中頻電源:靜止變頻裝置-中文百科頻道

簡介

主要應用于各種金屬的熔煉、保溫、燒結、焊接、淬火、回火、透熱、金屬液淨化、熱處理、彎管、以及晶體生長等。

标準輸出功率系列為：30kW~4000kW

标準配置熔煉爐系列為：5kg(30kW)~5000kg(4000kW)

标準振蕩頻率系列為：400Hz~10kHz

中頻感應加熱技術是通過電磁感應原理及利用渦流對工件進行加熱。由于感應加熱具有加熱速度快、物料内部發熱效率高、加熱均勻且具有選擇性、産品質量好、幾乎無環境污染、可控性好及易于實現生産自動化等一系列優點,因此近年來得到了迅速發展切。目前,感應加熱己廣泛應用于鑄造熔煉、鍛造毛坯加熱、金屬表面熱處理、鋁電解等行業中。以上這些行業中的傳統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、勞動條件差、環境污染嚴重、工藝質量難以控制等缺陷,嚴重制約了我國裝備制造業的發展。因此,全面推廣感應加熱技術,是改造我國傳統産業的必然趨勢,而此技術的發展與感應加熱電源的水平密切相關。

結構

中頻電源從早期的中頻發電機組發展成為可控矽式變頻電源,如今經過不斷開發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、可控矽整流器、續流二極管、逆變器以及聯結整流器與逆變器的直流電抗器,還有相應的控制回路和保護回路.

變壓器與整流裝置

中頻電源的可控矽整流裝置能夠産生大量的高次諧波電流,可以把它看成是一個諧波源。為了減少其諧波危害,對其整流裝置的設計采取增加整流脈動數作為抑制諧波的主要措施。通常情況下,對于1000kw以下的中頻電源裝置采用6脈動整流,其産生的諧波主要為6k士1(k為正整數)次的特征諧波電流;而對于1000kw以上的中頻電源裝置根據容量的大小,可采用12脈動或24脈動整流。對于12脈整流電路,它是由兩組6脈動的三相橋并聯組成。

兩組橋的交流側分别接到三繞組變壓器的兩個二次繞組上,一個繞組是星型接法,另一個是三角形接法,兩者線電壓相位差為30“。當兩組橋同步控制,使兩組整流橋得到相同的觸發角,經過分析可得來自兩組整流橋的5次和7次諧波電流将在變壓器的一次側相互抵消。同樣17次和19次諧波電流亦相互抵消,這時網側的最低次特征諧波将是n次和13次諧波,接下來就是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将交流電整流為直流電，經電抗器平波後，成為直流電源，再經單相逆變橋，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。負載由感應線圈和補償電容器組成，連接成并聯諧振電路（也可串聯，一般情況下IGBT電源采用串聯諧振，當然，IGBT電源也可采用并聯諧振）。

一般情況下，可以把中頻電源的故障按照故障現象分為完全不能起動和起動後不能正常工作兩大類。作為一般的原則，當出現故障後，應在斷電的情況下對整個系統作全面檢查，它包括以下幾個方面：

（一）電源：用萬用表測一下主電路開關（接觸器）和控制保險絲後面是否有電，這将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，它包括六個快速熔斷器、六個晶閘管、六個脈沖變壓器和一個續流二極管。在快速熔斷器上有一個紅色的指示器，正常時指示器縮在外殼裡邊，當快熔燒斷後它将彈出，有些快熔的指示器較緊，當快熔燒斷後，它會卡在裡面，所以為可靠起見，可以用萬用表通斷檔測一下快熔，以判斷它是否燒斷。

測量晶閘管的簡單方法是用萬用表電阻擋（200Ω擋）測一下其陰極—陽極、門極—陰極電阻，測量時晶閘管不用取下來。正常情況下，陽極—陰極間電阻應為無窮大，門極—陰極電阻應在10—50Ω之間，過大或過小都表明這隻晶閘管門極失效，它将不能被觸發導通。

脈沖變壓器次邊接在晶閘管上，原邊接在主控闆上，用萬用表測量原邊電阻約為50Ω。續流二極管一般不容易出現故障，檢查時用萬用表二極管擋測其二端，正向時萬用表顯示結壓降約有500mV，反向不通。

（三）逆變器：逆變器包括四隻快速晶閘管和四隻脈沖變壓器，可以按上述方法檢查。

（四）變壓器：每個變壓器的每個繞組都應該是通的，一般原邊阻值約有幾十歐姆，次極幾歐姆。應該注意：中頻電壓互感器的原邊與負載并聯，所以其電阻值為零。

（五）電容器：與負載并聯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，檢查時應先确定被擊穿電容器所在的組。斷開每組電容器的彙流母排與主彙流排之間的連接點，測量每組電容器兩個彙流排間的電阻，正常時應為無窮大。确認壞的組後，再斷開每台電熱電容器引至彙流排的軟銅皮，逐台檢查即可找到擊穿的電容器。每台電熱電容器由四個芯子組成，外殼為一極，另一極分别通過四個絕緣子引到端蓋上，一般隻會有一個芯子被擊穿，跳開這個絕緣子上的引線，這台電容器可以繼續使用，其容量是原來的3/4。電容器的另一個故障是漏油，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，如果絕緣擊穿将使主回路接地，測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線圈，它是用每根直徑Φ0.6–Ф0.8紫銅線絞合而成。對于500公斤電爐，電纜截面積為480平方毫米，對于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，裡面通以冷卻水，它是負載回路的一部分，工作時受到拉力和扭力，與爐體一起傾動而發生曲折，因此時間長後容易在柔性連接處斷裂開。

