晶閘管中頻電源工作原理分析及故障的防止

黃 健

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學院附屬工廠,湖北武漢 430050)

電能是當今最重要的能源形式。隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展和國內(nèi)外能源供應(yīng)的緊張,電能的開發(fā)和利用顯得更為重要。由于功率半導體開關(guān)器件的長足進步,以逆變技術(shù)為基礎(chǔ)的晶閘管中頻電源廣泛用于金屬熔煉、透熱、淬火及各種金屬釬焊等感應(yīng)加熱場合,尤其適用于需要頻繁啟動的工作場合。

1 晶閘管中頻電源分析

晶閘管中頻電源是一種將工頻50Hz交流電變?yōu)橹蓄l500-1000Hz交流電的靜止式變頻裝置。晶閘管中頻電源控制板經(jīng)歷了最初由電子分離元件器組成電路到半集成電路,最后到超大集成電路的發(fā)展過程。DLJ-6恒功率晶閘管中頻電源控制板,主要由電源、調(diào)節(jié)器、移相控制電路、保護電路、啟動演算電路、逆變頻率跟蹤、逆變脈沖形成、脈沖放大及脈沖變壓器組成。由于采用DLJ集成電路,使其電路除調(diào)節(jié)器外,其余均實現(xiàn)數(shù)字化,整流觸發(fā)器部分不需要任何調(diào)整,而且可靠性高、脈沖對稱高、抗干擾能力強、反應(yīng)速度快等特點,又由于有相序自適應(yīng)電路,無需同步變壓器,免去了調(diào)相序、對同步的工作,僅需把晶閘管的門極線接入控制板相應(yīng)的接線端上,整流部分便能投入運行。

逆變采用掃頻式零壓軟啟動方式,并設(shè)有自動重復啟動電路,可防止中頻電源偶爾的啟動失敗。頻率跟蹤電路采用的是平均值取樣方案,提高了逆變的抗干擾能力,而且僅需取樣中頻電壓信號,而無需槽路電容器的電流信號。

逆變電路中還加有逆變角調(diào)節(jié)電路,可以自動調(diào)節(jié)負載阻抗的匹配,達到恒功率輸出,可以實現(xiàn)“快速熔煉”,達到節(jié)時、節(jié)電、提高網(wǎng)側(cè)功率因素的目的。

2 變頻器工作原理

整個控制電路除逆變末級觸發(fā)單元外,做成一塊印刷電路板結(jié)構(gòu)。功能上包括電源、整流觸發(fā)、調(diào)節(jié)器、逆變觸發(fā)、啟動演算等,除調(diào)節(jié)器為模擬運算電路外,其余均為數(shù)字電路。

組成控制板的核心集成電路為 U5,DLJ是一塊專用超大規(guī)模數(shù)字集成電路,有3路時鐘輸入口,33路輸入/輸出口,內(nèi)部功能包括整流移相觸發(fā)、相序自適應(yīng)、逆變觸發(fā)、逆變引前角鎖定、逆變重復起動、過流保護、過壓保護、缺相、、保護、水壓低保護、水溫高保護控制板欠壓保護,另外還有二個外部故障輸入保護

2.1 整流觸發(fā)工作原理

這部分電路包括三相同步、相序自適應(yīng)、壓控時鐘、數(shù)字觸發(fā)、末及驅(qū)動等電路。如圖1,三相同步信號直接由晶閘管的門極引線K4、K6、K2從主回路的三相進線上取得,由 R8、C5、R9、C6、R10、C7進行濾波,再經(jīng)6只光電耦合器進行電位隔離,獲得6個相位互差60°的矩形波同步信號,輸入到 U5 的 54P 、56P、58P、60P、61P、63P。

圖1 整流觸發(fā)工作電路

圖2 調(diào)節(jié)器工作原理

在U5的內(nèi)部有相序自適應(yīng)電路,確保了中頻電源的三相交流輸入可以不分相序。數(shù)字觸發(fā)的特征是用計數(shù)(時鐘脈沖)的辦法來實現(xiàn)移相,6路整流移相觸發(fā)脈沖均由U5產(chǎn)生。6路整流移相觸發(fā)脈沖經(jīng) U6晶體管陳列放大后,驅(qū)動整流脈沖變壓器輸出。

