感應(yīng)加熱設(shè)備維修探析

劉玉強 黃君松

KGPS-500/2000感應(yīng)加熱設(shè)備采用模擬控制系統(tǒng)（德國AEG公司的技術(shù)），控制器件為分立元件，由于工業(yè)環(huán)境惡劣，振動大、金屬粉塵多，設(shè)備故障頻繁，在運行時，經(jīng)常出現(xiàn)啟動困難，系統(tǒng)不穩(wěn)定，功率上不去，系統(tǒng)過電流跳電，屢次燒逆變側(cè)晶閘管等故障，嚴重影響生產(chǎn)的正常運行。以下通過理論和實際故障分析，使維修人員快速掌握中頻電源的維修技術(shù)，達到能夠?qū)ΤＲ姽收线M行處理的能力，減少設(shè)備停臺時間。

1.中頻感應(yīng)加熱的工作原理

感應(yīng)加熱是利用電磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿募訜岱绞?。如圖1所示，當感應(yīng)圈中流過交變電流i1時，便會產(chǎn)生交變磁通Φ，工件由于電磁感應(yīng)而產(chǎn)生感應(yīng)電勢ε，ε=-dΦ/dt。如果磁通Φ呈正弦變化，即Φ=Φmsinωt，則感應(yīng)電動勢ε和感應(yīng)電動勢有效值U分別滿足 ε=-Φmωcosωt，U=4.44fΦm（Φm為回路最大磁通量，f為回路電流頻率）。由于中頻感應(yīng)爐中被加熱金屬有一定的電阻R，于是感應(yīng)電勢在工件中必然會產(chǎn)生電流i2，在電阻的作用下，由于集膚效應(yīng)和渦流損耗，便會發(fā)熱，其熱量為Q=0.24i22Rt（i2為感應(yīng)電流的有效值，R為工件電阻，t為時間）。金屬獲得的功率P=Ui2cosΦ=4.44fΦmi2cosΦ×10-3（cosΦ為功率因數(shù)）?？梢?，要使被加熱金屬達到一定的溫度，必須在被加熱金屬內(nèi)產(chǎn)生足夠大的電流i2，而i2是由U產(chǎn)生，加大ε和U的途徑是增加i1和提高i1的頻率f。f越高，磁通就變化越快，ε就越大。為了得到同樣的加熱效果，f越高，Φ和i1就可以小一些，這樣可以減少線圈中的銅耗，提高感應(yīng)爐的電效率。

2.系統(tǒng)介紹

KGPS-500/2000感應(yīng)加熱設(shè)備的主回路包括整流器、直流電抗器、逆變器、電容器與感應(yīng)加熱線圈組成的并聯(lián)負載諧振回路（圖2）。其工作原理為采用三相橋式全控整流，將交流電整流為直流電，經(jīng)電抗器平波后，成為一個恒定的直流電流源，再經(jīng)逆變橋?qū)⒅绷麟娏髯兂梢欢l率的單相中頻電流,輸出的頻率取決于LC電路的諧振頻率，逆變回路能夠自動跟蹤負載參數(shù)變化，起到自動調(diào)頻的作用，通過調(diào)功電位器改變給定的電壓值，控制整流控制角，從而控制整流輸出電壓，得到所需的中頻電壓值。

控制回路采用電壓、電流雙閉環(huán)控制（圖3）。電壓調(diào)節(jié)器的運算放大器部分與電流調(diào)節(jié)器相同。其給定電壓-Ugd取自穩(wěn)壓電源，反饋電壓+UFV取自中頻電壓互感器，經(jīng)整流后由電位器引出，-Ugd與+UFV相比較，差值電壓作為電壓調(diào)節(jié)器的輸入。電壓調(diào)節(jié)器的輸出Usc作為電流調(diào)節(jié)器的給定電壓，與電流負反饋-UFI相比較，其差值作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，然后通過控制整流觸發(fā)器的α角去控制整流器的輸出Ud和Id，從而控制相應(yīng)的中頻電壓Uα。

3.啟動方式

撞擊式啟動原理為：預(yù)充電正常時，交流電經(jīng)過整流后對電容進行充電，充電結(jié)束后關(guān)閉充電電路，同時打開放電電路對槽路負載進行放電（一次電的撞擊），檢查回路將檢查到的電壓和電流取出，通過自激系統(tǒng)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，在負載上產(chǎn)生衰減振蕩，其電壓的幅值足以使晶閘管可靠換流，直流電壓通過逆變晶閘管及時補充能量，振蕩便能增幅，并過渡到穩(wěn)定狀態(tài)，完成啟動。見圖4，在電源啟動之前，先利用輔助電源在負載電容（C81～C86）兩端加上電壓進行預(yù)充電，然后將晶閘管打開，同時閉合開關(guān)K81將電容中的能量釋放到負載電感和電阻回路，產(chǎn)生衰減的震蕩。測量裝置9-CW80檢測到該震蕩后，可以產(chǎn)生反饋信號，控制調(diào)節(jié)逆變頻率，從而使電源裝置投入工作。

4.常見故障處理

故障按發(fā)生部位主要分為整流部分、逆變部分、啟動部分和負載部分。

（1）整流部分故障。一般來講，能正常啟動，但電抗器發(fā)出聲音為嘣嘣聲時多為整流部分出現(xiàn)問題，但是爐料過多也會使電抗器發(fā)出沉悶的聲音，要正確分析。整流部分主要故障為：①由于接觸器接觸不良導(dǎo)致電源缺相，可用萬用表檢測。②整流晶閘管的保護快熔燒損導(dǎo)致整流后6個波頭有缺失，電抗器濾波時發(fā)出嘣嘣聲。③整流晶閘管本身損壞，主要表現(xiàn)為陰陽極短路或者門極和控制極開路（正常電阻為6～30Ω）。④用示波器檢測整流脈沖，正常整流脈沖為雙窄脈沖，如果變成了單脈沖或者脈沖寬度不夠基本為整流脈沖變壓器或者是整流調(diào)節(jié)板出現(xiàn)問題。

