簡(jiǎn)介
中頻電源是一種靜止變頻裝置，將三相工頻電源變換成單相電源。對(duì)各種負(fù)載適應(yīng)力強(qiáng)、適用范圍廣，主要應(yīng)用于各種金屬的熔煉、保溫、燒結(jié)、焊接、淬火、回火、透熱、金屬液凈化、熱處理、彎管、以及晶體生長(zhǎng)等。
標(biāo)準(zhǔn)輸出功率系列為：30kW~4000kW
標(biāo)準(zhǔn)配置熔煉爐系列為：5kg(30kW)~5000kg(4000kW)
標(biāo)準(zhǔn)振蕩頻率系列為：400Hz~10kHz
中頻感應(yīng)加熱技術(shù)是通過(guò)電磁感應(yīng)原理及利用渦流對(duì)工件進(jìn)行加熱。由于感應(yīng)加熱具有加熱速度快、物料內(nèi)部發(fā)熱效率高、加熱均勻且具有選擇性、產(chǎn)品質(zhì)量好、幾乎無(wú)環(huán)境污染、可控性好及易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化等一系列優(yōu)點(diǎn),因此近年來(lái)得到了迅速發(fā)展切。目前,感應(yīng)加熱己廣泛應(yīng)用于鑄造熔煉、鍛造毛坯加熱、金屬表面熱處理、鋁電解等行業(yè)中。以上這些行業(yè)中的傳統(tǒng)加熱方式大多是以煤、油、氣為能源或箱式電爐加熱,存在能耗高、勞動(dòng)條件差、環(huán)境污染嚴(yán)重、工藝質(zhì)量難以控制等缺陷,嚴(yán)重制約了我國(guó)裝備制造業(yè)的發(fā)展。因此,全面推廣感應(yīng)加熱技術(shù),是改造我國(guó)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的必然趨勢(shì),而此技術(shù)的發(fā)展與感應(yīng)加熱電源的水平密切相關(guān)。
中頻電源的結(jié)構(gòu)
中頻電源從早期的中頻發(fā)電機(jī)組發(fā)展成為可控硅式變頻電源,如今經(jīng)過(guò)不斷開發(fā)完善成為目前新一代變頻電源裝置。
中頻電源主要包括整流變壓器、可控硅整流器、續(xù)流二極管、逆變器以及聯(lián)結(jié)整流器與逆變器的直流電抗器，還有相應(yīng)的控制回路和保護(hù)回路。
變壓器與整流裝置
中頻電源的可控硅整流裝置能夠產(chǎn)生大量的高次諧波電流,可以把它看成是一個(gè)諧波源。為了減少其諧波危害,對(duì)其整流裝置的設(shè)計(jì)采取增加整流脈動(dòng)數(shù)作為抑制諧波的主要措施。通常情況下,對(duì)于1000kw以下的中頻電源裝置采用6脈動(dòng)整流,其產(chǎn)生的諧波主要為6k士1(k為正整數(shù))次的特征諧波電流;而對(duì)于1000kw以上的中頻電源裝置根據(jù)容量的大小,可采用12脈動(dòng)或24脈動(dòng)整流。對(duì)于12脈整流電路,它是由兩組6脈動(dòng)的三相橋并聯(lián)組成。兩組橋的交流側(cè)分別接到三繞組變壓器的兩個(gè)二次繞組上,一個(gè)繞組是星型接法,另一個(gè)是三角形接法,兩者線電壓相位差為30。當(dāng)兩組橋同步控制,使兩組整流橋得到相同的觸發(fā)角,經(jīng)過(guò)分析可得來(lái)自兩組整流橋的5次和7次諧波電流將在變壓器的一次側(cè)相互抵消。同樣17次和19次諧波電流亦相互抵消,這時(shí)網(wǎng)側(cè)的最低次特征諧波將是n次和13次諧波,接下來(lái)就是23次和25次諧波了。其變壓器一次線電流的波形是三階梯形,更接近正弦波。
工作原理
中頻電源的工作原理為：采用三相橋式全控整流電路將交流電整流為直流電，經(jīng)電抗器平波后，成為直流電源，再經(jīng)單相逆變橋，把直流電流逆變成一定頻率（一般為1000至8000Hz）的單相中頻電流。負(fù)載由感應(yīng)線圈和補(bǔ)償電容器組成，連接成并聯(lián)諧振電路（也可串聯(lián)，一般情況下IGBT電源采用串聯(lián)諧振，當(dāng)然，IGBT電源也可采用并聯(lián)諧振）。
