A，保证2角输出高电位。一路经三极管驱动继电器带动门板指示灯作为外指示,一路送入控制回路使整流触发脉冲迅速移到最小位置相当于=150o.使整流触发脉冲处在封锁状态,(整流触发集成块TC787C的4角是触发移相控制端,低电位移相,高电位封锁)同理电位器W8动端的位置决定了过电压的保护整定值。一旦发生过电流或过电压,通过保护电路使其达到脉冲封锁的目的。一般情况下过电流过电压值整定在额定工作电流电压的1.2倍较合适。 (4) 本系统的保护复位采用的是功率电位器回零自动复位装置,原理是这样的;当系统发生保护动作时,比较器的正输入端电位高于负输入端电位,处在自锁状态,只有使正输入端电位低于负输入端电位方可解除自锁状态。过程是这样的,设备在正常工作时功率电位器的动端074接近于 073,电位较低U1C负输入端9角电位低于正输入端10角电位，输出端8角高电位，处于正常状态。当功率电位器回零时,074靠近075,电位相应较高使UIC反转输出低电位，解除过流过压的自锁状态。达到保护复位的目的。2) 本系统还分别设有限流限压保护系统，W5.W9动端的位置决定了限流限压的整定值。它们的工作原理是这样的:四运放集成块LM324的两组分别负担限流限压的工作。首先6角13角分别接有5 V基准电压,W5.W9动端送来的电流电压信号(以负的形式输出)接于6角13角,分别与基准电压进行比较,当中频电源的工作电流或电压达到额定值时相应的在W5,W9检出信号,如负于比较器的基准电位,比较器将进行运算并从7角14角分别输出高电位与整流给定电压合并,拉高给定电压使整流触发移相发生变化,整流输出电压降低,系统的工作电流或中频电压将降低,与此同时W5W9检出的信号跟着降低,运算器的7角14角输出电压降低,给定电压降低,整流触发脉冲角变小,(触发电路的移相是给定电压低电位时触发脉冲移相,高电位时触发脉冲封锁)直流输出电压提升。这样又回到动作的初始状态,电路将进行又一次系列转换,其结果是保持在限流或限压设定值范围内不变。达到其限流限压的目的。3) 本系统还在整流可控硅和逆变可控硅的阳极阴极两端设有阻容吸收回路,（如原理图)对可控硅在关断时产生的尖峰脉冲进行吸收,以免造成尖峰电压击穿可控硅。其原理很简单,大家都知道电容的特性使两端电压不能突变,电容量一定,电阻值一定其充放电时间一定。在可控硅换相过程中产生的尖峰脉冲宽度较窄,通过电阻对电容充电,其结果是电压来不及建立周期已过去。因为阻容保护的充放电时间常数远大于尖峰脉冲的时间常数,故对可控硅起到了保护作用。另外在逆变回路里每个桥臂里的两个可控硅的阳极阴极两端还接有均压电阻,其作用是在桥臂关端期间使两端的电压被电阻分压,每个可控硅承受1/2的电压。当桥臂再次导通时,不会使单硅承受全部电压而造成不良的后果,相应的起到了保护作用。 第五章 装置的调试 一 整流电路的调试1首先要了解中频电源的整体结构仔细检查主回路接线是否与图纸相符。检查各电线接点是否接触良好,牢靠。开动冷却水泵,调节进水阀门使冷却水压力达到规定水压,一般在0.8Mpa1.5Mpa之间,观察进出水管是否通水良好,有无阻塞及渗漏现象。同时调节压力断路器使其触点闭合。2 校对相序。检查三相电源相序。检查方法可用示波器，根据三相交流波形相对关系来鉴别,然后按照要求的相序接通主电路与控制回路。要求进线A.B.C的相序与同步信号A.B.C相序相符,如果同步信号接错了,A相触发电路不是触发A相可控硅，而是触发B相或C相,这样就造成系统混乱,严重时甚至会损坏可控硅!1)回路工频交流进线相序的检查；采用双踪示波器依次观察主回路开关进线端A.B.C对地0之间的波形,以确定其相位关系,若相序不对,可任意调换其中两根线的相互位置（即顺相序即可以）。2)同步信号相序检查；(使用示波器注意事项；1.不论单踪或双踪示波器外壳的接地线必须拆除,否则将会引起严重短路。