KGPS六型恒功率中频电源控制板

  恒功率中频电源控制板是我们积多年从事中频电源工作而开发的第六代中频电源控制板
1.控制电路原理
  整个控制电路除逆变末级触发电路板外,做成一块印刷电路板结构,从功能上分为整流触发部分、调节器部分、逆变部分、起动演算部分。
(1) 整流触发工作原理
  这部分电路包括三相同步、数字触发、末级驱动等电路。触发部分采用的是数字触发,具有可靠性高、精度高、调试容易等特点。数字触发器的特征是用计(时钟脉冲)数的办法来实现移相,该数字触发器的时钟脉冲振荡器是一种电压控制振荡器,输出脉冲频率受α移相控制电压Vk的控制,Vk降低,则振荡频率升高,而计数器的计数量是固定的(256),计数器脉冲频率高,意味着计一定脉冲数所需时间短,也即延时时间短,α角小,反之α角大。计数器开始计数时刻同样受同步信号控制,在α=0度时开始计数。现假设在某Vk值时,根据压控振荡器的控制电压与频率间的关系确定输出振荡频率为25kHz,则在计数到256个脉冲所需的时间为(1/25000)×256=10.2(mS),相当于约180°电角度,该触发器的计数清零脉冲在同步电压(线电压)的30度处,这相当于三相全控桥式整流电路的β=30度位置,从清零脉冲起,延时10.2mS产生的输出触发脉冲,也即接近于三相桥式整流电路某一相晶闸管α=150度位置,如果需要得到准确的α=150度触发脉冲,可以稍微调节一下电位器W4。显然,有三套相同的触发电路,而压控振荡器和Vk控制电压为公用,这样在一个周期中产生6个相位差60度的触发脉冲。
  数字触发器的优点是工作稳定,特别是用HTL或CMOS数字集成电路,则可以有很强的抗干扰能力。
  IC16A及其周围电路构成电压——频率转换器,其输出信号的周期随调节器的输出电压Vk而线性变化。这里W4微调电位器是最低输出频率调节(相当于模拟电路锯齿波幅值调节)。
  三相同步信号直接由晶闸管的门极引线K4、K6,K2从主回路的三相进线取得,由R23,C1,R63,C40,R102,C63进行滤波及移相,再经6只光电耦合器进行电位隔离,获得6个相位互差60度、占空比略小于50%的矩形波同步信号(如IC2C、IC2D)的输出。
  IC3、IC8、IC12(14536计数器)构成三路数字延时器。三相同步信号对计数器进行复位后,对电压——频率转换器的输出脉冲每计数256个脉冲便输出一个延时脉冲,因计数脉冲的频率是受Vk控制的,换句话说,Vk控制了延时脉冲。
  计数器输出的脉冲经隔离、微分后,变成窄脉冲,送到后级的LM556,它既有同步分频器功能,亦有定输出脉宽的功能。输出的窄脉冲经电阻合成为双窄脉冲,再经晶体管放大,驱动脉冲变压器输出。具体的时序图见附图。

(2) 调节器工作原理

  调节器部分共设有四个调节器:中频电压调节器、电流调节器、阻抗调节器、逆变角调节器。
  其中电压调节器、电流调节器,组成常规的电流、电压双闭环系统,在启动和运行的整个阶段,电流环始终参与工作,而电压环仅工作于运行阶段;另一阻抗调节器,从输入上看,它与电流调节器LT2的输入完全是并联的关系,区别仅在于阻抗调节器的负反馈系数较电流调节器的略大,再者就是电流调节器的输出控制的是整流桥的输出直流电压,而阻抗调节器的输出控制的是中频电压与直流电压的比例关系,即逆变功率因数角。
  调节器电路的工作过程可以分为两种情况:一种是在直流电压没有达到最大值的时候,由于阻抗调节器的反馈系数略大,阻抗调节器的给定小于反馈,阻抗调节器便工作于限幅状态,对应的为最小逆变θ角,此时可以认为阻抗调节器便工作于限幅状态,对应的为最小逆变θ角,此时可以认为阻抗调节器不起作用,系统完全是一个标准的电压、电流双闭环系统;另一种情况是直流电压已经达到最大值,电流调节器开始限幅,不再起作用,电压调节器的输出增加,而反馈电流却不变化,对阻抗调节器来说,当反馈电流信号比给定电流略小时,阻抗调节器便退出限幅,开始工作,调节逆变角调节器的θ角给定值,使输出的中频电压增加,直流电流也随之增加,达到新的平衡。此时,就只有电压调节器的与阻抗调节器工作,若负载等效电阻RH继续增大,逆变θ角亦相应增大,直至最大逆变θ角。
  逆变角调节器用于使逆变桥能在某一θ角下稳定的工作。
  中频电压互感器过来的中频电压信号由CON2-1和CON2-2输入后,分为两路,一路送到逆变部分,另一路经D7~D10整流后,又分为三路,一路送到电压调节器;一路送到过电压保护;一路用于电压闭环自动投入。
