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1、1 中频电炉逆变晶闸管烧损原因分析方法【 摘要 】伴随着中频电炉的推广应用， 中频电源故障排除成为困扰企业设备维护管理人员的一道难题， 特别是逆变桥晶闸管烧损， 在中频电源故障中最常见，也最难找出故障原因。 因此，总结研究中频电炉逆变晶闸管烧损的原因分析，对使用维护好中频电炉具有重要意义。【 关 键 词 】 中频电炉逆变晶闸管烧损分析方法第一章概述可控硅中频电源装置简称可控硅中频装置,是利用可控硅的开关特性把50Hz的工频电流变换成中频电流的一种电源装置, 主要是在感应熔炼 , 感应加热 , 感应淬火等领域中广泛应用。它的优点是: 1）效率高可控硅电源装置具有相当高的变换效率(90-95%),
2、 输出功率低时 , 电源转换效率并不降低 , 特别是在热处理行业中 , 有些被加热工件需要分段加热, 频繁开机和停机 , 在停机状态下无损耗。 因此, 在感应加热行业中采用可控硅中频装置可节约能源。2）体积小重量轻可控硅变频装置由半导体元件组成, 没有复杂的机械旋转部分无震动, 噪音小, 安装时对地面基础无特殊要求。3）操作方便可控硅装置的功率调节范围大。频率可随负载参数改变而自动变化(既所谓频率跟踪 )。负载回路保持在近乎谐振状态, 既在最佳状态下工作。2 再加上它有一系列的自动保护装置, 使它的工作稳定可靠。4）启动灵活可控硅变频装置一般采用零压软启动, 启动成功率高无冲击 , 快而平稳。
3、中频感应电炉有熔化效率高、操作方便、体积小重量轻、启动灵活， 逐渐代替了工频电炉在企业的使用。随着我们公司的快速发展，生产效率提升， 近几年新建的工厂已经全部选用了中频电炉。中频电炉是电工电子学与强电应用结合的产物，当中频电源出现故障后， 故障隐蔽性强，不易从电路线路直观的进行排除。因此，中频电路故障排除，对维修电工整体技能水平要求较高。本文对中频电炉常见故障分析方法进行了总结归纳，供设备技术人员和维修电工参考学习。第一节感应加热的作用原理中频无铁芯感应电炉的结构 (见图 1)主要有三部分组成 1 感应圈(由水冷却的铜管绕制的)2 坩埚(通常用耐火材料捣制而成 ) 3 炉料（可为各种金属材料的
4、碎块）中频无铁芯感应电3 炉的基本原理是属于空气芯变压器的一种类型, 感应圈相当于变压器的初级绕组 , 而坩埚内部的金属炉料则相当于变压器的次级绕组( 既负载) 当在初级绕组中通过中频电流(200Hz 8000Hz)就在电磁场的作用和应响下 , 产生磁力线切割次级绕组, 致使炉料产生感应电势, 并在垂直于感应圈轴线的表面内引起感应电流( 称涡流 ), 从而使炉料本身发热将金属熔化。用于锻造的加热到锻造温度。下面我们简单的分析一下感应电炉的工作情况; 根据变压器互感应的理论, 在次级绕组 (既炉料 )内的感应电势的有效值 (用 E2表示)与频率及交变磁通的最大值两个参数有关, 在这个感应电势 E
5、2的作用下 , 炉料所形成的闭和回路中, 便有涡流通过 ,涡流的数值大小 , 与感应电势 E2成正比, 与炉料回路的阻抗成反比,当炉料的阻抗已确定的情况下, 则发热与感应电势成比例。无铁心感应电炉由于没有导磁的物体存在,所以磁力线必须经过空气而闭合,但是空气的磁阻很大 , 会减少有效的磁通量 , 为了要获得所必须的感应电势 , 就要求增加磁力线的切割速度, 这就要求增加通过感应线圈电流的频率 , 来达到发热效果显著的目的。但在实际情况下炉料中感应电流的流动 ,也会形成磁场 , 但其方向是与感应器的磁场相反,二个磁场迭加一起的结果将削弱整个的作用。随着不断被削弱的磁场继续向炉料内部深入分布并不断
