中頻電爐逆變晶閘管燒損原因分析方法有哪些？

{dy}章 概述

可控硅中頻電源裝置簡稱可控硅中頻裝置,是利用可控硅的開關(guān)特性把50Hz的工頻電流變換成中頻電流的一種電源裝置,主要是在感應(yīng)熔煉,感應(yīng)加熱,感應(yīng)淬火等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。它的優(yōu)點是:

1) 效率高

可控硅電源裝置具有相當高的變換效率(90-95%),輸出功率低時,電源轉(zhuǎn)換效率并不降低,特別是在熱處理行業(yè)中,有些被加熱工件需要分段加熱,頻繁開機和停機,在停機狀態(tài)下無損耗。因此,在感應(yīng)加熱行業(yè)中采用可控硅中頻裝置可節(jié)約能源。

2) 體積小重量輕

可控硅變頻裝置由半導(dǎo)體元件組成,沒有復(fù)雜的機械旋轉(zhuǎn)部分無震動,噪音小,安裝時對地面基礎(chǔ)無特殊要求。

3) 操作方便

可控硅裝置的功率調(diào)節(jié)范圍大。頻率可隨負載參數(shù)改變而自動變化(既所謂頻率跟蹤)。負載回路保持在近乎諧振狀態(tài),既在{zj0}狀態(tài)下工作。再加上它有一系列的自動保護裝置,使它的工作穩(wěn)定可靠。

4) 啟動靈活

可控硅變頻裝置一般采用零壓軟啟動,啟動成功率高無沖擊,快而平穩(wěn)。

中頻感應(yīng)電爐有熔化效率高、操作方便、體積小重量輕、啟動靈活，逐漸代替了工頻電爐在企業(yè)的使用。隨著我們公司的快速發(fā)展，生產(chǎn)效率提升，近幾年新建的工廠已經(jīng)全部選用了中頻電爐。中頻電爐是電工電子學(xué)與強電應(yīng)用結(jié)合 的產(chǎn)物，當中頻電源出現(xiàn)故障后，故障隱蔽性強，不易從電路線路直觀的進行排除。因此，中頻電路故障排除，對維修電工整體技能水平要求較高。本文對中頻電爐 常見故障分析方法進行了總結(jié)歸納，供設(shè)備技術(shù)人員和維修電工參考學(xué)習(xí)。

{dy}節(jié) 感應(yīng)加熱的作用原理

中頻無鐵芯感應(yīng)電爐的結(jié)構(gòu)(見圖1)主要有三部分組成1感應(yīng)圈(由水冷卻的銅管繞制的)2坩堝(通常用耐火材料搗制而成) 3爐料(可為各種金屬材料的碎塊)

中 頻無鐵芯感應(yīng)電爐的基本原理是屬于空氣芯變壓器的一種類型,感應(yīng)圈相當于變壓器的初級繞組,而坩堝內(nèi)部的金屬爐料則相當于變壓器的次級繞組(既負載)當在 初級繞組中通過中頻電流(200Hz —8000Hz)就在電磁場的作用和應(yīng)響下,產(chǎn)生磁力線切割次級繞組,致使爐料產(chǎn)生感應(yīng)電勢,并在垂直于感應(yīng)圈軸線的表面內(nèi)引起感應(yīng)電流(稱渦流),從而 使爐料本身發(fā)熱將金屬熔化。用于鍛造的加熱到鍛造溫度。

下面我們簡單的分析一下感應(yīng)電爐的工作情況;