2.2 調(diào)節(jié)器工作原理

如圖2所示,共設(shè)有2個調(diào)節(jié)器:中頻電壓/電流調(diào)節(jié)器、逆變角調(diào)節(jié)器。電壓/電流調(diào)節(jié)器(U3C),在啟動和運行的整個階段,始終參與工作,逆變角調(diào)節(jié)器(U3B)用于使逆變橋能在某一δ角下穩(wěn)定的工作。

調(diào)節(jié)器電路的工作過程可以分為兩種情況;一種是直流電壓沒有達到最大值的時候,即U3D沒有限幅,而U3A工作于限幅狀態(tài),對應(yīng)的為最小逆變δ角,此時系統(tǒng)完全是一個標準的電壓/電流閉環(huán)系統(tǒng);另一種情況是直流電壓已到最大值,即U3D開始限幅,整流橋的調(diào)節(jié)不再起作用,而U3A退出限幅狀態(tài)開始工作,調(diào)節(jié)逆變角調(diào)節(jié)器的δ角給定值,使輸出的中頻電壓增加,達到新的平衡。此時,就有電壓/電流調(diào)節(jié)器與逆變角調(diào)節(jié)器雙環(huán)工作。

如圖3,中頻電壓互感器過來的中頻電壓信號由UP1、UP2輸入后,分為兩路,一路由 U2C進行電平轉(zhuǎn)換后送到U5的12P,另一路經(jīng)D35-D38整流后,又分為兩路,一路送到電壓/電流調(diào)節(jié)器,另一路送到過電壓保護。

由主回路交流互感器取得的電流信號,先在外部轉(zhuǎn)換成電壓信號,從I1、I2、I3輸入,經(jīng)二極管D39～D44整流后,再分為兩路,一路作為過流保護信號,另一路作為電壓/電流調(diào)節(jié)器的反饋信號。

2.3 逆變部分工作原理

本電路逆變觸發(fā)部分,采用的是掃頻式零壓軟啟動,只取一路中頻電壓反饋信號,無需槽路中頻電容器上的電流信號。

在逆變電路啟動前,先以一個高于槽路諧振頻率的它激信號去觸發(fā)逆變晶閘管,當電路檢測到主回路開始有直流電流時,便控制它激信號的頻率從高向低掃描,同時繼續(xù)加大主回路的直流電流,當它激信號頻率下降到接近槽路諧振頻率時,中頻電壓便建立起來,并反饋到自動調(diào)頻電路。自動調(diào)頻電路一旦投入工作,便停止它激信號的頻率往低掃描動作,轉(zhuǎn)出自動調(diào)頻電路控制逆變動引前角,使設(shè)備進入穩(wěn)態(tài)運行。

由UP1和 UP2熟人的中頻電壓信號,經(jīng)U2C轉(zhuǎn)換成方波信號,輸入到U5的12P。由U5的64P、67P輸出的逆變觸發(fā)信號,經(jīng)U7隔離放大后,驅(qū)動逆變觸發(fā)CMOS晶體管Q5、Q6。

圖3 調(diào)節(jié)器工作過程

3 可控硅中頻電源燒毀原因及防止措施

中頻電源的最大故障就是燒晶閘管,其中又以逆變晶閘管燒毀最為常見。一般可分為有規(guī)則燒毀和無規(guī)則燒毀兩種情況。

有規(guī)則燒毀是指每次燒硅故障都是在同一個位置。如燒整流硅和快熔故障,除主回路短路外,大多數(shù)原因是整流波形成發(fā)現(xiàn)變化,使硅導通時間過長或過短,引起短路而燒硅。如果有規(guī)律燒逆變硅,則可能是逆變部分觸發(fā)系統(tǒng)或阻容保護系統(tǒng)存在問題。

無規(guī)則燒硅是指每次燒硅沒有規(guī)律,如果燒硅不頻繁,一年或二年才燒一次,則可以認為是硅本身性能下降,或者是阻容保護失敗、水管堵塞等原因造成的。如果燒硅比較頻繁,可能是接觸不良、線路松脫、元件老化等。在中頻電源的使用過程中,為了盡量少燒硅,必須做到以下幾點:

(1)經(jīng)常消除配電柜內(nèi)的積塵,尤其是晶閘管芯外部。

(2)檢查水管是否扎結(jié)牢固,是否有足夠的水流量,是否堵塞。

(3)不定期緊固水纜線,觀察是否有打火現(xiàn)象。