晶閘管變頻的中頻感應加熱爐, 目前已得到廣泛的使用, 隨著晶閘管容量、質量的不斷提高, 中頻技術的不斷完善, 感應加熱及熔煉的中頻感應加熱爐在使用及維修上都已經(jīng)取得了很大的進步。要用好修好中頻爐, 熟悉中頻感應電爐常見的電氣故障及處理方法是很有必要的, 總結維修過程中的經(jīng)驗, 對指導今后的工作很有好處。
1 中頻感應加熱爐及其電源的特點
1. 1 該廠使用的500kg 中頻爐, 其中頻電源裝置進線采用380V 三相電源, 額定輸出功率250kW。中頻電壓750V , 中頻電流550A。有相序指示電路及顯示, 內有整流控制電壓表, 整流脈沖電流表, 逆變控制電壓表, 逆變脈沖電流表, 有工作?檢查轉換開關?？刂瓢逡还菜膲K, 除電源板外, 還有一塊整流板, 一塊逆變板和一塊保護板。采用自激式預磁化撞擊啟動。其過流保護不是采用整流拉逆變, 而是關橋的保護方式, 即主電路發(fā)生過流或過壓時, 發(fā)出信號使控制電源瞬間短路, 封鎖整流脈沖, 同時續(xù)流二極管使濾波電抗器中的能量通過逆變橋構成通路消耗掉。另外, 各控制板采用了Kc04、Kc41 片子及部分運算放大器等集成塊。
2 中頻感應加熱爐常見電氣故障分析
中頻感應加熱爐, 就其故障發(fā)生的范圍來說, 主要可分為二大塊: 一是控制部分, 二是主電路, 即包括補償電容器、感應器在內的諧振回路與水冷電纜及母排等部分。就故障的種類來說, 主要有過電流、過電壓以及輸出中頻功率低等。造成這些故障的原因是多種多樣的, 下面將逐一分析。
2. 1 控制電源打開后, 按啟動按鈕, 中頻感應加熱爐無反應產(chǎn)生這類故障的主要原因有:
(1) 循環(huán)冷卻水未打開或水壓不夠。這造成電接點水壓表內的常開接點未接通, 中頻柜內的整流電源板沒有電, 即沒有整流電壓輸出, 因而整流觸發(fā)板及逆變觸發(fā)板均無觸發(fā)脈沖, 當然中頻電源裝置就沒有反應。通常此時柜內的整流脈沖電壓表、電流表均無顯示。
(2) 啟動控制回路的時間繼電器1KT 常開延時閉合觸點損壞或啟動延時時間過長或過短。正常的延時時間為3～ 5s, 如果延時時間過短,則主電路上的整流橋無法及時補充負載回路及電抗器消耗的能量(此補充能量由啟動時撞擊產(chǎn)生) , 那么由撞擊形成的衰減波很快趨向于零, 于是啟動失敗。如果延時時間過長, 又會使啟動電阻嚴重發(fā)熱,而且還很可能使主電路的電流增長速度太快, 增長太大, 使換流時間拖得過長, 以至于超越了系統(tǒng)在這一階段的換流能力, 啟動也有可能不成功。 另外, 如時間繼電器常開延時閉合觸點損壞, 控制極無電壓, 則啟動晶閘管V T 15 無法導通, 因而啟動主回路晶閘管V T 11 因無觸發(fā)脈沖也不能導通,就不可能有撞擊衰減波產(chǎn)生, 也就不可能成功啟動。
(3) 啟動變壓器T 4 燒壞, 或T 4 的初級線圈的熔絲燒斷, 以及啟動接觸器KM 2 觸點未閉合或接觸不良。啟動變壓器T 4 設計為短時工作制, 正常工作時間僅為幾秒鐘。如果連續(xù)多次啟動則線圈嚴重發(fā)熱。因此當KM 2 的主觸頭粘住或卡住時, T 4 的線圈很容易被燒壞。另外, 當T 4 初級線圈的熔絲9FU 熔斷以及KM 2 主觸點接觸不良時, 都可使啟動觸發(fā)回路無電, 因而啟動時中頻柜無反應。
(4) 主回路預充磁電阻R623 燒壞或阻值變大。預充磁電阻R6 的主要作用是在啟動前輸送預磁化電流I d, I d≈U d?R6 (U d 為啟動時控制角為A時整流橋輸出的直流電壓; R 6 為啟動時的預磁化電阻)。它使電抗器預磁化, 并在磁場內儲藏一定的能量。逆變啟動后, 由于負載電路的等效電阻比R 6 要小, R 6 中的電流(即預磁化電流) 便向負載轉移, 及時向負載電路補給能量。如果預充磁電阻燒壞或阻值變大, 則向負載回路補充的能量消失或減少, 那么啟動回路的衰減波就會很快衰減掉, 于是啟動失敗。R 6 由4 根108 200W 的繞線電阻兩串兩并組成, 其阻值仍為108 , 串并的目的是為了增加瓦數(shù)。
