晶闸管中频电源工作原理分析及故障的防止

黄 健

(武汉船舶职业技术学院附属工厂,湖北武汉 430050)

电能是当今最重要的能源形式。随着国民经济的高速发展和国内外能源供应的紧张,电能的开发和利用显得更为重要。由于功率半导体开关器件的长足进步,以逆变技术为基础的晶闸管中频电源广泛用于金属熔炼、透热、淬火及各种金属钎焊等感应加热场合,尤其适用于需要频繁启动的工作场合。

1 晶闸管中频电源分析

晶闸管中频电源是一种将工频50Hz交流电变为中频500-1000Hz交流电的静止式变频装置。晶闸管中频电源控制板经历了最初由电子分离元件器组成电路到半集成电路,最后到超大集成电路的发展过程。DLJ-6恒功率晶闸管中频电源控制板,主要由电源、调节器、移相控制电路、保护电路、启动演算电路、逆变频率跟踪、逆变脉冲形成、脉冲放大及脉冲变压器组成。由于采用DLJ集成电路,使其电路除调节器外,其余均实现数字化,整流触发器部分不需要任何调整,而且可靠性高、脉冲对称高、抗干扰能力强、反应速度快等特点,又由于有相序自适应电路,无需同步变压器,免去了调相序、对同步的工作,仅需把晶闸管的门极线接入控制板相应的接线端上,整流部分便能投入运行。

逆变采用扫频式零压软启动方式,并设有自动重复启动电路,可防止中频电源偶尔的启动失败。频率跟踪电路采用的是平均值取样方案,提高了逆变的抗干扰能力,而且仅需取样中频电压信号,而无需槽路电容器的电流信号。

逆变电路中还加有逆变角调节电路,可以自动调节负载阻抗的匹配,达到恒功率输出,可以实现“快速熔炼”,达到节时、节电、提高网侧功率因素的目的。

2 变频器工作原理

整个控制电路除逆变末级触发单元外,做成一块印刷电路板结构。功能上包括电源、整流触发、调节器、逆变触发、启动演算等,除调节器为模拟运算电路外,其余均为数字电路。

组成控制板的核心集成电路为 U5,DLJ是一块专用超大规模数字集成电路,有3路时钟输入口,33路输入/输出口,内部功能包括整流移相触发、相序自适应、逆变触发、逆变引前角锁定、逆变重复起动、过流保护、过压保护、缺相、、保护、水压低保护、水温高保护控制板欠压保护,另外还有二个外部故障输入保护

2.1 整流触发工作原理

这部分电路包括三相同步、相序自适应、压控时钟、数字触发、末及驱动等电路。如图1,三相同步信号直接由晶闸管的门极引线K4、K6、K2从主回路的三相进线上取得,由 R8、C5、R9、C6、R10、C7进行滤波,再经6只光电耦合器进行电位隔离,获得6个相位互差60°的矩形波同步信号,输入到 U5 的 54P 、56P、58P、60P、61P、63P。

图1 整流触发工作电路

图2 调节器工作原理

在U5的内部有相序自适应电路,确保了中频电源的三相交流输入可以不分相序。数字触发的特征是用计数(时钟脉冲)的办法来实现移相,6路整流移相触发脉冲均由U5产生。6路整流移相触发脉冲经 U6晶体管陈列放大后,驱动整流脉冲变压器输出。

2.2 调节器工作原理

如图2所示,共设有2个调节器:中频电压/电流调节器、逆变角调节器。电压/电流调节器(U3C),在启动和运行的整个阶段,始终参与工作,逆变角调节器(U3B)用于使逆变桥能在某一δ角下稳定的工作。

调节器电路的工作过程可以分为两种情况;一种是直流电压没有达到最大值的时候,即U3D没有限幅,而U3A工作于限幅状态,对应的为最小逆变δ角,此时系统完全是一个标准的电压/电流闭环系统;另一种情况是直流电压已到最大值,即U3D开始限幅,整流桥的调节不再起作用,而U3A退出限幅状态开始工作,调节逆变角调节器的δ角给定值,使输出的中频电压增加,达到新的平衡。此时,就有电压/电流调节器与逆变角调节器双环工作。

如图3,中频电压互感器过来的中频电压信号由UP1、UP2输入后,分为两路,一路由 U2C进行电平转换后送到U5的12P,另一路经D35-D38整流后,又分为两路,一路送到电压/电流调节器,另一路送到过电压保护。

由主回路交流互感器取得的电流信号,先在外部转换成电压信号,从I1、I2、I3输入,经二极管D39～D44整流后,再分为两路,一路作为过流保护信号,另一路作为电压/电流调节器的反馈信号。

2.3 逆变部分工作原理

本电路逆变触发部分,采用的是扫频式零压软启动,只取一路中频电压反馈信号,无需槽路中频电容器上的电流信号。

在逆变电路启动前,先以一个高于槽路谐振频率的它激信号去触发逆变晶闸管,当电路检测到主回路开始有直流电流时,便控制它激信号的频率从高向低扫描,同时继续加大主回路的直流电流,当它激信号频率下降到接近槽路谐振频率时,中频电压便建立起来,并反馈到自动调频电路。自动调频电路一旦投入工作,便停止它激信号的频率往低扫描动作,转出自动调频电路控制逆变动引前角,使设备进入稳态运行。

由UP1和 UP2熟人的中频电压信号,经U2C转换成方波信号,输入到U5的12P。由U5的64P、67P输出的逆变触发信号,经U7隔离放大后,驱动逆变触发CMOS晶体管Q5、Q6。

图3 调节器工作过程

3 可控硅中频电源烧毁原因及防止措施

中频电源的最大故障就是烧晶闸管,其中又以逆变晶闸管烧毁最为常见。一般可分为有规则烧毁和无规则烧毁两种情况。

有规则烧毁是指每次烧硅故障都是在同一个位置。如烧整流硅和快熔故障,除主回路短路外,大多数原因是整流波形成发现变化,使硅导通时间过长或过短,引起短路而烧硅。如果有规律烧逆变硅,则可能是逆变部分触发系统或阻容保护系统存在问题。

无规则烧硅是指每次烧硅没有规律,如果烧硅不频繁,一年或二年才烧一次,则可以认为是硅本身性能下降,或者是阻容保护失败、水管堵塞等原因造成的。如果烧硅比较频繁,可能是接触不良、线路松脱、元件老化等。在中频电源的使用过程中,为了尽量少烧硅,必须做到以下几点:

(1)经常消除配电柜内的积尘,尤其是晶闸管芯外部。

(2)检查水管是否扎结牢固,是否有足够的水流量,是否堵塞。

(3)不定期紧固水缆线,观察是否有打火现象。