中频电源故障分析与检修.docx

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中频电源故障分析与检修

中频电源故障分析与检修

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中频电源的工作原理为：

采用三相桥式全控整流电路将交流电整流为直流电，经电抗器平波后，成为一个恒定的直流电流源，再经单相逆变桥，把直流电流逆变成一定频率（一般为1000至8000Hz）的单相中频电流。

负载由感应线圈和补偿电容器组成，连接成并联谐振电路。

　　一般情况下，可以把中频电源的故障按照故障现象分为完全不能起动和起动后不能正常工作两大类。

作为一般的原则，当出现故障后，应在断电的情况下对整个系统作全面检查，它包括以下几个方面：

（一）电源：

用万用表测一下主电路开关（接触器）和控制保险丝后面是否有电，这将排除这些元件断路的可能性。

（二）整流器：

整流器采用三相全控桥式整流电路，它包括六个快速熔断器、六个晶闸管、六个脉冲变压器和一个续流二极管。

在快速熔断器上有一个红色的指示器，正常时指示器缩在外壳里边，当快熔烧断后它将弹出，有些快熔的指示器较紧，当快熔烧断后，它会卡在里面，所以为可靠起见，可以用万用表通断档测一下快熔，以判断它是否烧断。

　　测量晶闸管的简单方法是用万用表电阻挡（200挡）测一下其阴极阳极、门极阴极电阻，测量时晶闸管不用取下来。

正常情况下，阳极阴极间电阻应为无穷大，门极阴极电阻应在1050之间，过大或过小都表明这只晶闸管门极失效，它将不能被触发导通。

　　脉冲变压器次边接在晶闸管上，原边接在主控板上，用万用表测量原边电阻约为50。

续流二极管一般不容易出现故障，检查时用万用表二极管挡测其二端，正向时万用表显示结压降约有500mV，反向不通。

　　（三）逆变器：

逆变器包括四只快速晶闸管和四只脉冲变压器，可以按上述方法检查。

　　（四）变压器：

每个变压器的每个绕组都应该是通的，一般原边阻值约有几十欧姆，次极几欧姆。

应该注意：

中频电压互感器的原边与负载并联，所以其电阻值为零。

　　（五）电容器：

与负载并联的电热电容器可能被击穿，电容器一般分组安装在电容器架上，检查时应先确定被击穿电容器所在的组。

断开每组电容器的汇流母排与主汇流排之间的连接点，测量每组电容器两个汇流排间的电阻，正常时应为无穷大。

确认坏的组后，再断开每台电热电容器引至汇流排的软铜皮，逐台检查即可找到击穿的电容器。

每台电热电容器由四个芯子组成，外壳为一极，另一极分别通过四个绝缘子引到端盖上，一般只会有一个芯子被击穿，跳开这个绝缘子上的引线，这台电容器可以继续使用，其容量是原来的3/4。

电容器的另一个故障是漏油，一般不影响使用，但要注意防火。

　　安装电容器的角钢与电容器架是绝缘的，如果绝缘击穿将使主回路接地，测量电容器外壳引线和电容器架之间的电阻，可以判断这部分的绝缘状况。

　　（六）水冷电缆：

水冷电缆的作用是连接中频电源和感应线圈，它是用每根直径0.6Ф0.8紫铜线绞合而成。

对于500公斤电炉，电缆截面积为480平方毫米，对于250公斤电炉，电缆截面积采用300至400平方毫米。

水冷电缆外胶管采用耐压5公斤的压力橡胶管，里面通以冷却水，它是负载回路的一部分，工作时受到拉力和扭力，与炉体一起倾动而发生曲折，因此时间长后容易在柔性连接处断裂开。