（2）逆變部分故障。逆變部分出現(xiàn)故障時電源一般無法啟動或啟動后無法工作。主要故障為：①逆變晶閘管損壞?？捎萌f用表檢測，陰陽極電阻無窮大，檢查晶閘管的門極和控制極的電阻，正常為10～30Ω。有時測量時發(fā)現(xiàn)兩只損壞，可將一只晶閘管從壓緊銅排上拆除后再進行測量。②逆變脈沖變壓器的輸出是否正常，如果逆變脈沖少一路或者沒有，要更換逆變脈沖變壓器，如更換后依然沒有要檢測逆變功放板的輸出脈沖。

（3）預(yù)充電部分故障。預(yù)充電部分故障通常無法正常啟動。主要故障為：①預(yù)充電回路的晶閘管出現(xiàn)短路故障導(dǎo)致無法進行充電，槽路里沒有能量，可以直接用萬用表測量充電電容兩端，一般電壓為500V,如果沒有電壓可測量預(yù)充電晶閘管是否短路。②如果充電電容有電壓，但是并不向槽路里放電，原因可能是晶閘管沒有導(dǎo)通，用示波器檢查觸發(fā)回路的脈沖是否正常，檢查接觸器是否卡死。③充電電壓低，有時有啪啪聲，檢查充電電容是否有接地。

（4）負載故障。負載由感應(yīng)線圈和補償電容及相連接的通水銅排構(gòu)成，常見故障有：①補償電容器有漏油和擊穿現(xiàn)象，可用指針萬用表×1k擋測量電容器每個柱子對公共端有無充放電現(xiàn)象，若無充電，說明柱子已壞。②感應(yīng)圈對地短路，可用1000V搖表測線圈對地電阻（應(yīng)＞1MΩ）,如果懷疑線圈對地短路，可用電焊機導(dǎo)線繞直徑為0.8～1m、匝數(shù)為14圈左右的線圈，代替原感應(yīng)器進行調(diào)試，若能啟動說明線圈對地有短路，要進行絕緣處理。③電抗器鐵芯對地短路?？捎?500V搖表測線圈對鐵芯或?qū)Φ氐碾娮瑁☉?yīng)＞1MΩ），測量時拆除連接銅排。

（5）正常啟動后不能進行工作的原因。①啟動成功后頻率比正常時高很多，線圈匝間可能有短路或電容器有開路現(xiàn)象。②啟動成功后功率上升過壓，說明主電路有接觸不良的地方或者逆變引前角過大；啟動成功后功率上升過流，可能是逆變引前角變小使逆變晶閘管關(guān)不斷，或存在絕緣不良現(xiàn)象，解決方法可以進行調(diào)整逆變引前角。③設(shè)備運行過程中，突然過流保護動作，重新啟動后，中頻電壓和直流電壓比值變大（正常為1.29～1.33）?？捎萌f用表檢查逆變可控硅是否擊穿，控制極是否開路或電阻值變大；用示波器檢查逆變觸發(fā)脈沖是否丟失。④過流保護動作，應(yīng)檢查整流橋和逆變橋中的晶閘管是否擊穿；是否工作節(jié)拍發(fā)生變化和正常限流；諧振電容是否擊穿；感應(yīng)圈匝間或?qū)Φ亟^緣是否可靠，如不能確定可更換一臺備用感應(yīng)器；電流互感器負載電阻是否開路，如開路，則更換電子保護調(diào)節(jié)板。

5.典型故障

加熱Φ100mm的棒料，當中頻電壓為450V，頻率為1800Hz時工作正常，當電壓增大時經(jīng)常出現(xiàn)逆變失敗，可以重新啟動，但也時常逆變失敗。

處理：①檢查負載，對感應(yīng)線圈的感抗進行測試，沒有發(fā)現(xiàn)異常。②對逆變晶閘管進行簡單的測量。③用示波器檢查逆變脈沖。④對并聯(lián)電容進行簡單檢查。⑤逐步切電容或投電容，發(fā)現(xiàn)減少一箱電容后，重新調(diào)整參數(shù)啟動中頻裝置，電壓可以升高，分析是補償電容老化導(dǎo)致耐壓不夠，更換一箱電容，故障排除。

6.結(jié)束語

（1）對于中頻逆變電源，其故障多發(fā)生在高溫下長時間使用，由于機內(nèi)溫升過高，散熱條件惡化，導(dǎo)致一些元器件尤其是大功率器件燒壞，如導(dǎo)通檢測電阻、晶閘管及電容等，發(fā)生故障時需要重點檢查。

（2）應(yīng)準備一些常用的配件，比如晶閘管、逆變脈沖變壓器、整流脈沖變壓器，中頻變壓器、同步變壓器、各種控制板等，必要時進行替代法排除。

（3）控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，對于中頻感應(yīng)加熱裝置的穩(wěn)定運行十分重要。因此，平時要積極收集設(shè)備原始設(shè)計數(shù)據(jù)或交工驗收技術(shù)數(shù)據(jù)，尤其要對測量點的波形要心中有數(shù)，積累經(jīng)驗，對故障的診斷與處理有很大的指導(dǎo)意義。

1 關(guān)存和等.可控硅中頻技術(shù)及其應(yīng)用.電力工業(yè)出版社，1981

2 劉安平.可控硅中頻電源維修.煤礦機械，2005（6）