中频加热电源技术说明

技术说明
中频加热电源技术说明
一、设备特点及应用：
KGPS系列感应加热晶闸管变频装置时利用晶闸管将三相工频交流电（50HZ）变换成几百或几千赫兹的单相交流电。

设备具有控制方便、效率高、运行可靠、劳动强度低等特点。

中频感应加热技术常常应用于自动化生产线，不仅提高产品的产量，而且提高的产品的质量。

我公司生产的KGPS系列感应加热晶闸管变频装置采用了全数字电路控制，扫描式启动方式，无需任何中间继电器、同步变压器等配件元件。

此线路负载适应力强，可重载启动，应用于黑色金属和有色金属（钢、铸钢、不锈钢、铜、铝、金、银、合金钢等金属）的冶炼、真空冶炼、锻件的加热和钢管的弯曲、挤压成型、工件的预热、工件表面火、退火、回火等热处理、金属零件的焊接、粉末合金、输送高温工件的管道加热、晶体生长等不同场合。

二、安装方法：
1.本装置对安装基础无特殊要求，但安装环境得参照本装置的使用条件，应安装在通风良好，不受雨水侵袭的室内，柜体与周围墙壁应保持1米以上的距离，保证柜体能fang便开启，维修，调试有足够的使用空间。

2.装置在出场前均按其技术条件经过出厂调试，但在运输过程中，由于不可避免的震动，肯能有线头松脱，螺丝松动和受潮等现象，应对上述现象进行检查、维护。

3.三相电源进线从柜顶接线柱或柜底电缆沟输入，中频输出线均从柜底电缆沟输出，有导线连接处应保持良好的接触。

4.本装置柜底内部设有接地螺栓，安装时必须良好的接地（要求连接电源变压器中性线）。

三、主回路工作原理：
晶闸管中频电源是一种将工频电能变为高频电能的变频器。

它把工频交流电整流后，由逆变电路变换为较高频率的输出电流，且频率的变化范围不受电网频率的限制。

其电路可分为三大部分：整流、逆变、控制及保护部分。

每一部分具体电路原理分述如下：
i.整流电路原理：
1)整流电路的要求
中频装置中整流电路的负载是逆变电路，逆变电路输出的有功功率是由整流电路提供的，所以要求整流电路的输出电压在规定范围内能够连续平滑的调节。

中频感应加热的负载变化很大，整流电路能够自动限制输出功率、电压、电流以及通过整流电路对系统进行过电流、过电压保护。

中频电源大都采用三相全桥式整流电路，这是因为它的电压调节大，而移相控制角α（α＝９０°－０°）变化范围小，有利于系统进行自动调节。

三相全控桥式整流电路的电压脉动频率较高，减轻了直流滤波环节的负担。

另外，它还可以工作在有源逆变状态，当中频逆变电路颠覆时，将储存在滤波电抗器中的能量通过有源逆变方式返回网侧，使逆变电路得到保护。

2)三相全控桥式整流电路的工作原理
三相全控桥式整流电路主要是实现交流——直流变换。

三相全控桥式整流电路是将输入线电压为３８０Ｖ、５７５Ｖ或６６０Ｖ工频交流电经三相全控桥式整流
电路转换为０——５１０Ｖ或０——８９０Ｖ的直流电，通过控制全控整流可控硅的导通角大小，实现输出０——５１０Ｖ或０——８９０Ｖ连续可调的直流电压输出。