2.同时观察二个信号在示波器上的接地端必须为同电位点,3.测主回路波形时示波器外壳带电,切勿接触,外壳对地必须绝缘。)用双踪示波器分别检查同步进线X10,X20,X30与主回路相序A.B.C的相序是否相对应,如检查结果不是对应的,应纠正直至相对应即可。3 .检查操作回路 1)合控制电源,观察门板进线电压表是否指示在380v左右。用万用表测量141,142和143,144,电压是否在18v左右。如以上电压读数偏差较大,应检查排除。原因可能是0线接触不良或者是控制回路电源保险烧毁及接触不良。应断电认真检查并排除,直至进线电压在370v400v,控制板进线电源电压在17v-19v范围内时再进行下一步工作。2)按逆变启动(不合进线主回路大闸！)逆变工作指示灯亮,旋动功率电位器,观察主控板显示各路触发脉冲的发光二极管,应有发光指示。如果有示波器的话,可用示波器测试6路整流触发脉冲的相位关系(如图12)，脉冲幅度应在6V以上,脉冲宽度在20o,双脉冲前沿间隔60o。随着功率电位器的旋动,触发脉冲的位置将向右移(如图13)。移动的范围应在0-150o之间。(装置在出厂前都进行了调试,主要是长途运输可能会造成个别接线松动接触不良,通过简单过程加以处理即可)4 .整流桥的调试1)把电源柜内的予负荷开关放在ON位置,拆掉主控板143,144进线,使逆变触发回路暂时停止工作。2)送冷却水,合控制电源,电源指示灯亮。送主回路大闸,合闸指示灯亮。3)按逆变启动,工作指示灯亮,旋动功率电位器,直流电压表随功率电位器的旋动而逐步上升,直至500V以上。用示波器探头接于整流桥的输出端,(示波器的垂直幅度衰减档拨在10/1挡即可)便可看出整流桥在不同角度时的输出波形,(如图14)鉴别出是否正常，整齐。如出现输出不齐,可调整W7,W8,W9使之输出平整。如此时旋动功率电位器直流电压只能升到400V左右不在上升时很有可能是进线三相A，B，C不同步。只要任意调换其中两线位置即可。调试正常后把予负荷开关拨在OFF位置。二 逆变电路的调试1 检查炉子系统 1)检查从电源柜到炉子之间的连线是否达到足够的线径,如线径过小应调换符合要求的连线,否则在工作时将会严重发热甚至烧毁!并检查连接锣丝是否牢靠！2)检查水电缆连接是否牢靠,螺丝最好用铜或不锈钢的。并检查炉子感应圈和炉壳是否绝缘良好。水冷电缆和感应圈通水量应足够大,一般水压在0.1-0.2Mpa之间。进出水不能发生渗水现象,否则在工作中会造成感应圈炉子之间打火。2 .检查电源柜逆变系统1)接上143,144号线,合控制电源。主控板逆变检查拨码开关处在ON(检查)位置,此时它激频率设在1000Hz左右。检测逆变触发脉冲的发光二极管发亮。用示波器检查各路输出脉冲前沿应该是陡直的,脉冲宽度在50s左右,幅度不低于6V，两对角触发脉冲相位间隔180o。(如图15)检测正常后应将检查开关处在工作位置(自激)示波器观察输出波形为杂波。2)检查启动电流信号线是否接触良好,用万用表测量126,127两点间的电阻值应在5欧以内。合成信号瓷盘电位器的动点放在中间位置。3 逆变的调试1)合控制电源,合主回路闸刀。按逆变启动,顺时针缓慢旋动功率电位器。随着电位器的旋动中频电压应该建立。在启动过程中,如只有直流电压,并且直流电流也较大,滤波电抗器发出较低沉的哼声,中频电压不能建立。此现象可能是合成Ic信号线126,127接反所造成的。应停机调换位置。重复启动过程,中频电压建立,如果中频电压高于直流电压很多,直流电流又较大,这种现象很有可能是合成信号Uc相位接反所造成的。恢复后就会正常。配合调整合成信号瓷盘电位器,设定合适的tf值。 2)在实际工作中如何来整定tf时间呢？由图16所知,Ua曲线与-ic的曲线的交点a,既是合成曲线Us过零点时刻,而合成曲线Us过零点时刻也就是发出脉冲时刻,这一脉冲所对应的Ua既是tf时间。