Durag高壓脈沖點火器在凈化廠的應(yīng)用

劉海泉 張熙川 李良倫 顧勝前

(重慶天然氣凈化總廠，重慶 408324)

Durag高壓脈沖點火器在凈化廠的應(yīng)用

劉海泉 張熙川 李良倫 顧勝前

(重慶天然氣凈化總廠，重慶 408324)

介紹Durag高壓脈沖點火器的電路和點火原理，并總結(jié)了在天然氣凈化領(lǐng)域應(yīng)用中日常維護和故障檢修的要點。

高壓脈沖點火器 原理 維護與檢修

隨著國家對環(huán)境保護的高度重視，高壓脈沖點火器在污水處理、廢氣處理、天然氣凈化處理及硫磺回收等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。在天然氣凈化廠的硫磺回收工藝中，高壓脈沖點火器常用于主燃燒爐、廢氣焚燒爐及火炬等。

高壓點火裝置由整流電路、振蕩電路、升壓部件和放電電極組成[1]。目前，重慶天然氣凈化廠的Durag高壓脈沖點火器，點火性能穩(wěn)定、控制簡單、點火能量大。在此，介紹Durag高壓脈沖點火器的電路和點火原理，并總結(jié)在天然氣凈化領(lǐng)域應(yīng)用中日常維護和故障檢修的要點。

1.1 交直流變換

交直流變換是把220V/50Hz的交流電經(jīng)橋式整流濾波轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電。

1.1.1單相橋式整流原理

單相橋式整流電路是最基本的將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路，如圖1所示，其波形如圖2所示。

圖1 單相橋式交流轉(zhuǎn)直流電路

圖2 波形圖

根據(jù)圖2，輸出是單相脈動電壓，通常用它的平均值與直流電壓等效。輸出平均電壓為：

(1)

流過負載的平均電流為：

(2)

流過二極管的平均電流為：

(3)

二極管所承受的最大反向電壓為：

(4)

1.1.2電容濾波原理

現(xiàn)以在單相橋式整流電路中并聯(lián)一只電容濾波為例來說明。電容濾波電路如圖3所示。若電路處于正半周，二極管D1、D3導(dǎo)通，變壓器次端電壓V2給電容器C充電。此時電容C相當(dāng)于并聯(lián)在V2上，所以輸出波形同V2，是正弦形。所以，在t1～t2時刻，二極管導(dǎo)電，電容C充電，VC=VL按正弦規(guī)律變化；t2～t3時刻，二極管關(guān)斷，VC=VL按指數(shù)曲線下降，放電時間常數(shù)為RLC。從圖4所示的波形可以看出，經(jīng)過濾波后的輸出電壓不僅變得平滑，而且平均值也得以提高。

圖3 電容濾波電路

圖4 電容濾波波形

電容濾波的計算比較麻煩，因為決定輸出電壓的因素較多，工程上有詳細的曲線可供查閱。一般采用近似估算法[2]，即用鋸齒波近似表示為：

(5)

天然氣凈化廠所用Durag高壓脈沖點火器的交直流變換電路，如圖5所示。

圖5 Durag高壓脈沖點火器交直流變換電路

220V交流電由中心控制室控制現(xiàn)場的接觸器K1使觸點閉合，電流流過電源熔斷絲F1后，由電容C1和C2進行高頻濾波，電感L1和L2濾除電網(wǎng)中的噪聲干擾(同時也防止其電源工作時產(chǎn)生的諧波干擾竄入其他電網(wǎng)形成污染)，C3再次進行高頻濾波，得到較純凈的正弦波電壓，加到橋式整流濾波電路，經(jīng)整流橋進行單向橋式整流，電容C4濾波后獲得平滑的約300V的直流電壓。

1.2直交流變換

直交流變換(即高壓點火變換器的作用)是將直流電變換成一定頻率的交流電，按照驅(qū)動類型的不同，變換器分為它激式驅(qū)動和自激式驅(qū)動[3]。它激式驅(qū)動就是通過外加IC集成芯片為主電路提供驅(qū)動，其優(yōu)點是電路工作原理簡單，電路參數(shù)易于設(shè)計，工作性能可靠；而自激式驅(qū)動不需要外部IC，其驅(qū)動信號來自內(nèi)部[4]。