简明电路如图一所示。

三相全控桥式整流电路的6只晶闸管可分成两组，SCR1、SCR3、SCR5为共阴极组；SCR4、SCR6、SCR2为共阳极组。

在任何导电时刻，电流总是从某一相流入，先经过共阴极组的晶闸管、直流平波电抗器Ld、负载Rd，再经过共阳极组的晶闸管，由另一相流出。

图一三相全控桥式整流电路
①当控制角α=０°时，晶闸管在相电压相交点时刻被触发后每只晶闸管持续导通１２０°。

②共阴极组与共阳极组自然换流点的相位差为６０°，所以６只晶闸管的控制极触发脉冲相
位差也互差６０°；同时触发脉冲宽度应大于６０°。

一般整流触发脉冲宽度τＣＮ，
９０°＜τＣＮ＜１２０°。

③整流电压Ｕｄ与交流线电压（有效值ＵＬ）间的数量关系式如下：
Ｕｄ＝1.35ＵLCOS α
上式表明，只需调节控制角α，就可以改变整流电压。

b) 逆变电路原理： 逆变电路是把直流变成交流。

并联逆变电路具有较好的负载适应能力，运行比较稳定可靠，是中频装置中
应用比重最大的线路。

该产品也采用了并联逆变器，其具体电路见图九所示。

它的主要作用是将三相整流电压Ud 逆变成单相400—10KHz
的中频交流电。

它有四个桥臂组成，中频电容器C 与感应线圈L （熔炼炉线圈或感应圈）组
成负载电路，并跨接在逆变桥的对角线上。

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图
九并联逆变电路
下面分析一下逆变器的工作过程，假设图九中，先是在SCR9、SCR8加触发脉冲，则直流电流Id由Ud+---Ld---L9---SCR9---LC---SCR8---L8---Ld---Ud-,如图中实现所示；
经过半个周期后，触发晶闸管SCR7、SCR10，此时SCR9、SCR8因承受反压而关断，电流由Ud+---Ld---L7---SCR7---LC---SCR10---L10---Ld---Ud-，如图中虚线所示。

在这两个半周期中，负载上电流方向变化一次。

这样把直流电源输出的直流在负载LC上变成为交流电流。

中频电压Ｕa与整流电压Ｕｄ间的数量关系式如下：
Ｕa=1.1Ｕｄ/cosΦa
上式说明功率因数Φa越大，中频电压Ｕa就越高。

四、控制电路板各故障灯、电位器及集成电路用途：
i.指示灯
注意：启动成功指示灯在启动前为亮状态，启动成功后熄灭（恒功率电路）。

电压反馈指示灯在启动前为灭状态，中频电压升至１８０Ｖ左右时亮。

ii.电位器
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五、控制系统工作原理：
控制电路除逆变末及触发电路板以外，其余均做成一块印刷电路板结构，从功能上分为整流触发部分(包括整流末级触发)、调节器部分、逆变部分、启动保护部分。

c)整流触发部分工作原理
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数（时钟脉冲）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VK的控制，VK降低，则振荡频率升高，而计数器的计数量是固定的（256），计数器脉冲频率升高，意味着计一定脉冲数所需的时间短，即延时时间短，移相角α小，反之α大。

计数器开始计数时刻同样受同步信号控制，在α﹦０º时开始计数。

现假设在某VK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 ，则计数到256个脉冲所需的时间为（1/25000）×256 =10.2（ms），相当于180º电角度，该触发器的清零脉冲在同步(电压线电压)的30º处，这相当于三相全控整流电路的β=30º位置，从清零脉冲起延时10.2ms产生的输出触发脉冲，也既三相桥式整流电路某一相晶闸管α=150º触发脉冲，可以略调一下保护角度（W4）微调电位器。

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

数字电路的工作优点是工作稳定，抗干扰能力强，特别是用HTL或COMS数字集成电路。

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VK而线性变化。

这里保护角度（W4）微调电位器是最低输出频率(调节相当于模拟电路的锯齿波幅值调节)。

三相同步信号直接由晶闸管的门极引线K4、K6、K2从回路的三相进线上取得，由R23、C1、R63、C40、R102、C63进行滤波及移相，在经6只光耦进行电位隔
离，获得6个相位互差60º，占空比略小于50%的矩形波同步信号（如IC2C、IC2D）的输出。

IC3、IC8、IC12、（14536计数器）构成三路数字延时器。

三相同步信号对计时器进行复位后，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VK控制的，换句话说，VK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LM556，它既有同步分频器的功能，亦有定输出脉宽的功能。

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。

d)调节器工作原理
调节器共设有四个调节器：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，组成常规的电流、电压双闭环系统，在启动和运行的整个阶段，电流环始终参与工作，而电压环仅工作于运行阶段；另一阻抗调节器，从输入上看，它与电流调节器的输入完全是并联的关系，区别仅在于阻抗调节器的负反馈系数较电流调节器的略大，再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关系，既逆变功率因数角。

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

其作用可间接地达到恒功率输出，或者提高整流桥的功率因数。

DIP—1可关掉此调节器。

IC19B构成逆变角调节器，其输出由IC19C为钳位限幅。

调节器电路的工作过程可以分为两种情况：
1）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量，阻抗调节器工作于限幅状态，对应的为逆变最小θ角，最小θ角调节由小角度电位器（W3）调节，调节范围为0——32º。