(5) 啟動預充電電壓達不到500V , 致使啟動晶閘管V T 11 無法開通, 因而啟動回路得不到能量。通常, 預充電電容器變質或漏電, 預充電回路的整流二極管VD10 損壞以及回路中某一點脫焊或虛焊都可造成這種故障。
2. 2 按下啟動按鈕后, 聽到中頻聲音, 隨即逆變失敗, 出現(xiàn)過流或過壓過流和過壓故障是中頻感應加熱爐爐常見的故障, 其故障現(xiàn)象多種多樣, 故障原因也各不相同, 其中過流故障又多于過壓障。
產(chǎn)生過流的主要原因有:
(1) 引前角B 調得偏小, 使逆變晶閘管換流時間tC 增大, 相應儲備時間tB 減小, 因而逆變管換流發(fā)生困難, 產(chǎn)生過流, 使逆變失敗。我們知道, tD= tC+ tB (其中tD 為引前觸發(fā)時間,tC 為換流時間, tB 為儲備時間)。只有當tB> tq ( tq 為關斷時間) 時, 才能保證關斷的晶閘管恢復正向阻斷特性, 使換流成功。當tB 因tC 的增長而減小時, 則換流時應關斷的晶閘管由于未能恢復正向阻斷特性而誤導通, 產(chǎn)生直通短路, 終導致逆變失敗。
(2) 自動調頻回路及逆變觸發(fā)回路發(fā)生故障, 導致觸發(fā)脈沖發(fā)生紊亂及波形畸變, 逆變換流時該導通的管子未導通, 該關斷的關不斷, 結果形成短路,產(chǎn)生過流。正常情況下, 逆變橋對角線的脈沖應重迭, 且波形應清楚、整齊, 幅值、寬度都應符合要求。逆變橋相鄰兩組脈沖相位差應為180℃。本裝置自動調頻回路采用的是定時原則, 即調頻信號取自中頻電壓、電流信號的合成。所得的合成信號為為電容器電容, iC 為電容器電流) , 送入逆變觸發(fā)電路再經(jīng)脈沖變壓器送到逆變晶閘管。如果電壓信號或電流信號因線路故障或受到干擾發(fā)生畸變或紊亂, 則合成信號勢必不正常。如果逆變觸發(fā)回路發(fā)生故障, 同樣會使觸發(fā)脈沖不正常(在相位、幅值、波形上)。因而使逆變管發(fā)生短路, 造成過流。
(3) 左臂或右臂有一只逆變管特性變化, 不該導通時卻發(fā)生正向轉折, 致使逆變回路左臂或右臂發(fā)生直通短路, 造成過流。這主要是指某個逆變晶閘管熱態(tài)特性不好, 在冷態(tài)時各特性參數(shù)均正常, 但一旦送電, 當中頻電壓達到某一數(shù)值時(300V 左右) , 即發(fā)生正向轉折, 以致于由于直通而形成過流。
(4) 感應圈發(fā)生對地短路或匝間短路。感應圈對地絕緣, 在不通水的情況下, 阻值應在2M 8 以上。如果通水, 用萬用表測量, 則在5k8 以上(因水與地相通, 但有一定電阻)。感應圈發(fā)生對地短路或匝間短路, 大多數(shù)是由于爐襯滲漏鐵液, 鐵液冷卻后感應圈與地連通及匝間連通, 造成短路引起。
(5) 電容器發(fā)生相間短路或對地短路。中頻電容器為電熱電容器, 內通冷卻水。當水路有水垢或異物時, 水流量大大減少甚至斷流, 使電容器發(fā)熱加劇而燒壞, 造成相間短路。如果電容器漏油嚴重, 則電容量大為減少, 同時也會使電容器發(fā)熱激增, 發(fā)生相間短路。
中頻電容器外殼為一極, 直接放在由角鋼焊接而成的支架上, 電容器支架用膠木座與電氣網(wǎng)路的地面隔開。如果膠木座因潮濕、油污對地絕緣下降很多, 則很容易發(fā)生對地擊穿而短路。上述二種短路都會造成過流。
(6) 啟動時, 由于整流觸發(fā)回路故障, 整流觸發(fā)脈沖不正常, 使A角變大, 則輸出的直流電壓太低,啟動時撞擊產(chǎn)生的振蕩衰減波補充的能量太小, 使啟動失敗, 形成過流。一般說來, 中頻電源啟動時, 在一定的負載下,直流電壓U d 的低值和高值有一定的范圍, 即平常所說的啟動范圍, 一般為30～ 80V。超出這個范圍, 不是補充的能量太小, 就是主電路電流增長速度太快, 增長太大, 引起換流困難。
