中频电源技术报告

1、中频电源技术报告作者：刘安平2010年10月前 言在生产实践中，晶闸管中频电源广泛用于感应加热，如金属熔炼和淬火等。本人自1993年7月参加工作到2007年7月，这15年期间，一直在黑龙江科技学院工厂从事中频电源设备生产以及技术改造工作。2001年6月，独立完成了KGPS-JY型晶闸管中频电源的研制和生产试验工作，每年销量在20台以上。新型晶闸管中频电源性能稳定，节能效果好，维护简单。产品投放市场以来，给国家和社会带来的经济效益相当可观。2005年，研制生产了一台200KW矿用圆环链淬火电源一台；2006年，研制生产了熔炼容量为1T、功率500KW的大功率中频电源一台；2007年，对虎林迎春机

2、械厂的中频电源进行了设备改造。本次技术报告，主要介绍我研制的KGPS-JY型晶闸管中频电源，并以我近期回访的三家企业设备改造（科研成果推广）为例，阐述中频电源的相关技术资料和设备运行状况。目 录第一章 绪论 41.1 感应加热技术的发展现状 41.2 中频电源的研究方向 5第二章 晶闸管中频电源工作原理 62.1中频感应加热的基本原理 62.2中频感应加热电源的几种工作方式 62.3 KGPS-JY型晶闸管中频电源原理及维修 7第三章 200KW矿用圆环链淬火电源153.1 电路工作原理153.2设备安装及调试 163.3设备运行状况 18第四章 500KW大功率晶闸管中频电源213.1 电路

3、工作原理213.2设备安装及调试 223.3设备运行状况 23第五章 200KW晶闸管中频电源改造263.1 电路工作原理263.2设备改造及调试 263.3设备运行状况 27全文总结 29致谢 30第一章 绪论1.1 感应加热技术的发展现状感应加热电源的发展与电力电子技术及电力半导体器件的发展密切相关。目前，感应加热电源在低频（150Hz 以下）范围内，普遍采用传统的工频感应炉，国外的装置功率可达数百兆瓦，用于数十吨的大型工件的透热或数百吨的钢水保温。在中频(150Hzl0kHz)范围内，晶闸管感应加热装置已完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器，成为主导产品，国外的装置容量己达数十兆瓦。

4、在超音频（l0kHzl00kHz）范围内，全桥型超音频固态感应加热电源逐渐占据了主导地位，其中以 IGBT 应用最为普遍。在高频（100kHz 以上）领域，主要采用功率场效应管(MOSFET)作开关管；应用于高频电源的另一功率器件为静电感应晶体管(SIT)，具有大电流、高耐压、大电流的输出功率和高的工作频率。比较而言，在容量、频率和控制手段等方面国内与国外的水平有一定的差距。综合感应加热电源国内外发展状况和发展趋势，可以看出，随着大功率可关断器件大容量化和模块化的发展，由此构成的感应加热电源具有其独特的优点，并正在替代由真空电子管和晶闸管构成的感应加热电源及其装置。但在大功率或高电压条件下，特

5、别是当工作频率在8kHz以下时，晶闸管中频电源的综合性价比将明显高于由可关断器件构成的中频感应加热电源。1.2 中频电源的研究方向随着电力半导体功率器件性能上的不断完善，控制技术的不断发展，感应加热电源的发展趋势呈现出以下方面的特点：（1）晶闸管在感应加热的中频段得到了广泛的应用，IGBT 在感应加热的超音频段得到了广泛的应用，而 MOSFET 和 SIT 的发展和软开关技术的发展则使感应加热电源向高频化方向发展；而且，随着功率器件大容量化的发展，感应加热电源的容量也随之提高。（2）随着功率器件的发展，再加上驱动电路的不断完善和优化，使得整个装置的损耗明显降低。随着整个电网无功及谐波污染要求的