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；
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2）直流电压已经达到最大值，电流调节器开始限幅，不在起作用，电压调节器的输出增加，而反馈电流脉冲，则直流电流Id由Ud+---Ld---L9---SCR9---LC---SCR8---L8---Ld---U不略小时，阻抗调节器退出限幅状态，开始工作，逆变调节器的θ角给定值增加，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，此时只有电压调节器和阻抗调节器工
作，若负载等效电阻继续增大，逆变θ角亦相应增大，直至最大逆变θ角，最大θ角调节由小角度电位器（W3）调节，调节范围为40——52º。

逆变角调节器用于使逆变桥能在某一θ角（θ角正常工作范围为30——48º，θ角大小由负载阻抗自己决定）下稳定的工作。

3.电流调节器
内环采用了电流PI调节器，控制精度在1%以上，由主电路交流互感器取得的信号，从203、204、205输入，经二极管三相整流桥（D11—D16）整流后，再分为三路。

一路作为电流保护信号，一路作为电流调节器的反馈信号，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，控制触发电路的电压——频率转换器。

e)逆变部分工作原理（恒功率电路）
该电路逆变触发部分采用的是扫频式软启动，由于自动调频的需要，逆变电路工作时采用的是自激工作方式，控制信号也是取自负载端，但是主电路上无需附加启动电路，不需要预充磁、预充电启动过程，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。

启动过程大致是这样的，在逆变电路启动之前，先以一个高于槽路谐振频率的它激信号去触发逆变可控硅，当电路检测到主电路直流电流时，便控制它激信号的频率从高向低扫描，当它激信号的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。

若一次启动不成功，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，便进行一次再启动，把它激信号再推到最高频率，重新扫描一次，直至启动成功。

重复启动的周期约为0.5秒钟，完成一次启动到满功率的时间不超过1秒。

由201和202输入的中频电压信号，经变压器隔离送到ZPMK（中频启动模块），ZPMK的3脚、4脚输出的信号经微分或由IC18B和IC20B变成窄脉冲输出，驱动逆变末级CMOS 晶体管。

IC19D为启动失败检测器，其输出控制重复启动电路。

IC19A为启动成功检测器，其输出控制中频电压调节器的输出限幅电平既主电路的直流电平。

f)启动保护工作原理
5.缺相保护
当三相交流输入缺相时，本控制板均能对电源实现保护和指示。

其原理是：由4#、6#、2#经闸管的阴极（K）分别取A、B、C三相电压信号（通过门极引线），经光电耦合器的隔离送到IC14、IC16进行检测和判别，一旦出现“缺相”故障时除了封锁触发脉
外，还驱动“缺相”指示灯，以及报警继电器。

6.欠压保护
为了使控制电路能更可靠、准确的运行，控制电路还设定了启动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，设置了一个3秒钟左右的定时器，才允许输出触发脉冲。

这部分电路由C11、R20等元件组成。

若由于某
控制板上的直流供电电压过低，稳压器不能稳压，也会造成控制出错。

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。

7.过压保护
IC15B组成过电压截止触发器，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；通过Q9使过压保护振荡器IC18A起振。

过电压触发器动作后，也象过电流触发器一样，只有通过复位信号或通过关机后再开机进行“上电复位”方可再次运行。

调节截压微调电位器（W1）可整定过电压电平。

8.水压不足保护
Q7周围电路组成水压过低延时保护电路，延时时间约为8秒钟。

9.自动重复启动电路
自动重复启动电路由IC9A组成。

DIP—2开关用于关闭自动重复启动电路。

六、电源调试
g)整流电路调整
将303号线与端子断开，去掉逆变脉冲。

打开控制电源，合主电路，将调功电位器放在最小位置，打开中频启动开关，此时，整流电压波形处于半关闭状态。

若不处于半关闭状态可调整保护角度微调电位器（W4）来达到。

给整流输出端接一120Ω400W的负载，顺时针调节调功调节电位器使之完全开放，用示波器观察整流电压波形，波形为连续的馒头波。

h)电流反馈环调节
接上302号线，使逆变管加上逆变脉冲，将DIP—2开关打至ON位置（去掉重复启动功能），启动设备。

会出现两种情况：一种逆变桥起振；另一种是逆变桥直通。

此时需要的是逆变桥直通，若逆变桥为起振状态可将中频电压信号相位进行调整（即换接203、204电压信号线），逆变桥就不会起振了，缓慢旋转调功电位器，注意电流表的指示，若电流迅速增大，则说明电流信号取样电路有问题，系统处于电流开环状态，应对其进行检查。