根據(jù)變壓器互感應(yīng)的理論,在次級繞組 (既爐料)內(nèi)的感應(yīng)電勢的有效值(用E2表示)與頻率及交變磁通的{zd0}值兩個參數(shù)有關(guān),在這個感應(yīng)電勢E2的作用下,爐料所形成的閉和回路中,便有渦流通 過,渦流的數(shù)值大小,與感應(yīng)電勢E2成正比,與爐料回路的阻抗成反比,當爐料的阻抗已確定的情況下,則發(fā)熱與感應(yīng)電勢成比例。無鐵心感應(yīng)電爐由于沒有導(dǎo)磁 的物體存在,所以磁力線必須經(jīng)過空氣而閉合,但是空氣的磁阻很大,會減少有效的磁通量,為了要獲得所必須的感應(yīng)電勢,就要求增加磁力線的切割速度,這就要 求增加通過感應(yīng)線圈電流的頻率,來達到發(fā)熱效果顯著的目的。但在實際情況下爐料中感應(yīng)電流的流動,也會形成磁場,但其方向是與感應(yīng)器的磁場相反,二個磁場 迭加一起的結(jié)果將削弱整個的作用。隨著不斷被削弱的磁場繼續(xù)向爐料內(nèi)部深入分布并不斷產(chǎn)生電流,而電流的去磁作用又促使爐料中感應(yīng)的電場強度和電流密度自 表面向中心劇烈的減小,電流的頻率愈高,這種現(xiàn)象也愈顯著,這也就是所謂集膚效應(yīng)作用的結(jié)果。

為了提高爐料的發(fā)熱量,如果無限制的增高頻率,一則受到電源裝置復(fù)雜性的限制,更重要的是由于上述集膚效應(yīng)的原因,渦流發(fā)熱隨著電流頻率的升高,只局現(xiàn)在 爐料周圍的表面層,而爐料中心的熱量是由表面?zhèn)鲗?dǎo)進來的,所以加熱時間將拉長了,電效率不再上升。電源的頻率與電效率之間的關(guān)系可以這樣來描述,在感應(yīng)電 爐爐料直徑固定,爐料的物理性能不變的情況下,電效率將隨著電流頻率的增加而顯著上升,但當頻率繼續(xù)增加時,電效率將不再隨頻率變化而近于飽和階段。因 此,我們可以作一斷言,對于一定尺寸的感應(yīng)爐,并在爐料和感應(yīng)器材料的物理性質(zhì)為同一條件下,則必定有一臨界頻率的存在。正是以上原因的存在,電爐生產(chǎn)廠 家將根據(jù)爐子的大小來選定頻率的高低?？紤]到爐子的電效率和熱效率,選定合適的頻率。爐子容量較小時頻率選高些,容量較大時選低些,一般在200Hz-- 8000Hz范圍內(nèi)。

第二節(jié) 感應(yīng)爐對可控硅中頻電源的要求

1) 感應(yīng)爐對可控硅中頻電源的輸出功率要求。

可控硅 中頻電源的輸出功率必須滿足感應(yīng)爐的{zd0}功率,還要考慮到輸出功率能很方便的調(diào)節(jié),這是因為通常感應(yīng)爐的坩堝的壽命約熔煉數(shù)十爐后就損壞了,必須重新修筑 坩堝爐襯,而新的坩堝爐襯筑好后必須對其進行低功率烘爐,通常烘爐是從10-20%的額定功率開始,然后每隔一定時間升高10%功率,直至額定功率。再 則,熔爐過程中,當爐料熔化后,必須對爐料的成分進行化驗,而化驗期間為不使爐料熔化后沸騰劇烈,這時中頻電源必須減小輸出功率,使爐料保溫。鑒于以上情 況,所以要求可控硅中頻電源能從10%-{bfb}額定輸出功率的范圍內(nèi)方便的調(diào)節(jié)。用于鍛造的透熱爐不存在烘爐的過程。