电压PI调节器由IC13A组成,其输出信号由IC13D进行钳位限幅。IC13C和IC21C组成电压闭环自动投入电路,DIP-3开关用于进行电压开环调试。内环采用了电流PI调节器进行电流自动调节,控制精度在1%以上,由主回路交流互感器取得的电流信号,从CON2-3、CON2-4、CON2-5输入,经二极管三相整流桥(D11~ D15)整流后,再分为三路。一路作为电流保护信号,另一路作为电流调节器的反馈信号,还有一路作为阻抗调节器的反馈信号。由IC17B构成电流PI调节器,然后由IC17A隔离,控制触发电路的电压——频率转换器。
  IC17C构成阻抗调节器,它与电流调节器是并列的关系,用于控制逆变桥的引前角。其作用可间接地达到恒功率输出,或者可提高整流桥的输入功率因数。DIP-1可关掉此调节器。
  IC19B构成逆变角调节器,其输出由IC19C为其钳位限幅。
(3) 逆变部分工作原理
  本电路逆变触发部分,采用的是扫频式零压软起动,由于自动调频的需要,虽然逆变电路采用的是自励工作方式,控制信号也是取自负载端,但是主回路上无需附加的起动电路,不需要预充磁或预充电的起动过程,因此,主回路得以简化,但随之带来的问题是控制电路较为复杂。
  起动过程大致是这样的,在逆变电路起动前,先以一个高于槽路谐振频率的它激信号去触发逆变晶闸管,当电路检测到主回路直流电流时,便控制它激信号的频率从高向低扫描,当它激信号频率下降到接近槽路谐振频率时,中频电压便建立起来,并反馈到自动调频电路,自动调频电路一旦投入工作,便停止它激信号的频率扫描,转由自动调频电路控制逆变引前角,使设备进入稳态运行。

  若一次起动不成功,即自动调频电路没有抓住中频电压反馈信号,此时它激信号便会一直扫描到最低频率,重复起动电路一旦检测到它激信号进入到最低频段,便再进行一次起动,把它激信号再推到最高频率,重新扫描一次,直至起动成功。重复起动的周期为0.5秒钟,完成一次起动到满功率运行的时间不超过1秒钟。
  由CON2-1和CON2-2输入的中频电压信号,经变压器隔离送到ZPMK(中频起动模块)、ZPMK 引脚3、引脚4输出的信号经微分后由IC18B和IC20B变成窄脉冲输出,驱动逆变末级MOS晶体管。IC20A构成频率电压转换器,用于驱动频率表。W7用于整定频率表的读数。IC18A构成过电压保护振荡器,当逆变桥发生过电压时,振荡器起振,使逆变桥的4只晶闸管均导通。
  IC19D为起动失败检测器,其输出控制重复起动电路。IC19A为起动成功检测器,其输出控制中频电压调节器的输出限幅电平,即主回路的直流电流。
  W6为逆变它激信号的最高频率设定电位器。
(4) 起动演算工作原理
  过电流保护信号经IC13B倒相后、送到IC15A组成的过电流截止触发器,封锁触发脉冲(或拉逆变);驱动“过流”指示灯亮和驱动报警继电器。过电流触发器动作后,只有通过复位信号或通过关机后再开机进行“上电复位”,方可再次运行。通过W2微调电位器可整定过流电平。
  当三相交流输入缺相时,本控制板均能对电源实现保护和指示。其原理是:由4#、6#、2#晶闸管的阴极(K)分别取A、B、C三相电压信号(通过门极引线),经过光电耦合器的隔离送到IC14及IC16进行检测和判别,一旦出现“缺相”故障时,除了封锁触发脉冲外,还驱动“缺相”指示灯以及报警继电器。
  为了使控制电路能够更可靠准确的运行,控制电路上还设置了启动定时器和控制电源欠压检测保护。在开机的瞬间,控制电路的工作是不稳定的,设置一个3秒种左右的定时器,待定时后,才容许输出触发脉冲。这部分电路由C11、R20等元件构成。若由于某种原因造成控制板上直流供电电压过低,稳压器不能稳压,亦会使控制出错。设置一个欠压检测电路(由DW4、IC9B等组成),当VCC电压低于12.5V时便封锁触发脉冲,防止不正确的触发。
  自动重复起动电路由IC9A组成。DIP-2开关用于关闭自动重复起动电路。
  IC5B组成过电压截止触发器,封锁整流桥触发脉冲(或拉逆变);驱动“过压”指示灯亮和驱动报警继电器;通过Q9使过压保护振荡器IC18A起振。过电压触发器动作后,也像过流触发器一样,只有通过复位信号或通过关机后再开机进行“上电复位”,方可再次运行。调节W1微调电位器可整定过压电平。
  Q7及周围电路组成水压过低,延时保护电路延时时间约8秒。
  复位开关信号由CON2-6、CON2-7输入,闭合状态为复位暂停。
2.调试
  (1) 整流部分的调试