6、提高，具有高功率因数、低谐波污染电源必将成为今后发展趋势。 （3）采用感应加热方法既可以用于金属冶炼、钎焊、热处理等金属制造业，也可以用于塑钢材料制造、塑料包装的封口工艺等非金属制造工业。（4）随着感应加热处理生产线自动化控制程度及对电源可靠性要求的提高，感应加热电源正向智能化控制方案发展，具有计算机智能接口远程控制、故障自动诊断等控制性能的感应加热电源正成为下一代发展目标。综合各方面因素考虑，中频电源的性能稳定、降耗节能和谐波抑制是中频电源的主要研究方向。第二章 晶闸管中频电源工作原理2.1中频感应加热的基本原理感应加热来源于法拉第发现的电磁感应现象，也就是交变的电流会在导体中产生感应电流，

7、从而导致导体发热。中频电源装置是一种利用晶闸管元件把三相工频电流变换成某一频率的中频电流的装置，主要是在感应熔炼和感应加热的领域中代替以前的中频发电机组。感应加热的最大特点是将工件直接加热，工人劳动条件好、工件加热速度快、温度容易控制等，因此应用非常广泛。主要用于淬火、透热、熔炼、各种热处理等方面。目前应用较多的中频感应加热电源主要由可控或不可控整流电路、滤波器、逆变器、和一些控制保护电路组成。工作时，三相工频（50Hz）交流电经整流器整成脉动直流，经过滤波器变成平滑的直流电送到逆变器。逆变器把直流电转变成频率较高的交流电流送给负载。2.2中频感应加热电源的几种工作方式根据中频负载电感和电容的

8、谐振方式，中频感应加热电源可分为并联谐振、串联谐振和串并联谐振中频电源。串并联谐振中频电源又可分为电感升压型和电容升压型两种。对于功率较大，需要频繁启动的中频电源，常采用并联谐振中频电源。本文阐述的主要是并联谐振晶闸管中频电源。2.3 KGPS-JY型晶闸管中频电源2.3.1 新型晶闸管中频电源工作原理KGPS-JY型晶闸管中频电源是黑龙江科技学院工厂KGPS-A型晶闸管中频电源的换代产品，是在原有产品的基础上，结合国内同类产品的优点，研制而成的。KGPS-JY型晶闸管中频电源工作原理框图见图2-1。图2-1 KGPS-JY型中频电源原理框图旋转功率给定电位器自动控制整流触发板发出六路触发脉冲

9、，三相工频交流电经三相全控桥式整流器整流后变成单相脉动直流电，经直流电抗器滤波后的直流电，在逆变触发板控制下经单相桥式逆变器逆变成中频交流电，送到由感应线圈及电容组成的负载进行工作。当系统断水或负载发生过电流、过电压时,信号检测装置使保护调节板发出信号，控制整流触发脉冲，使整流桥处于阻断或拉逆变状态，变频器停止工作。2.3.2 新型晶闸管中频电源控制电路工作原理图1整流触发线路板（ZCF）电路原理图整流触发线路采用由集成电路TCA785组成的六脉冲触发线路，电路原理图见图2-2。图2-2 整流触发电路原理图2保护调节线路线路板电路原理图保护调节线路由一块LM324集成电路组成，可以实现过流过压

10、、截流截压和断水保护等功能，并带有零点复位功能。电路原理图见图2-3。图2-3 保护调节电路原理图3. 逆变触发线路板电路原理图逆变触发电路由集成电路LM339和NE556组成，把中频电压信号和电流信号合成为两路中频触发信号，完成逆变触发控制。采用零压启动方式，电路原理图见图2-4。图2-4 逆变触发电路原理图2.3.3 新型晶闸管中频电源的优点及应用新型晶闸管中频电源线路结构简单,把不必要的成本降到最低,为产品的市场竞争提供价格优势；装置的自动调节性能良好稳定,能够满足冶炼、淬火、透热等各种中频负载的要求,实现单机多用；装置的操作方式简单,能时刻保证最大功率因数和最大功率输出,真正做到高效节

11、能；产品故障率低。当冷却水系统水温正常、无漏水堵水时,可实现零故障率；产品维护简单,用户可根据随机技术资料自行调试和维修,不用配备专业维修人员。新型晶闸管中频电源自2001年投放市场应用以来,每台可为我厂节约生产成本1万元左右；每年为用户节约生产维护附加成本3万元/每台以上,给国家和社会带来的经济效益相当可观。2.3.4 新型晶闸管中频电源维修1中频电源维修思路KGPS-JY型晶闸管中频电源结构简单、故障率低、维护容易。对于中频电源非专业维修人员来说，要想快速掌握中频电源的维修技术，达到能够对常见故障进行处理的水平，关键一点就是：不用费力对晶闸管中频电源系统的工作原理作深入地研究,，而是根据系