2)感應(yīng)爐對可控硅中頻電源的輸出頻率要求。

感 應(yīng)爐的電效率與頻率之間的關(guān)系是相關(guān)連的。從電效率出發(fā)可以決定可控硅中頻電源的輸出頻率。例如我們稱這一頻率為fo 。感應(yīng)器實際上是一個電感線圈，而為要補償線圈的無功功率,在線圈的兩端并聯(lián)電容,這就組成了LC 震蕩回路。當可控硅逆變器的輸出頻率f等于感應(yīng)爐回路的固有震蕩頻率fo時,則此時回路的功率因數(shù)等于1 。感應(yīng)爐內(nèi)將得到{zd0}的功率。從以上可以看出,回路的固有震蕩頻率與L和C的數(shù)值有關(guān),一般補償電容C的值是固定不變的,而電感L則因爐料的導(dǎo)磁系數(shù)變化 而變化,例如煉剛時,冷爐鋼的導(dǎo)磁系數(shù)μ很大,所以電感L較大,而當鋼的溫度高到過居里點時鋼的導(dǎo)磁系數(shù) μ=1,所以電感L 減小,因而感應(yīng)爐回路的固有震蕩頻率 fo 將有低變高。為了使感應(yīng)爐在熔煉過程中始終都能得到{zd0}的功率,這就要求可控硅中頻電源的輸出頻率f能隨著 fo 的變化而變化，始終保持頻率自動跟蹤。

2) 對可控硅中頻電源的其他要求。

這是因為當爐料在熔煉過程中,一旦中頻電源發(fā)生 故障,嚴重時會損壞坩堝所以要求可控硅中頻電源工作要可靠,還須具備必要的限壓限流保護,過壓過流保護,斷水保護,等其它自動保護裝置。此外要求可控硅中 頻電源啟動成功率要高,啟動停止操作要方便。

第二章 可控硅中頻電源的工作原理

在介紹中頻電爐逆變晶閘管燒損常見故障之前，我們先簡單的了解一下可控硅中頻電源的基本工作原理：交流電通過一個三相橋式整流電路，把50Hz的工頻交流 電流整流成直流，再經(jīng)過一個濾波器(直流電抗器)進行濾波，{zh1}經(jīng)逆變器將直流變?yōu)閱蜗嘀蓄l交流(200Hz～8000Hz)以供給負載。因此這種中頻電 源的工作原理實際就是：電網(wǎng)交流--整流直流--中頻交流。其基本線路如圖2 。

我們以3噸中頻電爐為例，舉例說明一下中頻電源的工作原理：3噸中頻電爐的電源供給是公司電網(wǎng)經(jīng)過變壓器，將570V工頻50Hz交流電輸送到電爐控制電 源，經(jīng)過三相橋式整流，將570V交流電，整流成為 約750V直流電，經(jīng)過電抗器濾波后，到逆變電路，經(jīng)過逆變晶閘管2個橋臂交替導(dǎo)通，得到 1000V的中頻電源，經(jīng)過補償電容倍壓后，將約為2000V的中頻交流電源輸送到感應(yīng)線圈，通過磁軛聚磁，渦流原理熔化鐵水。

第三章 中頻電爐逆變橋晶閘管燒損故障排除方法

逆變晶閘管燒損，是中頻電爐最常見，但最難排除的故障。不管是過壓還是過流引起的晶閘管燒損，一般情況都需要用排除法，縮小故障范圍，排除故障。

另外的主要原因是電流和大電壓失控，引起的高電壓失控中頻電爐原理的電壓升到一定的值時，逆變器顛覆，無法在高阻抗下運行，元件的耐壓降低或冷卻效果不 好，系統(tǒng)的絕緣性能降低，中頻感應(yīng)電爐電壓升高時機器對地短路，，檢查中頻電容和爐子。干擾也可能引起，逆變觸發(fā)線要高主電路一些。另外就是大電流失控， 中頻電壓的反壓角過小，觸發(fā)電路是否接觸不良，另外還要注意關(guān)斷時間的一直性。