水冷电缆断裂过程，一般是先断掉大部分后，在大功率运行时把未断小部分很快烧断，这时中频电源就会产生很高的过电压，如果过电压保护不可靠，就会烧坏晶闸管。

水冷电缆断开后，中频电源无法启动工作。

如不检查出原因而反复启动，就很可能烧坏中频电压互感器。

检查故障时可用示波器，把示波器探头夹在负载两端，观察按启动按钮时有无衰减波形。

确定电缆断芯时先把水冷电缆与电热电容器输出铜排脱开，用万用表电阻挡（200挡）测量电缆的电阻值，正常时电阻值为零，断开时为无穷大。

用万用表测量时，应把炉体翻到倾倒位置，使水冷电缆掉起，这样使断处彻底脱离，才能正确判断是否断芯。

　　通过以上几个方面的检查，一般能查出大部分的故障原因，接下来可以接通控制电源，作进一步的检查。

中频电源主电路合闸有手动和自动两种。

对于自动合闸的系统，应该先将电源线暂时断开，以确保主电路不会合上。

接通控制电源后，可以作下面几个方面的检查。

　　1．将示波器探头接在整流晶闸管的门极和阴极上，示波器置于电源同步，按下启动按钮后即可看到触发脉冲波形，应为双脉冲，幅度应大于2V。

按一下停止按钮，脉冲将立即消失。

重复六次，将每个晶闸管都看一下，如果门极没有脉冲，可以将示波器的探头移到脉冲变压器的原边看一下，如果原边有脉冲而次边没有，说明脉冲变压器损坏，否则问题可能出在传输线或主控板上。

　　2．将示波器探头接在逆变晶闸管的门极和阴极上，示波器置于内同步，接通控制电源后可以看到逆变触发脉冲，它是一串尖脉冲，幅度应大于2V，通过示波器的时标读出脉冲周期，算出触发脉冲频率，正常时应比电源柜的标称频率高约20%，这个频率称为启动频率。

按下启动按钮后，脉冲的间距加大，频率变低，正常时应比电源柜的标称频率低约40%，按一下停止按钮，脉冲频率立即跳回启动频率。

　　通过上列检查，基本上能排除完全不能启动的故障。

启动以后工作不正常，一般表现在下列几个方面：

　　1．整流器缺相：

故障表现为工作时声音不正常，最大输出电压升不到额定值，且电源柜怪叫声变大，这时可以调低输出电压在200V左右，用示波器观察整流器的输出电压波形（示波器应置于电源同步），正常时输入电压波形每周期有六个波形，缺相时会缺少二个，这一故障一般是由于整流器某只晶闸管没有触发脉冲或触发不导通引起的，这时应先用示波器看一下六个整流晶闸管的门极脉冲，如果有的话，关机后用万用表200档测量一下各个门极电阻，将不通或者门极电阻特别大的那只晶闸管换掉即可。

　　2．逆变器三桥臂工作：

故障表现为输出电流特别大，空炉时也一样，且电源柜工作时声音很沉重，启动后把功率旋钮调到最小位置，会发现中频输出电压比正常时高。

用示波器依次观察四个逆变晶闸管的阳极阴极之间的电压波形。

如果三桥臂工作，可以看到逆变器中有相邻的二只晶闸管的波形正常，另外相邻的二只有一只没有波形，另一只为正弦波，如图4所示，KK2触发不通，其阳极阴极之间的波形就是正弦波；同时KK2不导通会导致KK1无法关断，所以KK1二端就没有波形。

　　3．感应线圈故障：

感应线圈是中频电源的负载，它采用壁厚3至5毫米的方形紫铜管制成。

它的常见故障有以下几种：

　　感应线圈漏水，这可能引起线圈匝间打火，必须及时补焊才能运行。

　　钢水粘在感应线圈上，钢渣发热、发红，会引起铜管烧穿，必须及时清除干净。

　　感应线圈匝间短路，这类故障在小型中频感应炉上特别容易发生，因为炉子小，在工作时受热应力作用而变形，导致匝间短路，故障表现为电流较大，工作频率比平常时高。

　　综上所述，为了能采用正确的方法进行中频电源的故障维修，就必须熟悉中频电源常见故障的特点及原因，才能少走弯路，节省时间，尽快的将故障排除，恢复中频电源的正常运行，从而保证生产的顺利进行。