一般情況下，可以把中頻電源的故障按照故障現(xiàn)象分為完全不能起動(dòng)和起動(dòng)后不能正常工作兩大類。作為一般的原則，當(dāng)出現(xiàn)故障后，應(yīng)在斷電的情況下對(duì)整個(gè)系統(tǒng)作全面檢查，它包括以下幾個(gè)方面：
（一）電源：用萬(wàn)用表測(cè)一下主電路開關(guān)（接觸器）和控制保險(xiǎn)絲后面是否有電，這將排除這些元件斷路的可能性。
（二）整流器：整流器采用三相全控橋式整流電路，它包括六個(gè)快速熔斷器、六個(gè)晶閘管、六個(gè)脈沖變壓器和一個(gè)續(xù)流二極管。在快速熔斷器上有一個(gè)紅色的指示器，正常時(shí)指示器縮在外殼里邊，當(dāng)快熔燒斷后它將彈出，有些快熔的指示器較緊，當(dāng)快熔燒斷后，它會(huì)卡在里面，所以為可靠起見，可以用萬(wàn)用表通斷檔測(cè)一下快熔，以判斷它是否燒斷。
測(cè)量晶閘管的簡(jiǎn)單方法是用萬(wàn)用表電阻擋（200Ω擋）測(cè)一下其陰極—陽(yáng)極、門極—陰極電阻，測(cè)量時(shí)晶閘管不用取下來(lái)。正常情況下，陽(yáng)極—陰極間電阻應(yīng)為無(wú)窮大，門極—陰極電阻應(yīng)在10—50Ω之間，過(guò)大或過(guò)小都表明這只晶閘管門極失效，它將不能被觸發(fā)導(dǎo)通。
脈沖變壓器次邊接在晶閘管上，原邊接在主控板上，用萬(wàn)用表測(cè)量原邊電阻約為50Ω。續(xù)流二極管一般不容易出現(xiàn)故障，檢查時(shí)用萬(wàn)用表二極管擋測(cè)其二端，正向時(shí)萬(wàn)用表顯示結(jié)壓降約有500mV，反向不通。
（三）逆變器：逆變器包括四只快速晶閘管和四只脈沖變壓器，可以按上述方法檢查。
（四）變壓器：每個(gè)變壓器的每個(gè)繞組都應(yīng)該是通的，一般原邊阻值約有幾十歐姆，次極幾歐姆。應(yīng)該注意：中頻電壓互感器的原邊與負(fù)載并聯(lián)，所以其電阻值為零。
（五）電容器：與負(fù)載并聯(lián)的電熱電容器可能被擊穿，電容器一般分組安裝在電容器架上，檢查時(shí)應(yīng)先確定被擊穿電容器所在的組。斷開每組電容器的匯流母排與主匯流排之間的連接點(diǎn)，測(cè)量每組電容器兩個(gè)匯流排間的電阻，正常時(shí)應(yīng)為無(wú)窮大。確認(rèn)壞的組后，再斷開每臺(tái)電熱電容器引至匯流排的軟銅皮，逐臺(tái)檢查即可找到擊穿的電容器。每臺(tái)電熱電容器由四個(gè)芯子組成，外殼為一極，另一極分別通過(guò)四個(gè)絕緣子引到端蓋上，一般只會(huì)有一個(gè)芯子被擊穿，跳開這個(gè)絕緣子上的引線，這臺(tái)電容器可以繼續(xù)使用，其容量是原來(lái)的3/4。電容器的另一個(gè)故障是漏油，一般不影響使用，但要注意防火。
安裝電容器的角鋼與電容器架是絕緣的，如果絕緣擊穿將使主回路接地，測(cè)量電容器外殼引線和電容器架之間的電阻，可以判斷這部分的絕緣狀況。
(六)水冷電纜：水冷電纜的作用是連接中頻電源和感應(yīng)線圈，它是用每根直徑Φ0.6–Ф0.8紫銅線絞合而成。對(duì)于500公斤電爐，電纜截面積為480平方毫米，對(duì)于250公斤電爐，電纜截面積采用300至400平方毫米。水冷電纜外膠管采用耐壓5公斤的壓力橡膠管，里面通以冷卻水，它是負(fù)載回路的一部分，工作時(shí)受到拉力和扭力，與爐體一起傾動(dòng)而發(fā)生曲折，因此時(shí)間長(zhǎng)后容易在柔性連接處斷裂開。水冷電纜斷裂過(guò)程，一般是先斷掉大部分后，在大功率運(yùn)行時(shí)把未斷小部分很快燒斷，這時(shí)中頻電源就會(huì)產(chǎn)生很高的過(guò)電壓，如果過(guò)電壓保護(hù)不可靠，就會(huì)燒壞晶閘管。