維修工可以按照下表中的步驟，逐步進行排查，縮小故障范圍：

排除步驟

排查部位

排查點

排除方法

{dy}步

爐體

1、感應(yīng)線圈絕緣層有無損壞

2、感應(yīng)線圈和磁軛之間的絕緣是否完好

3、水冷電纜有無鼓包、接頭是否松動

4、爐體冷卻水管有無滲漏和堵塞

5、接地保護是否完好

在確定各排查點完好后，倒換爐體送電試爐

第二步

換爐開關(guān)

1、換爐開關(guān)之間要wq分開，沒有導(dǎo)體搭接

2、換爐開關(guān)觸頭要平整，有效結(jié)合

3、換爐開關(guān)水冷管道暢通

停電后，仔細檢查換爐開關(guān)各個部位元件

第三步

排銅

1、隔開銅排的膠木有無碳化

2、銅排之間要保證沒有東西搭接

3、銅排接口處的水冷管道完好暢通

檢查排查點的各項，確保正常

第四步

補償電容

1、查看補償電容有無滲漏和鼓包

2、敲擊電容殼體，聽聲音確定電容有無內(nèi)空

3、電容水冷管有無滲漏和堵塞

4、使用能測量電容的萬用表，測量電容的通斷

5、放電電抗器接線完好

按照排查點逐一排查檢修

第五步

濾波電抗

1、濾波電抗器水冷管必須要完好

2、電抗器線圈內(nèi)部鐵芯無位移

按照排查點逐一排查檢修

第六步

逆變橋架

1、檢查晶閘管安裝同心度和壓緊度

2、檢查晶閘管阻容保護是否完好

3、檢查電壓互感器是否正常

可以備一套逆變橋，在地面組裝好更換到電源上

第七步

整流橋

1、檢查晶閘管安裝同心度和壓緊度

2、檢查晶閘管阻容保護是否完好

3、檢查電流互感器是否正常

按照排查點逐一排查檢修

第八步

主板

1、電爐完好時，把主板給晶閘管的各個參數(shù)手抄一份，等電爐出現(xiàn)故障時，對照參數(shù)是否一致，有無出現(xiàn)漂移，進行調(diào)整

2、仔細檢查主板上的各插頭，有無斷線與松動

更換主板備用

現(xiàn)在制造的電子元件質(zhì)量已經(jīng)過關(guān)，如果工藝良好，可靠性已經(jīng)非常高。逆變可控硅相對來講是比薄弱的部件。頻繁的損壞逆變晶閘管，也可以著重檢查：

逆變管的阻容吸收回路，重點檢查吸收電容器是否斷路。這時，應(yīng)該采用能夠測量電容量的數(shù)字萬用表檢測電容器，僅僅測量它的通斷是不夠的。如果逆變吸收回路斷線，極易損壞逆變管。

1)檢查管子的電氣參數(shù)是否滿足要求，杜絕使用不合格廠家流入的元件。

2)逆變電路的水冷套及其他冷卻水路是否堵塞，雖然這種情況比較少，但確實出現(xiàn)過，容易忽略。

3)注意負載有無對地打火的現(xiàn)象，這種情況會形成突變的高電壓，造成逆變管擊穿損壞。

4)運行角度偏大或偏小，都會引起逆變管頻繁過流，從而損傷管子，容易造成{yj}性的損壞。

5)在不影響啟動的情況下，適當加大中頻逆變電源至爐體的中頻回路接線電感，可以緩解因逆變管承受過大的di/dt造成的損壞。

第四章 結(jié)論

本文沒有涉及到復(fù)雜的理論知識，只是總結(jié)性的羅列出了逆變晶閘管的排查思路，供設(shè)備維修管理人員借鑒參考。

中頻電爐逆變晶閘管燒損的故障，雖然撲朔迷離，但仍然是有章可循的。設(shè)備管理人員和維修電工應(yīng)該及時分析故障原因，善于總結(jié)，這樣就能逐步深入掌握和應(yīng)用中頻電爐，以便得心應(yīng)手于日常的設(shè)備管理工作。