当tf时间太小时,我们可以调节逆变角的瓷盘电位器,使ic信号增加,从而使-ic幅值增高。在图中(1)所见当-ic信号增加,从而使-ic曲线交点改变，由a提前到a1,合成信号也有0点向前移,触发脉冲Ug,2,4,Ug1,3,都提前了,所对应Ua中的tf时间也就增大了。由上所述,只要改变-ic信号大小，即调节瓷盘电位器RiC的大小,就可以调节引前触发时间tf 。实际中可根据中频电压与直流电压之比来近似的确定tf,调节Ric使Uc/Ud=700v/500v=1.4左右。一般Uc/Ud=1.31.5即可。(俗称逆变角度大小)三 系统的保护调试1 限压的调试 1)开启电源,启动逆变,缓慢升功率电位器使中频电压逐步升高,达到750V时顺时针调限压电位器W9,使中频电压随功率电位器的旋动不再上升为止。2)调试中可能会发生中频电压升不到750V的情况。有三种原因:1.限流提前动作,先稍微反时针调限流电位器W5,看中频电压是否有所上升,如果不能上升,应停止调动。2.限压提前动作。可反时针调限压电位器W9,看电压是否有所上升,如有上升的迹象,可继续调,直至达到750V为止。3.可能是逆变角太小造成的。应调和成信号瓷盘电位器,使中频电压与直流电压的比值达到1.5倍关系。此时再调限压电位器,直至达到限压的要求为止。2. 过电压的调试1)启动电源,缓慢升功率电位器使中频电压达到750V,顺时针调过压保护电位器W8使过压保护动作,过压指示灯亮。2)功率电位器回零,使保护系统自动复位。(复位原理在上一章里已有详述)反时针调过压电位器W8两到三圈,放开限压电位器。3)重新启动电源使中频电压升到800v820v为止,顺时针缓慢调过压电位器W8,使过压保护动作,过压指示灯亮。再次启动验证过压保护值是否准确。4)恢复限压整定值,调整逆变角瓷盘电位器,使中频电压和直流电压的比值1.4左右。注意:过压限压的调试应在空载情况下进行。此两项调试严禁重载请况下进行!否则后果是严重的！3 限流的调试1)先空载启动一次电源,验证电源的基本启动性能及各仪表是否正常。2)在炉子里加满炉料,最好是较大的块料,以便调换炉料的多少。(炉子加满料俗称；重炉)3)重新缓慢启动电源,看重炉启动性能是否良好。如在启动时中频电压很难建立即启动困难,应调整瓷盘电位器iC信号,使逆变增大角度即可。4)再次缓慢启动,启动成功后逐步提高功率(此时电流较大动作要缓慢)直至电流达到额定值时,调限流电位器W5使电流不随功率电位器旋动而上升即可。在此项调试中可能会出现几种情况；1 没有达到额定值时过流就首先保护动作,此时只要反时针调过流电位器W7放大过流保护动作值即可。2 功率电位器旋到最大位置时电流还达不到额定值。炉料空隙大,不实造成的,在大料间隙中加小块料使炉料实实在在即可。3逆变角度小造成电流上不去,(这一点在逆变工作原理一段里已做详细介绍)只要调大ic信号瓷盘电位器以增大逆变角即可。4 过电流的调试1)缓慢启动电源,是电流达到额定值,调过流电位器W8使过流保护动作。2)放开限流电位器W5,反时针旋动过流电位器W7 两到三圈。3)启动电源是电流达到额定电流的1.2倍，调过流电位器W7使过流保护动作,过流指示灯亮。此项调试重复一到两次,验证过流值确实在额定电流的1.2倍左右为止。4)恢复限流整定值,调电流负反馈电位器W6：先把电流负反馈电位器反时针选到底，启动逆变使电流在100A，此时顺时针调负反馈电位器使电流下降到75A。试结束。说明:从调试的过程中,可以看出,先调试限压限流,后调试过压过流。为什么不先调试过压过流呢？这是为了安全起见而采用的调试步骤。因为设备在现场安装完成后,第一次现场调试,难免会有这样和那样的不良因素,一时不慎将造成大错。后果是不可想象的。