水冷電纜斷開后，中頻電源無(wú)法啟動(dòng)工作。如不檢查出原因而反復(fù)啟動(dòng)，就很可能燒壞中頻電壓互感器。檢查故障時(shí)可用示波器，把示波器探頭夾在負(fù)載兩端，觀察按啟動(dòng)按鈕時(shí)有無(wú)衰減波形。確定電纜斷芯時(shí)先把水冷電纜與電熱電容器輸出銅排脫開，用萬(wàn)用表電阻擋（200Ω擋）測(cè)量電纜的電阻值，正常時(shí)電阻值為零，斷開時(shí)為無(wú)窮大。用萬(wàn)用表測(cè)量時(shí)，應(yīng)把爐體翻到傾倒位置，使水冷電纜掉起，這樣使斷處徹底脫離，才能正確判斷是否斷芯。
故障排查
通過(guò)以上幾個(gè)方面的檢查，一般能查出大部分的故障原因，接下來(lái)可以接通控制電源，作進(jìn)一步的檢查。中頻電源主電路合閘有手動(dòng)和自動(dòng)兩種。對(duì)于自動(dòng)合閘的系統(tǒng)，應(yīng)該先將電源線暫時(shí)斷開，以確保主電路不會(huì)合上。接通控制電源后，可以作下面幾個(gè)方面的檢查。
1．將示波器探頭接在整流晶閘管的門極和陰極上，示波器置于電源同步，按下啟動(dòng)按鈕后即可看到觸發(fā)脈沖波形，應(yīng)為雙脈沖，幅度應(yīng)大于2V。按一下停止按鈕，脈沖將立即消失。重復(fù)六次，將每個(gè)晶閘管都看一下，如果門極沒(méi)有脈沖，可以將示波器的探頭移到脈沖變壓器的原邊看一下，如果原邊有脈沖而次邊沒(méi)有，說(shuō)明脈沖變壓器損壞，否則問(wèn)題可能出在傳輸線或主控板上。
2．將示波器探頭接在逆變晶閘管的門極和陰極上，示波器置于內(nèi)同步，接通控制電源后可以看到逆變觸發(fā)脈沖，它是一串尖脈沖，幅度應(yīng)大于2V，通過(guò)示波器的時(shí)標(biāo)讀出脈沖周期，算出觸發(fā)脈沖頻率，正常時(shí)應(yīng)比電源柜的標(biāo)稱頻率高約20%，這個(gè)頻率稱為啟動(dòng)頻率。按下啟動(dòng)按鈕后，脈沖的間距加大，頻率變低，正常時(shí)應(yīng)比電源柜的標(biāo)稱頻率低約40%，按一下停止按鈕，脈沖頻率立即跳回啟動(dòng)頻率。
通過(guò)上列檢查，基本上能排除完全不能啟動(dòng)的故障。啟動(dòng)以后工作不正常，一般表現(xiàn)在下列幾個(gè)方面：
1．整流器缺相：故障表現(xiàn)為工作時(shí)聲音不正常，最大輸出電壓升不到額定值，且電源柜怪叫聲變大，這時(shí)可以調(diào)低輸出電壓在200V左右，用示波器觀察整流器的輸出電壓波形（示波器應(yīng)置于電源同步），正常時(shí)輸入電壓波形每周期有六個(gè)波形，缺相時(shí)會(huì)缺少二個(gè)，這一故障一般是由于整流器某只晶閘管沒(méi)有觸發(fā)脈沖或觸發(fā)不導(dǎo)通引起的，這時(shí)應(yīng)先用示波器看一下六個(gè)整流晶閘管的門極脈沖，如果有的話，關(guān)機(jī)后用萬(wàn)用表200Ω檔測(cè)量一下各個(gè)門極電阻，將不通或者門極電阻特別大的那只晶閘管換掉即可。
2．逆變器三橋臂工作：故障表現(xiàn)為輸出電流特別大，空爐時(shí)也一樣，且電源柜工作時(shí)聲音很沉重，啟動(dòng)后把功率旋鈕調(diào)到最小位置，會(huì)發(fā)現(xiàn)中頻輸出電壓比正常時(shí)高。用示波器依次觀察四個(gè)逆變晶閘管的陽(yáng)極—陰極之間的電壓波形。如果三橋臂工作，可以看到逆變器中有相鄰的二只晶閘管的波形正常，另外相鄰的二只有一只沒(méi)有波形，另一只為正弦波，如圖4所示，KK2觸發(fā)不通，其陽(yáng)極—陰極之間的波形就是正弦波；同時(shí)KK2不導(dǎo)通會(huì)導(dǎo)致KK1無(wú)法關(guān)斷，所以KK1二端就沒(méi)有波形。