正常的表现是随着功率调节电位器的给定值的缓慢加大，电流表的指示也随着增大，当停止旋转功率调节电位器时，电流表的指示能稳定的指示在某一刻度上。

i)阻抗角调节
将中频电压互感器的极性对调，把DIP开关均打在OFF位置，启动电源，启动成功后，将中频电压升到200V左右，调节控制板上的小角度电位器（W3）使逆变换相角在
30°左右，再把DIP—1开关打在ON位置，调节小角度电位器（W3）使逆变换相角在40°左右。

所必须注意的问题是，必须先调最小逆变角，后调最大逆变角，顺序反了会出现互相牵扯问题。

j)额定输出电压整定
在轻负荷情况下整定额定输出电压。

在这项调试中可见到阻抗调节器起作用的现象，即直流电压达到最大值时直流电压表显示值不再增加，而此时由于阻抗调节器的作用中频输出电压却还能继续随功率调节电位器的给定值增加而继续增加。

增加到的最大值为截压值，通过调节控制板上的截压微调电位器（W2）使输出中频电压达到要求输出的额定电压值，过压保护值为该电压值的1.3倍。

k)额定输出电流整定
应先在小电流的情况下判定电流取样回路的工作是否正常后再整定额定电流值。

整定额定电流值是在重负荷情况下整定输出电流。

此项调试的负载越重越好，在设备启动后将功率调节电位器给定值调大，此时电流升到超过额定电流值以上一点，调节控制板上的
截流微调电位器（W1）使电流达到额定电流值，继续将功率调节电位器给定值调节到最大，再次调节截流微调电位器（W1）使电流达到额定电流值。

这样额定输出电流就整定好了。

过电流保护值为额定电流的1.5倍。

l)逆变角工作异常情况
在调试中若出现逆变角调不小的情况下，在排除了槽路谐振频率过低的情况后，应检查
逆变管是否都工作正常，当只有三只晶闸管工作时就会出现逆变引前角：过大现象，调试和维修时应仔细查找。

m)恒功率输出意义
对熔炼负载来说，恒功率输出是很重要的，要想使恒功率区的范围大，就要使逆变引前角从最小角到最大角的范围大，同时阻抗匹配也很重要。

对中频感应透热炉，由于负载恒定，角度几乎无变化，恒功率输出对其意义不大，也可以用固定角度运行。

七、中频常见故障及排除方法
中频电源在启动或运行中，出现故障，根据一些现象，可以初步确定故障的范围，便于进一步查找。

对控制板上显示的“欠压”、“缺水”、“缺相”，很明显可以找到，但对于“过流”、“过压”故障须多方面分析。

1. 中频启动后，调节功率给定电位器，电源无反应或只有直流电压，而无中频电压（逆变无起振）。

其原因可能是：
1)负载开路，即感应器未接入；
2)逆变无触发脉冲或触发功率太小，逆变晶闸管管未被触发；
3)整流电路发生故障、无整流输出。

2.
中频启动后，过流动作保护、整流拉入逆变状态。

原因可能是：
1)过压整定值太小，适当放大过压整定值，已调好的电源不必再调；
2)引前角太大，适当减小引前角；
3)主回路有松动或虚接的地方，出现打火引起过压动作。

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中频启动后，过流保护动作，整流拉入逆变状态。

对未调试的电源，应检查取样的电压或电流信号极性是否接反，逆变脉冲的触发极性是否正确（即对角管应同相触发），引前角是
否太小；对已运行的电源，可以从以下几个方面分析：
用万用表测量，逆变可控硅有无损坏；
2)负载回路是否有短路、搭接现象；
3)有缺相时，快熔是否烧断；
4)用示波器检查，逆变触发脉冲是否有干扰；
5).过流整定值是否有改变，需重新调整；
6).取样电流信号反馈是否太大（太大也能使振荡停止）；
7).取样电流或电压信号线是否开路或短路，电流互感器有无损坏、变值；
8).负载太重或负载电容、电感匹配太偏，难以起振；
9).整流电路出现故障，直流输出电压太低；
10).电源绝缘是否降低，尤其对地绝缘。

以上是通常的处理方法仅供参考，一切以实际情况为准。