中频电源原理与调试

　　一基本原理

　　中频电源主要由整流电路、逆变电路、直流电抗器及控制线路组成，我公司中频电源采用一块集成电路控制板控制。

具体介绍如下几点：

　　★该电源负载采用并联（串并联）逆变器。

用于各种金属的熔炼、保温及感应加热设备的电源控制。

　　★电源控制板为单板全集成化控制板，采用数字触发，具有可靠性高、精度高、调试容易、继电元件少。

　　★主回路进线可不分相序（相序自动调整）。

　　★先进的扫频启动技术是操作者无需选择启动电压和启动频率就能实现100%的成功启动。

　　★该电源采用先进控制技术、具有极强的抗干扰能力。

　　★自动跟随负载变化，在运行时具有非故障性的自动再启动能力以及功率自动调节功能。

　　★具有理想的截流、截压、精确的关断时间或逆变角控制，保证设备可靠运行。

　　★具有完善的多级保护系统（水压、缺相、欠压、过流、过压、直通、操作连锁等）具有较高的变频效率、1000HZ及以下大于94%。

　　★适合控制100KW-3000KW/200-8000HZ中频电源。

　　主回路方框原理图:

控制电路板原理

　　整个控制电路除逆变末级触发电路板外，做成一块印刷电路板结构，从功能上分为整流触发部分、调节器部分、逆变部分、启动演算部分。

详细电路见《控制电路原理图》。

　　1.1整流触发工作原理

　　这部分电路包括三相同步、数字触发、末级驱动等电路。

触发部分采用的是数字触发，具有可靠性高、精度高、调试容易等特点。

数字触发器的特征是用计（时钟脉冲）数的办法来实现移相，该数字触发器的时钟脉冲振荡器是一种电压控制振荡器，输出脉冲频率受移相控制电压Uk的控制，Uk降低，则振荡频率升高，而计数器的计数值是固定的（256），计数器脉冲频率高，意味着计一定脉冲数所需时间短，也即延时时间短，角小，反之角大。

计数器开始计数时刻同样受同步信号控制，在=0时开始计数。

现假设在某Uk值时，根据压控振荡器的控制电压与频率间的关系确定输出振荡频率为25KHZ，则在计数到256个脉冲所需的时间为（1/25000）256=10.2（ms）相当于约180电角度，该触发器的计数清零脉冲在同步电压〔线电压〕的30处，这相当于三相全控桥式整流电路=30位置,从清零脉冲起，延时10.2ms产生的输出触发脉冲,也即接近于三相桥式整流电路某一相晶闸管=150位置，如果需要得到准确的=150触发脉冲,可以略微调节一下电位器W4。

显然有三套相同的触发电路，而压控振荡器和Uk控制电压为公用，这样在一个周期中产生6个相位差60的触发脉冲。

　　数字触发器的优点是工作稳定，特别是用CMOS数字集成电路，可以有很强的抗干扰能力。

　　IC16A及其周围电路构成电压----频率转换器，其输出信号的周期随调节器的输出电压Uk而线性变化。

W4微调电位器是最低输出频率调节。

　　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R23、C1、R63、C40、R102、C63进行滤波、移相，经6只光电耦合器进行电位隔离，获得6个相位互差60、占空比略小于50%的矩形同步信号。

IC3、IC8、IC12（4536计数器）构成三路数字延时器。

三相同步信号对计数器进行复位后,对电压---频率转换器的输出脉冲每计数256个脉冲便输出一个延时脉冲,因计数脉冲的频率是受Uk控制的,换句话说Uk控制了延时脉冲。