6、产生电流, 而电流的去磁作用又促使炉料中感应的电场强度和电流密度自表面向中心剧烈的减小, 电流的频率愈高, 这种现象也愈显著 , 这也就是所谓集肤效应作用的结果。为了提高炉料的发热量, 如果无限制的增高频率, 一则受到电源4 装置复杂性的限制 , 更重要的是由于上述集肤效应的原因, 涡流发热随着电流频率的升高, 只局现在炉料周围的表面层, 而炉料中心的热量是由表面传导进来的 ,所以加热时间将拉长了 , 电效率不再上升。 电源的频率与电效率之间的关系可以这样来描述, 在感应电炉炉料直径固定, 炉料的物理性能不变的情况下, 电效率将随着电流频率的增加而显著上升 , 但当频率继续增加时, 电效率将不
7、再随频率变化而近于饱和阶段。因此 , 我们可以作一断言 , 对于一定尺寸的感应炉, 并在炉料和感应器材料的物理性质为同一条件下, 则必定有一临界频率的存在。正是以上原因的存在, 电炉生产厂家将根据炉子的大小来选定频率的高低。考虑到炉子的电效率和热效率, 选定合适的频率。炉子容量较小时频率选高些 , 容量较大时选低些 , 一般在200Hz-8000Hz 范围内。第二节感应炉对可控硅中频电源的要求1）感应炉对可控硅中频电源的输出功率要求。可控硅中频电源的输出功率必须满足感应炉的最大功率, 还要考虑到输出功率能很方便的调节, 这是因为通常感应炉的坩埚的寿命约熔炼数十炉后就损坏了 ,必须重新修筑坩埚炉
8、衬 , 而新的坩埚炉衬筑好后必须对其进行低功率烘炉, 通常烘炉是从 10-20% 的额定功率开始 ,然后每隔一定时间升高10% 功率, 直至额定功率。再则 , 熔炉过程中 ,当炉料熔化后 ,必须对炉料的成分进行化验, 而化验期间为不使炉料熔化后沸腾剧烈 , 这时中频电源必须减小输出功率, 使炉料保温。鉴于以上情况 , 所以要求可控硅中频电源能从10%-100% 额定输出功率的范5 围内方便的调节。用于锻造的透热炉不存在烘炉的过程。2）感应炉对可控硅中频电源的输出频率要求。感应炉的电效率与频率之间的关系是相关连的。从电效率出发可以决定可控硅中频电源的输出频率。例如我们称这一频率为fo 。感应器实
9、际上是一个电感线圈，而为要补偿线圈的无功功率,在线圈的两端并联电容 ,这就组成了 LC 震荡回路。当可控硅逆变器的输出频率f 等于感应炉回路的固有震荡频率fo 时, 则此时回路的功率因数等于1 。感应炉内将得到最大的功率。从以上可以看出, 回路的固有震荡频率与 L 和 C的数值有关 , 一般补偿电容 C的值是固定不变的 , 而电感L 则因炉料的导磁系数变化而变化, 例如炼刚时 , 冷炉钢的导磁系数 很大, 所以电感 L 较大, 而当钢的温度高到过居里点时钢的导磁系数=1,所以电感 L 减小, 因而感应炉回路的固有震荡频率 fo 将有低变高。为了使感应炉在熔炼过程中始终都能得到最大的功率, 这就
10、要求可控硅中频电源的输出频率f 能随着 fo 的变化而变化，始终保持频率自动跟踪。3）对可控硅中频电源的其他要求。这是因为当炉料在熔炼过程中, 一旦中频电源发生故障 , 严重时会损坏坩埚所以要求可控硅中频电源工作要可靠, 还须具备必要的限压限流保护 , 过压过流保护 , 断水保护 , 等其它自动保护装置。此外要求可控硅中频电源启动成功率要高, 启动停止操作要方便。第二章可控硅中频电源的工作原理在介绍中频电炉逆变晶闸管烧损常见故障之前，我们先简单的了6 解一下可控硅中频电源的基本工作原理：交流电通过一个三相桥式整流电路，把 50Hz的工频交流电流整流成直流， 再经过一个滤波器 （直流电抗器）进行
11、滤波，最后经逆变器将直流变为单相中频交流（200Hz 8000Hz ）以供给负载。因此这种中频电源的工作原理实际就是：电网交流 - 整流直流 - 中频交流。其基本线路如图2 。我们以 3 吨中频电炉为例，举例说明一下中频电源的工作原理：3 吨中频电炉的电源供给是公司电网经过变压器，将570V工频 50Hz交流电输送到电炉控制电源，经过三相桥式整流，将570V交流电，整流成为约 750V直流电，经过电抗器滤波后，到逆变电路，经过逆变晶闸管 2 个桥臂交替导通，得到 1000V 的中频电源，经过补偿电容倍压后，将约为 2000V的中频交流电源输送到感应线圈，通过磁轭聚磁，涡流原理熔化铁水。第三章中