(7) 低通濾波器(DL ) 回路阻抗變大, 使逆變端晶閘管工作不對稱及載流子積蓄效應所積累的靜電荷未能及時放掉, 因而開通、關斷特性變壞。關斷不良導致逆變失敗, 形成過流。低通濾波器類似于一個小電抗器, 用6mm 2 漆包線繞制而成, 接在負載部分, 與倍壓電容器相并聯(lián), 與爐子感應圈相連通。作為當逆變端工作不對稱時泄放晶閘管積累的靜電電荷的通路。它與負載回路的連接導線, 其截面應是10mm 2 以上的銅線, 長度愈短愈好, 以減少泄放回路的阻抗, 保證靜電電荷以一定的速率放掉, 確保逆變成功。有時靜電電荷形成的電流很大, 會使低通濾波器嚴重發(fā)熱以致燒壞。
(8) 過流保護板中起保護作用的晶閘管特性變壞時, 其靈敏度增加, 當啟動電流未達到過流整定值時便觸發(fā)導通, 發(fā)出過流信號去封鎖控制電源, 使逆變失敗。
(9) 對角線橋臂的逆變管有一臂因沒有觸發(fā)脈沖而不導通。這樣, 開通的管子就關不斷, 此時功率因數(shù)很低, 啟動電流很大, 即產(chǎn)生過流保護動作。
(10) 調功電位器接觸不良, 使直流電壓忽大忽小, 忽有忽無, 啟動時對負載回路的能量補充就很不穩(wěn)定, 這也往往容易造成啟動失敗而引起過流。產(chǎn)生過壓的主要原因有:(1) 調頻信號回路因導線燒斷或接頭松動而斷開, 使換流引前角B+C2 變大(其中B為換流時t2 到t3 時刻的相角; C為換流時t1 到t2 時刻的相角) , 即U角變大, Co sU變小(Co sU為負載功率因數(shù)) , 則輸出的中頻電壓U a 增大(因U a=1. 1U dCo sU) , 因此很容易引起過壓。(2) 逆變橋中有一熔絲燒毀, 逆變端換流瞬間除了引起過流外, 還很容易引起過壓。
(3) 負載回路發(fā)生故障, 如感應圈和水冷電纜因爐襯滲漏鐵液或斷液而燒斷, 則瞬間很容易產(chǎn)生高壓。這是由于感應圈或水冷電纜斷開后, 槽路不發(fā)生振蕩, 負載回路只剩下電容器。電容器本身已充有一定的電壓, 濾波電抗器中的能量再向電容器充電,勢必產(chǎn)生高壓, 引起過電壓動作。(4) 過壓保護板中起保護作用的晶閘管特性變壞, 靈敏度增加, 當電壓未達到過壓整定值時便觸發(fā)導通, 產(chǎn)生過壓保護動作。(5) 中頻電源送電時加爐料, 爐口的鐵塊或回爐料一頭與鐵液相連, 一頭與爐子的金屬外殼(如平臺或爐口鐵圈) 相碰而打火, 產(chǎn)生的干擾信號影響控制電路, 引起過電壓動作。
(6) 中頻電壓互感器線圈對地絕緣下降, 存在不完全短路, 當中頻電壓上升到300V 以上時, 對地完全短路。短路時產(chǎn)生的電壓信號使過壓保護板動作。
2. 3 輸出功率低, 達不到額定值 500kg 中頻爐, 其額定輸出功率250kW。但是由于種種原因, 有時輸出功率遠遠達不到額定工率, 甚至只有40～ 60kW。常見的原因有:
(1) 整流電壓低, 造成輸出功率低。造成整流電壓低的原因主要有:
a. 整流電路缺相。此時用示波器觀察整流主回路波形, 可以明顯見到缺一波頭, 同時主電路濾波電抗器發(fā)出沉悶的不規(guī)則的振動聲。用萬用表測量某相晶閘管, 如其電阻值為無窮大則證明該晶閘管損壞后已斷路, 或者某熔斷器燒斷。此時若仍在額定電流下工作, 流過其它幾個橋臂的電流過大, 會縮短晶閘管的壽命。一般缺相后, 輸出功率只能達到60kW。
b. 感應圈匝間或對地存在不完全短路。隨著中頻電壓的升高、功率的增大, 變?yōu)橥耆搪? 于是在某一中頻電壓上因短路出現(xiàn)過流, 因而功率上不去。
c. 截流截壓電路出現(xiàn)故障, 未達到整定值便輸出, 限制了整流電壓的升高。
d. 移相脈沖觸發(fā)延遲角無法調到A= 0。
e. 某一橋臂晶閘管觸發(fā)電路出現(xiàn)故障, 或晶閘管性能變劣亦不能觸發(fā)導通。
(2) 逆變電壓、電流相位角(超前相位角) 過小,使中頻電壓U a 低于額定值, 嚴重影響中頻輸出功率的提高。這一般是由于槽路上并聯(lián)的電容器損壞較多引起, 應使U a?Ud≈ 1.