3．感應(yīng)線圈故障：感應(yīng)線圈是中頻電源的負(fù)載，它采用壁厚3至5毫米的方形紫銅管制成。它的常見故障有以下幾種：
感應(yīng)線圈漏水，這可能引起線圈匝間打火，必須及時(shí)補(bǔ)焊才能運(yùn)行。
鋼水粘在感應(yīng)線圈上，鋼渣發(fā)熱、發(fā)紅，會(huì)引起銅管燒穿，必須及時(shí)清除干凈。
感應(yīng)線圈匝間短路，這類故障在小型中頻感應(yīng)爐上特別容易發(fā)生，因?yàn)闋t子小，在工作時(shí)受熱應(yīng)力作用而變形，導(dǎo)致匝間短路，故障表現(xiàn)為電流較大，工作頻率比平常時(shí)高。
綜上所述，為了能采用正確的方法進(jìn)行中頻電源的故障維修，就必須熟悉中頻電源常見故障的特點(diǎn)及原因，才能少走彎路，節(jié)省時(shí)間，盡快的將故障排除，恢復(fù)中頻電源的正常運(yùn)行，從而保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行。
主要特點(diǎn)
中頻電源的主要特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：
一、先進(jìn)的重復(fù)啟動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)100%的成功啟動(dòng) 啟動(dòng)方式采用它激轉(zhuǎn)自激形式的掃頻式零壓軟啟動(dòng)方式，在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中，頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)和電流，電壓調(diào)節(jié)閉壞系統(tǒng)，時(shí)刻跟蹤負(fù)載的變化，實(shí)現(xiàn)理想的軟啟動(dòng)，這種啟動(dòng)方式對(duì)可控硅沖擊小，利于延長(zhǎng)可控硅的使用壽命，同時(shí)具有輕重負(fù)荷均易啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，尤其是煉鋼爐滿爐、凍爐均可輕易啟動(dòng)。
二、尖端的技術(shù)，卓越的節(jié)能效果 控制電路采用了微電腦恒功率處理電路系統(tǒng)，加裝了逆變Ф角自動(dòng)調(diào)節(jié)電路，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)隨時(shí)自動(dòng)監(jiān)控電壓，電流，頻率的變化情況，并由此判斷出負(fù)載的變化，會(huì)自動(dòng)調(diào)整負(fù)載阻抗的匹配，達(dá)到恒功率輸出，從而達(dá)到節(jié)時(shí)、節(jié)電提高功率因數(shù)的目的。
三、完善的設(shè)計(jì)，促使電路的工作可靠 由于控制電路采用了CPLD軟件設(shè)計(jì)，其程序輸入由電腦來(lái)完成，其脈沖精度高，抗干擾，反應(yīng)速度快，調(diào)試方便，具有截流，截壓，過(guò)流，過(guò)壓,欠壓，缺相，缺水，等多項(xiàng)保護(hù)功能，由于各電路元件始終工作在安全范圍內(nèi)，從而大大提高了設(shè)備的使用壽命。
四、該設(shè)備能自動(dòng)判斷三相進(jìn)線相序，無(wú)需分辯A，B，C相序，調(diào)試極為方便。
五、程序所用軟件采用美國(guó)進(jìn)口，電路板的制作全部采用波峰自動(dòng)焊接，絕無(wú)虛焊現(xiàn)象，各種調(diào)節(jié)系統(tǒng)全部采用無(wú)觸點(diǎn)式電子調(diào)節(jié)，無(wú)故障點(diǎn)，故障率極低，操作極方便。
六、高頻率設(shè)備節(jié)能明顯，電網(wǎng)污染小。
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