12、统原理框图，把晶闸管中频电源系统看作是有限个元器件的组合；当发生故障时，快速判断出某个元器件的好坏，更换已经损坏的元器件。KGPS-JY型晶闸管中频电源电路原理简图见图2-5。触发控制板组通过电流检测信号和中频检测信号控制，发出适当的整流触发脉冲和逆变触发脉冲；整流器和逆变器在触发脉冲的控制下，实现交直交变频，给中频负载提供中频电能。当系统断水或负载发生过电流、过电压时，信号检测装置使触发控制板组中的保护调节板发出信号，控制整流触发脉冲，使整流器处于阻断或拉逆变状态，变频器停止工作。图2-5 KGPS-JY型晶闸管中频电源原理简图2中频电源维修方法1观察法观察法就是根据故障现象推断出已经损坏的

13、元器件并加以更换，是最直接的维修方法。(1)断水或漏水循环冷却水路是晶闸管中频电源能正常工作的重要保证。在设备工作过程中，若发现有断水或漏水现象，应及时处理，保证水路畅通且无渗漏。(2)局部过热冒烟设备运行过程中，若是同步变压器或直流电抗器过热冒烟，并伴有绝缘漆烧焦味，可将过热组件更换或绝缘层重新处理；若是感应圈附近过热冒烟，大多是由于潮湿而引起，可降低功率，做烘干处理。(3)开关触点过热变色设备若长期过载运行，电源开关触点有可能过热变色，处理办法是，降低设备输出功率或更换大功率电源开关。(4)主电源开关跳闸在设备运行或启动过程中，若主电源开关跳闸，在开关质量完好前提下，首先考虑到的故障点应该

14、是硅整流桥中的整流晶闸管，看是否击穿，再就是检测保护调节板过流保护是否失灵。(5)高压跌落掉下遇到这种情况，可将主电源开关断开，再送一次高压跌落。若送不住，请电力部门检测电力变压器；若能送住，可按主电源开关跳闸这一故障现象处理。(6)直流电压降低设备运行过程中，直流电压突然大幅度降低，并在较低功率输出下运行。第1种可能是缺相，用万用表校对后，主要检查主电源开关触点接触是否良好，高压跌落是否掉下；第2种可能是整流触发脉冲丢失，主要检查整流脉冲变压器和整流触发板；第3种可能是整流晶闸管控制极开路或电阻值变大，可用万用表排查。(7)中频电压和直流电压比值变大设备运行过程中，突然过流保护动作，重新启动

15、后，发现中频电压和直流电压比值变大。用万用表检查逆变晶闸管是否击穿；检查逆变触发脉冲是否丢失；检查逆变晶闸管控制极开路或电阻值变大。(8)过流保护动作检查整流硅桥和逆变硅桥中的晶闸管是否击穿；检查谐振电容是否击穿；检查感应圈匝间或对地绝缘是否可靠；检查电流互感器负载电阻是否开路；更换保护调节板。(9)过压保护动作首先，检查逆变晶闸管和逆变触发脉冲；其次，检查通水电缆是否开路；最后，检查中频变压器和保护调节板。(10)中频声变音检查三相电压和同步电压是否平衡；检查功率给定电位器是否损坏；更换整流触发板。(11)中频启动失败侧重检查谐振电容、通水电缆和触发脉冲3个方面。3中频电源维修方法2排除法排