假设先调试过压或过流,电压或电流升到额定值时,一旦炉子的绝缘不好很容易造成感应圈与炉壳之间产生击穿打火现象,对地形成短路,或者感应圈匝间短路,此时电流很有可能是额定值的很多倍。利用人为的去停机,那是达不到对设备保护速度的,后果是非常严重的。只有使设备自身的良好保护性能才以避免不应有的损失。这就是先调限压限流,后调过压过流的原因。第六章 常见故障及排除方法中频电源在运行中可能会出现这样那样的故障,我们可以把故障分成几个部分加以区分。1)整流部分的故障 2)逆变部分的故障 3)保护部分的故障。下面我们将介绍这三个部分,特别是老的中频电源装置(包括其他厂家的中频装置)出现的几种典型故障原因及排除方法,供大家参考。一 整流部分的故障1 设备在运行中直流电抗器发出嗡嗡声。故障原因是整流桥输出不平衡造成的,排除方法是调整电位器W7,W8,W9使整流桥输出的六个波头平衡即可。2 老中频装置在运行中直流电抗器发出较大的嗡嗡声。故障原因是整流桥六只可控硅的一只不导通造成的,用示波器可以看到如图17(b)三相整流桥的输出波形。大部分是触发脉冲到可控硅导线接触不良或断线引起的。用万用表R1挡测量主控板触发脉冲输出端的正向电阻值是否在20左右,如大于40可能是接触不良,阻值很大就是断线。但也不排除可控硅控制极内部断线及老化的可能。此种故障从仪表可以看出中频电压和直流电压的比值很高。在检修中要和其它近似现象加以区分，避免走些弯路。2 设备在运行中突然电流增大直流电压降低中频电压比直流电压高出很多,直流电抗器蹦的厉害。故障原因；1)三相电缺相,2)快速熔断器烧毁,3)控制回路电源烧保险使同步电源缺相,4)电力变压器高压保险烧毁造成的。恢复后即可正常工作。4 设备在开机时,功率电位器旋动就是最大功率,没有小功率。此故障突出表现在老中频装置中,最容易出现。原因是功率电位器内部断线所造成的,更换新的电位器即可恢复正常工作。二 逆变电路出现的故障1 中频功率上不去。1)中频装置只能在低功率下工作,当直流电压Ud调高时,过流保护动作。故障原因是负载交流等效电阻偏小。尤其是炉子到了后期炉衬厚度减小,启动后往往是直流电压小,电流大,中频电压也小,换流比较困难,逆变器容易颠覆,功率升不上去,此时适当加大tf，即调大电流信号瓷盘电位器。待炉料熔化后再恢复ic至正常值。另外感应线圈匝间绝缘不良,电压低时可以工作,中频电压高时绝缘击穿造成匝间短路,交流等效电阻迅速减小,逆变容易颠覆。处理的办法是扒掉炉衬,搞好感应圈的绝缘便可正常。2)直流电压和中频电压都很高,而直流电流却很小,当直流电压升到最大值时中频功率还很低。故障原因是新打的炉衬炉壁较厚使负载交流等效电阻偏大,则启动后Ud大,Id小,中频装置不能满足功率输出。此时应加大补偿电容器的容量使等效电阻得以匹配。2 设备启动困难在较低功率下发生故障,中频电压高于直流电压几倍,电流很大,机器发出较低频率的声音,功率表指示很低。此种故障原因是逆变桥中的一组可控硅关不断或短路,老化造成的。特别是较老的中频装置最容易出现此现象。我们从图18a中假设4号桥臂关不断,则4号桥臂SCR电压U4的波形就是一条直线,见图18b。这时1号与2号桥臂可以正常换流,波形也是正常的,而3号桥臂的可控硅电压U3波形如图18b在t1时刻3号桥臂导电,照理讲他应导电半个周期,但是由于t2时刻以后负载中频电压改变方向,t2以后负载电压的极性如图18a所示,而4号桥臂又关不断,因此t2时刻3号桥臂因开始受反向电压而截止,所以3号只是在t1t2期间导电,3号在t2截止后,因4号始终导电,则U3电压就是负载中频电压波形。而3号桥臂的这个波形是4号关不断或短路所致,不应误认为3号桥臂SCR有问题。这种故障往往事先有一个可控硅关不断引起,然后桥臂上串联的另一个可控硅受全电压,因此开关损耗增加,温升增高,关断时间加长,造成可控硅关不断。3 功率在较低