　　计数器输出的脉冲经隔离、微分后变成窄脉冲，送到后级的556，它既有同步分频器功能，亦有定输出脉冲宽度的功能。

输出的窄脉冲经电阻合成为双窄脉冲，再经晶体管放大，驱动脉冲变压器输出。

具体时序图见附图。

　　1.2调节器工作原理

　　调节器部分共有四个调节器：

中频电压调节器、电流调节器、阻抗调节器、逆变角调节器。

　　其中电压调节器、电流调节器组成常规的电压、电流双闭环系统。

在启动和运行的整个阶段，电流调节器始终参与工作，而电压环仅工作于运行阶段。

另一阻抗调节器从输入上看，它与电流调节器LT2的输入完全是并联关系，区别仅在于阻抗调节器的负反馈系数较电流调节器略大，再者就是电流调节器的输出控制的是整流桥的输出直流电压，而阻抗调节器的输出控制的是中频电压与直流电压的比例关系，即逆变功率因数角。

　　调节器电路的工作过程可以分为两种情况：

一种是在直流电压没有达到最大值的时候，由于阻抗调节器的反馈系数略大，阻抗调节器的给定小于反馈，阻抗调节器便工作于限幅状态，对应的为最小逆变角，此时可以认为阻抗调节器不起作用，系统完全是一个标准的电压、电流双闭环系统。

另一种情况是直流电压已经达到最大值，电流调节器开始限幅不再起作用，电压调节器的输出增加，而反馈电流却不变化，对阻抗调节器来说，当反馈电流信号比给定电流略小时，阻抗调节器便退出限幅开始工作，调节逆变角调节器的角给定值，使输出的中频电压增加，直流电流也随之增加，达到新的平衡。

此时，就只有电压调节器与阻抗调节器工作，若负载等效电阻RH继续增大，逆变角亦相应增大，直到最大逆变角。

　　逆变角调节器用于使逆变桥能在某一角下稳定地工作。

　　中频变压器过来的中频电压信号由CON2-1和CON2-2输入后，分为两路：

一路送到逆变部分；另一路经D7-D10整流后，又分为三路：

一路送到电压调节器；一路送到过电压保护；另一路用于电压闭环自动投入。

　　电压PI调节器由IC13A组成，其输出信号由IC13D进行钳位限幅。

IC13C和IC21C组成电压闭环自动投入电路，DIP-3开关用于电压开环调试。

内环采用了电流PI调节器进行电流自动调节，控制精度在1%以上，由主回路交流互感器取得的电流信号，从CON2-3、CON2-4、CON2-5输入，经二极管三相整流桥整流后分为三路：

一路作为电流保护信号；另一路作为电流调节器的反馈信号；还有一路作为阻抗调节器的反馈信号。

由IC17B构成电流PI调节器，然后由IC17A隔离后控制触发电路的电压---频率转换器。

　　IC17C构成阻抗调节器，它与电流调节器是并列关系，用于控制逆变桥的引前角。

其作用可间接达到恒功率输出，或者可提高整流桥的输入功率因数。

DIP-1可关掉此调节器。

　　1.3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起动。

由于自动调频的需要，虽然逆变电路采用的是自励工作方式，控制信号也是取自负载端，但是主回路上无需附加的起动电路，不需要预充磁或预充电的起动过程，因此主电路得以简化，但随之带来的问题是控制电路较为复杂。

　　起动过程大致是这样的：

在逆变电路起动前，先由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直流电流时，便控制它激信号的频率从高向低扫描，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扫描，转由自动调频电路控制逆变引前角，使设备进入稳态运行。

　　若一次起动不成功，即自动调频电路没有抓住中频电压反馈信号，此时它激信号便会一直扫描到最低频率。

重复启动电路一旦检测到它激信号进入到最低频段，便进行一次再起动，把它激信号再推到最高频率，重新扫描一次，直至起动成功。

重复起动的周期约为0.5秒，完成一次启动到正常功率运行的时间不超过1秒钟。

　　由CON2-1和CON2-2输入的中频电压信号，经变压器隔离送到ZPMK（中频起动模块），ZPMK3脚、4脚输出的信号经微分后由IC18B和IC20B变成窄脉冲输出，驱动逆变末级MOS管。