16、除法就是用仪表对中频电源线路进行逐一排查，确认中频电源各组元器件的好坏，是处理复杂故障最有效的办法。在中频电源维修现场，若是维修经验不足，不能通过分析故障现象快速找到故障点，可采用排除法。检修时按如下步骤进行：(1)主电路部分器件断电检查检查整流晶闸管和逆变晶闸管是否击穿，直流电抗器绝缘是否良好，谐振电容是否击穿，通水电缆是否断路，感应圈匝间或对地绝缘是否可靠。(2)控制电路部分送电检查闭合控制电源开关，检查三相同步电压是否平衡、功率给定电位器输出移相控制电压变化是否平滑，确定同步变压器和功率给定是否损坏；检查整流触发脉冲和逆变触发脉冲是否丢失、过流过压保护是否可靠，以确定触发控制板组和脉冲变

17、压器组是否损坏；对电流检测和中频检测部分电路进行测试，看电流互感器及其负载电阻是否损坏，中频变压器是否正常。(3)整流电路送电检测将逆变回路断开，接入直流负载，主电路开关闭合，看直流电压变化是否平滑，能否达到最大值。(4)逆变回路短接送电检查将逆变回路短接，主电路开关闭合，缓慢提升功率给定旋钮，看过流保护整定值是否合适。(5)中频电源整机启动测试将电路所有已改动部分恢复原状，闭合控制电源开关，闭合主电路开关，实现中频电源的启动。4中频电源维修方法3替换法替换法就是用质量好的配件去更换无法用仪表确认但可能已经损坏的配件，是处理软故障常用的办法。设备无法正常工作，用仪表对晶闸管中频电源系统进行全面

18、排查，又没有发现故障点，这就是软故障。设备启动失败，中频电压表无反应，可考虑短接通水电缆或替换感应圈；设备启动成功，中频声正常，但无法提升功率，可考虑逐一更换中频变压器和逆变脉冲变压器；设备启动成功，但中频声振荡变音，可考虑逐一更换整流晶闸管和逆变晶闸管。5几点建议(1)首先要准备一个功能全、质量好的万用电表；(2)其次要准备一些常用的配件，比如逆变晶闸管、脉冲变压器、中频变压器、同步变压器、触发控制板组等等；(3)遇到疑难杂症,不要盲目尝试，及时和厂家联系，以获得专业维修人员必要的技术指导；(4)在维修过程中，不断积累维修经验，形成书面记录。熟能生巧，成为能独挡一面的中频维修人员。第三章 2

19、00KW矿用圆环链淬火电源3.1 电路工作原理图3-1 200KW矿用圆环链淬火电源原理图200KW矿用圆环链淬火电源是2005年为佳木斯市龙鑫链条有限公司研制的中频电源设备，电气原理图见图3-1。设备配置及整定参数如下：1整流晶闸管KP800A1800V六只，逆变晶闸管KK800A1800V四只；2. 淬火及回火感应圈用202的铜管绕制，分别为45匝和10匝；3. 谐振电容为2500Hz750V1000Kvar电力电容器3台；4. 零压启动中频电源控制板3块；5. 输出中频电流额定值400A，中频电压700V。3.2设备安装及调试3.2.1 设备安装设备安装包括电气安装和水路安装两部分，安装

20、示意图见图3-2和图3-3。设备在安装时，主要注意以下两点：1三相电源开关额定电流为400A，要带有自动脱扣系统；电源输入、输出铜芯电缆要150平方以上；中频输出线不要用铝芯电缆代替；中频输出线要尽可能短，以减少线路损耗和信号干扰；2冷却水泵控制电源和中频电源控制电源要分开，不得共用一个开关，以避免相互影响；要有高架备用水箱，保证停电时感应圈的正常冷却。图3-2 电气安装示意图图3-3 水路安装示意图3.2.2 设备调试设备调试步骤如下：1过流值和截流值调整基于淬火电源中频负载的特殊性，启车时圆滑链处于冷态负载较重，连续工作时圆滑链处于升温状态负载变轻，可将过流值整定在500 A，截流值整定在

21、400 A。进行过流值和截流值调整时，可将中频电源逆变器短路，反复调整触发控制板组中过流值和截流值整定电位器，先调整过流值，再调整截流值。2过压值和截压值调整中频电源刚启动时负载重，中频电压并不高；连续工作时负载稳定，中频电压值较平稳，过压值和截压值可按中频电源设备允许值调整。中频电源启动后，反复调整触发控制板组中过压值和截压值整定电位器，先调整过压值，再调整截压值。过压值可整定在800 V，截压值可整定在700 V。3输出功率调整圆环链淬火中频电源连续工作时，按圆环链淬火工艺要求进行输出功率调整。调整办法是，中频电源启动后，调整中频电压控制旋钮，使中频电压和直流电压的比值为1.4，将直流电压