此部分的變換就是典型的開關(guān)電源中的集成電路它激式開關(guān)部分(圖5)。

整流濾波得到的約300V的直流電，再次經(jīng)電感L3濾波加至脈沖升壓器(即BV.73665 19 DT61 NK型開關(guān)變壓器)的初級線圈的一端。另一端接至大功率NPN型開關(guān)管的集電極上。開關(guān)管基極連接的V1是由集成塊MC14060B、電阻和電容組成的脈寬控制器(圖5)，由脈寬控制器推動開關(guān)管的導(dǎo)通與截止，這樣在升壓變壓器中形成交變磁場，通過升壓器的次級線圈感應(yīng)出交變電流，以約1kV的高壓輸出。圖5中的R1、C8、D7組成的是尖峰吸收回路，可避免開關(guān)管在截止時因其集電極的尖峰電壓過高而損壞[5]。

電路中的NPN型開關(guān)管型號為BUX48A，具有高電壓性能、大電流輸入輸出和轉(zhuǎn)換速度快的特點，被廣泛用于開關(guān)電源模式，其主要參數(shù)如圖6所示。

圖6 開關(guān)管的主要參數(shù)

驅(qū)動開關(guān)管的脈寬控制芯片為MC14060B，是14位二進制移位計數(shù)器芯片，攜帶有振蕩器緩沖區(qū)，可配置RC或晶體振蕩器電路。該芯片具有復(fù)位功能，被應(yīng)用于延時電路、計數(shù)器控制和分頻電路。MC14060B的外形如圖7所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖7 MC14060B的外形

圖8 MC14060B的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

利用MC14060B很方便地配置成RC振蕩電路(圖9)，電路中元器件選擇的要求與振蕩頻率的計算式為：

(6)

if 1Hz≤f≤1kHz then 2Rtc

圖9 RC振蕩電路

改變振蕩頻率可以通過調(diào)節(jié)電容Ctc的參數(shù)，

要求電阻Rtc的阻值不超過1MΩ。

2 點火系統(tǒng)組成與工作原理

經(jīng)過脈沖升壓變壓器升壓后，進行高壓半波整流、RC濾波、電感濾波并由一定頻率的脈沖發(fā)生器控制可控硅的通斷加至主燃燒爐中的點火槍，放電產(chǎn)生火花實現(xiàn)高能點火的目的，其結(jié)構(gòu)框圖[2]如圖10所示，電路如圖11所示。

圖10 點火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖11 點火電路

脈沖變壓器升壓后分兩路輸出，一路為點火用的高壓，另一路經(jīng)半波整流濾波并由三端集成穩(wěn)壓器LM7812穩(wěn)壓12V后向輔助電路供電。產(chǎn)生的接近1kV的高壓支路由5只高壓整流管整流，這5只高壓整流管相當(dāng)于組成一支高壓硅堆。

高壓硅堆由多只高壓整流二極管(硅粒)串聯(lián)組成，是高壓整流中將交流電變成直流電必不可少的器件，具有耐壓高、耐沖擊和可靠性高的特點，性能良好的高壓硅堆的正向電阻在200kΩ以上，反向電阻達數(shù)百兆歐，其外形與結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖11中，C6為高壓濾波電容，此電容容量為4μF，承受額定直流電壓為1 200V。Q2為單相可控硅，陽極與陰極正向連接，控制極與陰極被V2控制，V2是脈沖控制器，控制可控硅的通斷，因此可控硅為無觸點開關(guān)控制高壓的輸出。D8為續(xù)流二極管，與濾波電感、負載(點火槍)形成閉合回路，當(dāng)可控硅截止時電感產(chǎn)生的高壓電動勢以續(xù)電流方式消耗，從而保護電路中元件不被損壞。Durag脈沖產(chǎn)品中用的單相可控硅與續(xù)流二極管為一體，其內(nèi)部電路[2]如圖13所示。

圖12 高壓硅堆的外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖13 Durag脈沖可控硅模塊內(nèi)部電路

單相可控硅的特性：當(dāng)陽極接正向電壓，陰極接反向電壓，控制極與陰極之間接正向電壓時(即控制電壓)就會變成導(dǎo)通狀態(tài)。一旦導(dǎo)通，控制電壓便失去了對它的控制作用，不論有沒有控制電壓，也不論控制電壓的極性如何，將一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。要想關(guān)斷，只有把陽極電壓降低到某一臨界值或者反向。

