黃 健

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院附屬工廠,湖北武漢 430050)

電能是當(dāng)今最重要的能源形式。隨著國民經(jīng)濟(jì)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(dǎo)體開關(guān)器件的長(zhǎng)足進(jìn)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(chǎng)合,尤其適用于需要頻繁啟動(dòng)的工作場(chǎng)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(hù)電路、啟動(dòng)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(shí)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(duì)稱高、抗干擾能力強(qiáng)、反應(yīng)速度快等特點(diǎn),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(duì)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(yùn)行。

逆變采用掃頻式零壓軟啟動(dòng)方式,并設(shè)有自動(dòng)重復(fù)啟動(dòng)電路,可防止中頻電源偶爾的啟動(dòng)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(hào),而無需槽路電容器的電流信號(hào)。

逆變電路中還加有逆變角調(diào)節(jié)電路,可以自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載阻抗的匹配,達(dá)到恒功率輸出,可以實(shí)現(xiàn)“快速熔煉”,達(dá)到節(jié)時(shí)、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(gè)控制電路除逆變末級(jí)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(dòng)演算等,除調(diào)節(jié)器為模擬運(yùn)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(shí)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(fù)起動(dòng)、過流保護(hù)、過壓保護(hù)、缺相、、保護(hù)、水壓低保護(hù)、水溫高保護(hù)控制板欠壓保護(hù),另外還有二個(gè)外部故障輸入保護(hù)

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(shí)鐘、數(shù)字觸發(fā)、末及驅(qū)動(dòng)等電路。如圖1,三相同步信號(hào)直接由晶閘管的門極引線K4、K6、K2從主回路的三相進(jìn)線上取得,由 R8、C5、R9、C6、R10、C7進(jìn)行濾波,再經(jīng)6只光電耦合器進(jìn)行電位隔離,獲得6個(gè)相位互差60°的矩形波同步信號(hào),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(jì)數(shù)(時(shí)鐘脈沖)的辦法來實(shí)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(dòng)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(gè)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(dòng)和運(yùn)行的整個(gè)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(dá)到最大值的時(shí)候,即U3D沒有限幅,而U3A工作于限幅狀態(tài),對(duì)應(yīng)的為最小逆變?chǔ)慕?此時(shí)系統(tǒng)完全是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到新的平衡。此時(shí),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(hào)由UP1、UP2輸入后,分為兩路,一路由 U2C進(jìn)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(hù)。

由主回路交流互感器取得的電流信號(hào),先在外部轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),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(hù)信號(hào),另一路作為電壓/電流調(diào)節(jié)器的反饋信號(hào)。

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(dòng),只取一路中頻電壓反饋信號(hào),無需槽路中頻電容器上的電流信號(hào)。

在逆變電路啟動(dòng)前,先以一個(gè)高于槽路諧振頻率的它激信號(hào)去觸發(fā)逆變晶閘管,當(dāng)電路檢測(cè)到主回路開始有直流電流時(shí),便控制它激信號(hào)的頻率從高向低掃描,同時(shí)繼續(xù)加大主回路的直流電流,當(dāng)它激信號(hào)頻率下降到接近槽路諧振頻率時(shí),中頻電壓便建立起來,并反饋到自動(dòng)調(diào)頻電路。自動(dòng)調(diào)頻電路一旦投入工作,便停止它激信號(hào)的頻率往低掃描動(dòng)作,轉(zhuǎn)出自動(dòng)調(diào)頻電路控制逆變動(dòng)引前角,使設(shè)備進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

由UP1和 UP2熟人的中頻電壓信號(hào),經(jīng)U2C轉(zhuǎn)換成方波信號(hào),輸入到U5的12P。由U5的64P、67P輸出的逆變觸發(fā)信號(hào),經(jīng)U7隔離放大后,驅(qū)動(dòng)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(gè)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(dǎo)通時(shí)間過長(zhǎng)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(hù)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(rèn)為是硅本身性能下降,或者是阻容保護(hù)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(diǎn):

(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。