22、控制旋钮调至最大，此时直流电压为500 V左右，直流电流500 A，中频电压为700 V。当圆环链淬火中频电源连续工作时，圆滑链处于升温状态，中频电压和直流电压的比值降为1.3，直流电流降为400A，中频电压降为650 V。经长时间连续工作运行，满足圆环链淬火工艺要求。3.3设备运行状况3.3.1 设备运行状况200KW矿用圆环链淬火电源自2005年投产以来，运行效果不错，主要反映在以下几方面：1中频电源可以根据工件情况随意调整中频输出功率，设备可以随时启动和停机，操作方便简单；2设备故障率低且容易维修，普通电工可以通过电话指导，自行维修，维修费用很低；3中频电源工作时消耗功率小于200 kW

23、，和电阻炉相比，劳动强度低，电耗量下降，生产成本显著降低。3.3.2 设备照片第四章 500KW大功率晶闸管中频电源4.1 电路工作原理图4-1 500KW大功率晶闸管中频电源原理图500KW大功率晶闸管中频电源是2006年为佳木斯市永新机械制造有限公司生产研制的中频电源设备，工频侧采用双电源供电，电气原理图见图4-1。设备配置及整定参数如下：1KP800A1800V晶闸管十二只，KK800A1800V晶闸管十六只；2. 感应圈用30504的方铜管绕制， 匝数为16匝，容量为1T；3. 谐振电容为1000Hz750V1000Kvar电力电容器8台；4. 零压启动中频电源控制板3块；5. 输出中

24、频电流额定值550A，中频电压1500V。4.2设备安装及调试4.2.1 设备安装设备安装分电气安装和冷却水路安装两部分。电气安装可参考设备布置简图和电容和炉体安装简图进行，见图4-2和图4-3。冷却水路安装略。图4-2 设备布置简图图4-3 电容和炉体安装简图4.2.2 设备调试1过流值和截流值调整将过流值整定在650 A，截流值整定在550 A。进行过流值和截流值调整时，可将中频电源逆变器短路，反复调整触发控制板组中过流值和截流值整定电位器，先调整过流值，再调整截流值。2过压值和截压值调整过压值和截压值可按中频电源设备允许值调整。中频电源启动后，反复调整触发控制板组中过压值和截压值整定电位

25、器，先调整过压值，再调整截压值。过压值可整定在2000 V，截压值可整定在1800 V。4.3设备运行状况4.3.1设备运行状况设备自2006年投产3年来，一直运行稳定，设备运行主要有以下特点：1采用双电源供电，熔炼过程中, 直流电压保持最大值1 000V不变；2逆变器采用并联谐振方式，中频电压可达1 500V左右；3当直流电压达到最大值时，可人为调节阻抗调节电位器，中频电压调整范围为1 2001 800V，可保持直流电流为最大值；4吨钢水耗电量在650KW左右。从设备运行状况来看，设备操作方便，故障率低，可实现恒功率控制，谐波含量较低，并实现了升压降耗节能。4.3.2 设备运行图片第五章 2

26、00KW晶闸管中频电源改造5.1 电路工作原理2007年，虎林迎春机械厂（黑龙江省牡丹江农垦迎逢机械制造有限责任公司）功率200KW熔炼容量0.15T的中频电源进行了设备改造，改造后电路原理见图5-1。图5-1 200KW晶闸管中频电源原理图5.2设备改造及调试设备改造和调试过程如下：1主电路将原来的10套200A单晶闸管换成3套KP600A1800V和2套KK600A1800A双晶闸管，降低线路损耗和提高设备抗过载能力；2将控制线路由A型5块线路板改为JY型3块控制线路板，改善系统控制性能，提高设备的稳定性；3将同步变压器、中频变压器、整流脉冲变压器和逆变脉冲变压器全部更新，消除控制系统的故障隐患。4中频负载电路部分，将原来带启动