根據(jù)可控硅特性與系統(tǒng)框圖，當(dāng)交流接觸器使用220V交流電輸入時，可控硅處于正向連接狀態(tài)，當(dāng)一個控制信號觸發(fā)脈沖發(fā)生器使之產(chǎn)生高低電頻的脈沖，脈沖的高電平加到可控硅的控制極，從而使之導(dǎo)通，高壓就輸出到主爐里的點火槍，可控硅就不再受脈沖發(fā)生器的控制。若要關(guān)斷可控硅則使交流接觸器切斷220V交流輸入。

圖11中的R11是高壓濾波電容泄放電阻，當(dāng)220V交流電被切斷時，高壓電容通過泄放電阻R11放掉高壓濾波電容中的剩余電荷，可控硅就被截止。實際電路板上是將泄放電阻直接并接到高壓濾波電容的兩個引腳上，其阻值較大。R3～R8串聯(lián)達到一定的阻值進行分流起到電路保護的作用。R2是可控硅的限流電阻，因為當(dāng)可控硅導(dǎo)通時，必定產(chǎn)生很大的沖擊電流或是變壓器的半個周期尖峰到來時有可能損壞整流管和可控硅，所以此電阻起限流作用，同時它與濾波電容組成了RC濾波器，是為了提高濾波效果。點火電路中的L4為濾波電感，濾除電路中的高頻成分。

3 主要故障檢修要點和方法

首先判斷點火槍是否良好，接線是否牢固可靠。如果已檢查點火槍是良好的，則故障在點火器上；如果點火器因某種原因燒壞，在沒有新的點火器替換時，或是已有配件的情況下，可以按照下述方法進行檢維修。

3.1交直流變換部分的檢查

首先檢查接觸器上是否有220V交流電，由中控室給出輸出控制信號，檢查接觸器上的220V交流電是否輸入到點火器的交直流變換接線端，若無，則檢查交流接觸器的線圈是否燒斷；若有則檢查熔斷絲是否熔斷。若已斷，說明電路中有嚴(yán)重短路現(xiàn)象，應(yīng)拆下點火器單獨供電，檢查開關(guān)管集電極的300V直流電是否正常，若無300V直流電壓，應(yīng)檢查開關(guān)管是否被擊穿、濾波電容是否漏電或擊穿、整流橋里的二極管是否被擊穿。如果熔斷絲沒有斷且無300V直流電壓，說明整流濾波前級電路有開路故障，如整流橋被燒壞、電網(wǎng)濾波線圈被燒斷。若整流電路有300V直流電，則說明整流濾波電路無問題。如果脈沖變壓器次級無電壓輸出，則故障應(yīng)在開關(guān)振蕩電路，如開關(guān)管開路、振蕩器的供電電路故障或被燒壞等。

3.2高壓輸出部分的檢查

這部分電路器件不多，很容易檢查元器件的好壞。如檢查脈沖變壓器次級線圈是否良好、用機械萬用表檢查高壓濾波電容是否漏電或擊穿及濾波線圈是否燒斷、檢查晶閘管是否良好、高壓整流管是否燒斷或擊穿及電阻有無黑斑現(xiàn)象等。

4 結(jié)束語

Durag脈沖點火器在天然氣凈化廠使用時間比較長，故障率很低，由于產(chǎn)品都是進口的，其技術(shù)資料幾乎沒有。如果產(chǎn)品被燒壞，多數(shù)情況下是不計成本地換成新的設(shè)備。如果沒有或來不及更換新的產(chǎn)品，或是有備用配件情況下，只要掌握其電路原理和故障檢測方法，找到故障點，換上相應(yīng)的配件點火器即可恢復(fù)正常工作，既提高了檢修技能，又節(jié)約了新產(chǎn)品購置費。

[1] 張曉鵬,胡紅利,周玉銘.幾種進口燃燒機高壓點火裝置的比較[J].高壓電器,2001,37(2):36～40.

[2] 童詩白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[J].北京:高等教育出版社,2001.

[3] 劉晨陽.氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].杭州:浙江大學(xué),2005.

[4] 周軍.高壓自激點火變換器及其變壓器的研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2009.

[5] 張伯龍.典型開關(guān)電源電路分析與檢修[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

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1000-3932(2016)01-0100-05

2015-11-05(修改稿)