水冷電纜斷裂過程，一般是先斷掉大部分後，在大功率運行時把未斷小部分很快燒斷，這時中頻電源就會産生很高的過電壓，如果過電壓保護不可靠，就會燒壞晶閘管。水冷電纜斷開後，中頻電源無法啟動工作。如不檢查出原因而反複啟動，就很可能燒壞中頻電壓互感器。檢查故障時可用示波器，把示波器探頭夾在負載兩端，觀察按啟動按鈕時有無衰減波形。确定電纜斷芯時先把水冷電纜與電熱電容器輸出銅排脫開，用萬用表電阻擋（200Ω擋）測量電纜的電阻值，正常時電阻值為零，斷開時為無窮大。用萬用表測量時，應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，才能正确判斷是否斷芯。

故障排查

通過以上幾個方面的檢查，一般能查出大部分的故障原因，接下來可以接通控制電源，作進一步的檢查。中頻電源主電路合閘有手動和自動兩種。對于自動合閘的系統，應該先将電源線暫時斷開，以确保主電路不會合上。接通控制電源後，可以作下面幾個方面的檢查。

1．将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，按下啟動按鈕後即可看到觸發脈沖波形，應為雙脈沖，幅度應大于2V。按一下停止按鈕，脈沖将立即消失。重複六次，将每個晶閘管都看一下，如果門極沒有脈沖，可以将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有，說明脈沖變壓器損壞，否則問題可能出在傳輸線或主控闆上。

2．将示波器探頭接在逆變晶閘管的門極和陰極上，示波器置于内同步，接通控制電源後可以看到逆變觸發脈沖，它是一串尖脈沖，幅度應大于2V，通過示波器的時标讀出脈沖周期，算出觸發脈沖頻率，正常時應比電源櫃的标稱頻率高約20%，這個頻率稱為啟動頻率。按下啟動按鈕後，脈沖的間距加大，頻率變低，正常時應比電源櫃的标稱頻率低約40%，按一下停止按鈕，脈沖頻率立即跳回啟動頻率。

通過上列檢查，基本上能排除完全不能啟動的故障。啟動以後工作不正常，一般表現在下列幾個方面：

1．整流器缺相：故障表現為工作時聲音不正常，最大輸出電壓升不到額定值，且電源櫃怪叫聲變大，這時可以調低輸出電壓在200V左右，用示波器觀察整流器的輸出電壓波形（示波器應置于電源同步），正常時輸入電壓波形每周期有六個波形，缺相時會缺少二個，這一故障一般是由于整流器某隻晶閘管沒有觸發脈沖或觸發不導通引起的，這時應先用示波器看一下六個整流晶閘管的門極脈沖，如果有的話，關機後用萬用表200Ω檔測量一下各個門極電阻，将不通或者門極電阻特别大的那隻晶閘管換掉即可。

2．逆變器三橋臂工作：故障表現為輸出電流特别大，空爐時也一樣，且電源櫃工作時聲音很沉重，啟動後把功率旋鈕調到最小位置，會發現中頻輸出電壓比正常時高。用示波器依次觀察四個逆變晶閘管的陽極―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隻晶閘管的波形正常，另外相鄰的二隻有一隻沒有波形，另一隻為正弦波，如圖4所示，KK2觸發不通，其陽極―陰極之間的波形就是正弦波；同時KK2不導通會導緻KK1無法關斷，所以KK1二端就沒有波形。

3．感應線圈故障：感應線圈是中頻電源的負載，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：

感應線圈漏水，這可能引起線圈匝間打火，必須及時補焊才能運行。

鋼水粘在感應線圈上，鋼渣發熱、發紅，會引起銅管燒穿，必須及時清除幹淨。

感應線圈匝間短路，這類故障在小型中頻感應爐上特别容易發生，因為爐子小，在工作時受熱應力作用而變形，導緻匝間短路，故障表現為電流較大，工作頻率比平常時高。

綜上所述，為了能采用正确的方法進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及原因，才能少走彎路，節省時間，盡快的将故障排除，恢複中頻電源的正常運行，從而保證生産的順利進行。

主要特點

中頻電源的主要特點有以下幾點：

一、先進的重複啟動功能，實現100%的成功啟動啟動方式采用它激轉自激形式的掃頻式零壓軟啟動方式，在整個啟動過程中，頻率調節系統和電流，電壓調節閉壞系統，時刻跟蹤負載的變化，實現理想的軟啟動，這種啟動方式對可控矽沖擊小，利于延長可控矽的使用壽命，同時具有輕重負荷均易啟動的優點，尤其是煉鋼爐滿爐、凍爐均可輕易啟動。

二、尖端的技術，卓越的節能效果控制電路采用了微電腦恒功率處理電路系統，加裝了逆變Ф角自動調節電路，在運行過程中會随時自動監控電壓，電流，頻率的變化情況，并由此判斷出負載的變化，會自動調整負載阻抗的匹配，達到恒功率輸出，從而達到節時、節電提高功率因數的目的。

三、完善的設計，促使電路的工作可靠由于控制電路采用了CPLD軟件設計，其程序輸入由電腦來完成，其脈沖精度高，抗幹擾，反應速度快，調試方便，具有截流，截壓，過流，過壓,欠壓，缺相，缺水，等多項保護功能，由于各電路元件始終工作在安全範圍内，從而大大提高了設備的使用壽命。

四、該設備能自動判斷三相進線相序，無需分辯A，B，C相序，調試極為方便。

五、程序所用軟件采用美國進口，電路闆的制作全部采用波峰自動焊接，絕無虛焊現象，各種調節系統全部采用無觸點式電子調節，無故障點，故障率極低，操作極方便。

六、高頻率設備節能明顯，電網污染小。