IC20A构成频率--电压转换器用于驱动频率表。

W7用于校准频率表的读数。

IC18A构成过电压保护振荡器，当逆变桥发生过电压时，振荡器开始起振，使逆变桥的四只晶闸管均导通，以利于释放电抗器能量。

　　IC19D为起动失败检测器，其输出控制重复起动电路。

IC19A为起动成功检测器，其输出控制中频电压调节器的输出限幅电平，即主回路的直流电流。

W6为逆变它激信号的最高频率设定电位器。

　　1.4启动演并工作原理

　　过电流保护信号经IC13B倒相后，送到IC5A组成的过电流截止触发器，封锁触发脉冲（或拉逆变），同时驱动过流指示灯亮和报警继电器。

过电流触发器动作后，只有通过复位信号或通过关机后再开机进行上电复位，方可再次起动。

通过W2微调电位器可整定过流电平。

　　当三相交流输入缺相时，本控制板均能对电源实现保护及指示。

其原理是由K4、K6、K2晶闸管的阴极分别取A、B、C三相电压信号，经光电耦合器隔离后送到IC14及IC16B进行检测和判别，一旦出现缺相现象，除了封锁触发脉冲外，还驱动缺相指示灯以及报警继电器。

　　为了使控制电路能够更可靠地运行，控制电路上还设置了启起定时器和控制电源欠压检测保护。

在开机的瞬间，控制电路的工作是不稳定的，设置一个3秒钟左右的定时器，待定时后，才容许输出触发脉冲。

这部分电路由C11、R20等元件构成。

若由于某种原因造成控制板上直流供电电正过低，也会使控制出错。

设置一个欠压检测电路（由DW4、IC9B等组成），当VCC电压低于12.5V时便封锁触发脉冲，防止不正确的触发。

　　自动重复起动电路IC9A组成。

DIP-2开关用于关闭自动重复起动电路。

　　IC5B组成电压截止触发器，封锁整流桥触发脉冲（或拉逆变），驱动过压指示灯亮和驱动报警继电器。

另通过Q9使过压保护振荡器IC18A起振。

过电压触发器动作后，也像过流触发器一样，只有通过复位信号或通过关机后再开机进行上电复位，方可再次起动。

调节W1微调电位器可整定过压电平。

　　Q7及周围电路组成水压过低延时保护电路，延时时间约8秒。

　　复位开关信号由CON2-6、CON2-7输入，闭合时复位。

　　二调试

　　由于中频电源系统比较复杂，其调试难度比较大，因此，中频电源调试人员必须要具备相当的电路理论基础知识和丰富的实践经验。

一般情况下，须专业人员现场调试。

　　设备在出厂时已经做过出厂调试。

电路板上除W1和W2电位器之外，其它部分已经调试好并蜡封完毕。

　　用户现场的调试分为三部分：

　　1、水路部分

　　水路部分的安装是否合理，各支路水压和水流量符合要求。

　　2、液压部分：

检查安装是否合理，油液是否符合规定，若正常，连续倾炉5-10。

　　3、电气部分

　　只有在水路部分和液压部分调试完成后才能进行电气部分调试

　　①控制部分调试

　　检查进线电压，断路器（接触器）操作正常,门板按钮和指示灯正常.控制电压正常。

　　②直流部分调试

　　首先,系统必须通水.将主回路从滤波电抗器前级断开,在三相全波整流输出两端接一个500,500W的电阻性负载（常用3个或4个300W灯泡串联）。

开机后，直流电压表应能指示在大约1.35Ul位置（Ul：

交流输入线电压）。

　　③逆变和中频负载部分

　　控制系统和整流部分正常后，接入逆变和中频负载，若不能正常开机启动，先检查主电路板接线,对掉114，115后重新启动，若无法启动须更换主电路板，若还不能正常开机，应为逆变和中频负载有问题。

其检测须逐个元件检测。

　　启动正常后，分别做截压和截流调试。

先做截压调试：

在空载状态下，启动系统，功率旋钮至最大调节电路板电位器W1，至中频电压到额定值。

截流调试：

在重载状态下，启动系统，功率旋钮至最大，调节电路板电位器W2，至直流电流到额定值。

调试全部完成。