4 左右較為合適。
(3) 爐壁增厚, 爐膛變小, 即爐子的等效電阻R增大, 使中頻功率下降。
2. 4 直流電壓及中頻電壓不穩(wěn)定引發(fā)直流電壓不穩(wěn)定的原因可能是:
①觸發(fā)電路虛焊, 觸發(fā)脈沖時有時無, 使晶閘管時通時不通,此時可看到整流觸發(fā)電流表也發(fā)生擺動。②中頻干擾造成整流晶閘管誤導通, 因而直流電壓輸出不規(guī)則, 產(chǎn)生波動。濾波電抗器碰線, 其電感值下降, 對中頻電源的隔離作用降低, 中頻電壓侵入到整流電路,使整流晶閘管在中頻電壓作用下發(fā)生正向轉折, 造成負載電壓不穩(wěn)定。③整流電壓缺相不平衡時, 電抗器L d 會發(fā)生振動及很大雜音, 造成直流電壓不穩(wěn)定及直流電壓表來回擺動。引發(fā)中頻電壓、電流不穩(wěn)定的原因可能是:
(1) 逆變晶閘管質量差, 熱態(tài)性能不穩(wěn)定, 如開通時間、反向恢復時間不一致, 溫度特性不好。
(2) 逆變觸發(fā)脈沖不對稱, 使管子開通、關斷的時間有差異, 因而引起中頻電壓、電流的波動。
(3) 整流橋直流電壓波動, 引起中頻電壓波動。
(4) 逆變板上的電位器整定值有變化及三極管等某些元件不穩(wěn)定。
3 中頻感應加熱爐故障的檢查方法與步驟
(1) 首先觀察中頻柜內的四塊小表的指示值是否正常。其中整流控制電壓表30V , 整流脈沖電流表130～ 150mA , 逆變控制電壓表12V , 逆變脈沖電流表100～ 120mA。如果數(shù)值在正常范圍內, 則證明電源部分沒有問題。
(2) 用數(shù)字萬用表2008 檔檢查整流、逆變晶閘管陽極、陰極電阻及控制極與陰極電阻值(可不必從柜內卸下來測量, 管子散熱器仍通有冷卻水)。陽極與陰極的正反向電阻值均為∞, 控制極與陰極的電阻值為10～ 508。另外, 應檢查熔斷器是否熔斷。
(3) 將轉換開關SA 置于檢查檔, 用示波器檢查整流及逆變觸發(fā)脈沖的波形, 檢查幅值及時間間隔是否正常。其中, 整流觸發(fā)脈沖為雙脈沖, 時間間隔是3. 33m s; 逆變觸發(fā)脈沖為連續(xù)的脈沖列, 幅值一般為4～ 6V。要求脈沖整齊、無毛刺。檢查的順序是從晶閘管控制極到脈沖變壓器, 然后到整流板和逆變板。
(4) 檢查整流板是否正常?？砂蜗履孀儼? 轉換開關置于檢查檔。按啟動按鈕, 旋動調功電位器, 看直流電壓能否調到500V 左右, 若電壓能調到500V , 則證明整流板正常。
(5) 檢查啟動回路中的電容充電回路。仍拔下逆變板及接通檢查檔, 按下啟動按鈕后用萬用表測量電容cf 兩端電壓, 若能達到500V 左右, 則證明啟動電容充電回路正常。
(6) 檢查預磁化電阻R6 有無燒斷及低通濾波器有無斷線。
(7) 若上述檢查都正常, 則可認為故障基本上出自主回路負載部分。此時, 可檢查電容器有無明顯燒壞的痕跡或嚴重漏油, 電容器支架對地絕緣是否在2M 8 左右, 水冷電纜有無燒斷以及測量感應圈有無對地及匝間短路(一般為爐襯漏鐵液引起)。在感應圈通水的情況下, 其對地電阻應在5k8 以上, 感應圈對磁軛的絕緣電阻應為2M 8 左右(在磁軛不接地的情況下)。
(8) 通過檢查, 如果認為中頻電源柜正常, 電容器也正常, 感應圈及磁軛經(jīng)過中修, 絕緣都符合要求, 而且爐襯又是新筑的, 而送電仍存在過流現(xiàn)象,則可認為是某一逆變晶閘管熱態(tài)特性不好, 也就是在不送電的情況, 其特性數(shù)據(jù)都正常, 但在送電后因發(fā)熱則出現(xiàn)了強迫性正向轉折, 造成過流。此時應逐一更換逆變管, 看是否還過流。
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