12、频电炉逆变桥晶闸管烧损故障排除方法逆变晶闸管烧损，是中频电炉最常见，但最难排除的故障。不管是过压还是过流引起的晶闸管烧损，一般情况都需要用排除法，缩小故障范围，排除故障。7 另外的主要原因是电流和大电压失控，引起的高电压失控中频电炉原理的电压升到一定的值时，逆变器颠覆，无法在高阻抗下运行，元件的耐压降低或冷却效果不好，系统的绝缘性能降低， 中频感应电炉电压升高时机器对地短路， ，检查中频电容和炉子。干扰也可能引起，逆变触发线要高主电路一些。另外就是大电流失控，中频电压的反压角过小， 触发电路是否接触不良， 另外还要注意关断时间的一直性。维修工可以按照下表中的步骤，逐步进行排查，缩小故障范围：排
13、除步骤排查部位排查点排除方法第一步炉体1、感应线圈绝缘层有无损坏2、 感应线圈和磁轭之间的绝缘是否完好3、水冷电缆有无鼓包、 接头是否松动4、 炉体冷却水管有无渗漏和堵塞5、接地保护是否完好在确定各排查点完好后，倒换炉体送电试炉第二步换炉开关1、换炉开关之间要完全分开， 没有导体搭接2、换炉开关触头要平整， 有效结合3、换炉开关水冷管道畅通停电后，仔细检查换炉开关各个部位元件8 第三步排铜1、隔开铜排的胶木有无碳化2、 铜排之间要保证没有东西搭接3、 铜排接口处的水冷管道完好畅通检查排查点的各项，确保正常第四步补偿电容1、查看补偿电容有无渗漏和鼓包2、敲击电容壳体，听声音确定电容有无内空3、电
14、容水冷管有无渗漏和堵塞4、使用能测量电容的万用表， 测量电容的通断5、放电电抗器接线完好按照排查点逐一排查检修第五步滤波电抗1、滤波电抗器水冷管必须要完好2、电抗器线圈内部铁芯无位移按照排查点逐一排查检修第六步逆变桥架1、 检查晶闸管安装同心度和压紧度2、 检查晶闸管阻容保护是否完好3、检查电压互感器是否正常可以备一套逆变桥，在地面组装好更换到电源上9 第七步整流桥1、 检查晶闸管安装同心度和压紧度2、 检查晶闸管阻容保护是否完好3、检查电流互感器是否正常按照排查点逐一排查检修第八步主板1、电炉完好时，把主板给晶闸管的各个参数手抄一份，等电炉出现故障时，对照参数是否一致，有无出现漂移，进行调整
15、2、仔细检查主板上的各插头， 有无断线与松动更主板换备用现在制造的电子元件质量已经过关，如果工艺良好， 可靠性已经非常高。逆变可控硅相对来讲是比薄弱的部件。频繁的损坏逆变晶闸管，也可以着重检查：逆变管的阻容吸收回路，重点检查吸收电容器是否断路。这时，应该采用能够测量电容量的数字万用表检测电容器，仅仅测量它的通断是不够的。如果逆变吸收回路断线，极易损坏逆变管。1）检查管子的电气参数是否满足要求，杜绝使用不合格厂家流入的元件。2）逆变电路的水冷套及其他冷却水路是否堵塞，虽然这种情况比较少，但确实出现过，容易忽略。10 3）注意负载有无对地打火的现象，这种情况会形成突变的高电压，造成逆变管击穿损坏。
16、4）运行角度偏大或偏小，都会引起逆变管频繁过流，从而损伤管子，容易造成永久性的损坏。5）在不影响启动的情况下，适当加大中频逆变电源至炉体的中频回路接线电感，可以缓解因逆变管承受过大的di/dt造成的损坏。第四章结论本文没有涉及到复杂的理论知识， 只是总结性的罗列出了逆变晶闸管的排查思路，供设备维修管理人员借鉴参考。中频电炉逆变晶闸管烧损的故障，虽然扑朔迷离， 但仍然是有章可循的。设备管理人员和维修电工应该及时分析故障原因，善于总结，这样就能逐步深入掌握和应用中频电炉，以便得心应手于日常的设备管理工作。11 致谢在本文即将结束之际，我要由衷地感谢在我毕业设计阶段，乃至本科两年半学习生活中帮助过我的老师和同学。在毕业设计完成的过程中得到了老师和单位领导的帮助，学院的老师们严谨治学的教学使我受益非浅。本次论文的完成对我是一个巨大的激励，使我在学术研究方面充满信心，更为我在今后的学习与工作中提供了宝贵的经验。在学习、工作和论文写作中，得到了同学们的热忱帮助，在此向他们由衷的感谢。感谢院领导及各位老师在学习期间给予我的帮助。最后，对我的父母以及所有亲人给予我的理解、帮助和支持表示深