  调试前,应该使逆变桥不工作。例如:把平波电抗器的一端断开或断开逆变末级的输入线,使逆变桥的晶闸管无触发脉冲。再在整流桥口接入一个约1~ 2kW的电阻性负载。电路板上的If微调电位器W2顺时针旋至灵敏度最高端(调试过程发生短路时,可以提供过流保护)。主控板上的DIP开关均拨在ON位置;用示波器做好测量整流桥输出直流电压波形的准备;把面板上的“给定”电位器逆时针旋至最小。
  送上三相供电(可以不分相序),检查是否有缺相报警指示,若有,可以检查进线快速熔断器是否损坏。
把面板上的“给定”电位器顺时针旋大,直流电压波形应该几乎全放开,再把面板上的“给定”电位器逆时针旋至最小,调节整流控制板上的W4微调电位器,使直流电压波形全关闭,移相角约120度。输出直流波形在整个移相范围内应该是连续平滑的。
  把逆变桥接入,使逆变触发脉冲投入。把电路板上的Vf微调电位器W1顺时针旋至灵敏最高端(调试过程发生逆变过压时,可以提供过压保护)。把面板上的“给定”电位器顺时针稍微旋大,这时逆变桥便工作。当出现直通现象时,继续把面板上的“给定”电位器顺时针旋至一半,此时直流电流表应该指示到额定电流的25%左右,若电流表的指示不为额定的25%,可调节控制板上的W2电流反馈微调电位器,使直流电流表指示到额定输出电流的25%左右。一旦逆变起振后,直流电流就可接近额定电流值,精确的额定电流整定,要在满负荷运行时才可进行。
  若把面板上的“给定”电位器顺时针稍微旋大,逆变器便起振,不出现直通现象,可调节中频电压互感器的相位,即把中频电压互感器20V绕组的输出线对调一下,就不会起振了。
  这样整流桥的调试就基本完成,可以进行逆变桥的调试。
(2) 逆变部分的调试
  1) 首先应校准频率表。用示波器测量逆变触发脉冲的它激频率(它激频率可以通过W6来调节),调节W7微调电位器,使频率表的读数与示波器测得的相一致。
  2) 起振逆变器。调节控制板上的W6微调电位器,使其略高于槽路的谐振频率,W3、W5微调电位器旋在中间位置。把面板上的“给定”电位器顺时针稍微旋大,这时它激频率开始扫描,逆变桥进入工作状态,当起动成功后,控制板上“P.P”指示灯会熄灭。可以把面板上的“给定”电位器旋大、旋小反复操作,这样,它激信号也反复作扫频动作。若不起振,可调节中频电压互感器的相位,即把中频电压互感器20V绕组的输出线对调一下。此步骤的调试,亦可使DIP-2和DIP-3开关处在OFF位置,此时加入了重复起动功能,电压环也投入工作。
  3) 逆变起振后,可做整定逆变引前角的工作,把DIP-1开关打在OFF位置,调节W5微调电位器,使中频输出电压与直流电压的比为1.2左右(若换相重叠角较大,可适当增大此比例值);再把DIP-1开关打在ON位置,调节W3微调电位器,使中频输出电压与直流电压的比为1.5左右(或更高),此项调试工作可在较低的中频输出电压下进行。注意,必须先调1.2倍关系,再调1.5倍关系,否则顺序反了,会出现互相牵扯的问题。
  4) 下一步可以轻负荷的情况下整定电压外环。主控板上的DIP-3开关拨在OFF位置,W1微调电位器均顺时针旋至最大,把面板上的“给定”电位器顺时针旋大,逆变桥工作。继续把面板上的“给定”电位器顺时针旋至最大,逆时针调节W1微调电位器,使输出的中频电压达到额定值。在这项调试中,可见到阻抗调节器起作用的现象,即直流电压不在上升,而中频输出电压却还能继续随“给定”电位器的旋大而上升
  (3) 过压保护
  控制电路上已经把过压保护电平固定在额定输出电压的1.2倍上,当进行额定电压整定时,过压保护就自动整定好了。若1.2倍不合适,可改变控制板上的R13电阻值,增大R13,过压保护电平增高;反之减小。
  (4) 过流保护
  控制电路上已经把过流保护电平固定在额定直流电流的1.5倍上,当进行额定电流的整定时,过流保护就自动整定好了。若1.5倍不合适,可改变控制板上的R43电阻值,增大R43,过流保护电平增高;反之减小。
  (5) 额定电流整定
在满负荷下,调节控制板上的W2电流反馈微调电位器,使直流电流表达到额定值。
  3.注意事项
  (1) 调试需要准备的工具
  一台20M示波器,若示波器的电源线是三芯插头时,注意“地线”千万不能接,示波器外壳对地需要绝缘,仅使用一踪探头,示波器的X轴、Y轴均需较准,探头需在测试信号下补偿好.
   若无高压示波器探头,应用电阻做一个分压器,以适应600V电压的测量。
  一个≤500Ω、≥500W的电阻性负载。
  (2) 整流部分调试中的问题
  若在整流部分调试中,发现出不来6个整流波头,则应检查6只整流晶闸管的序号是否接对,晶闸管的门极线是否接反或短路。
  在整流部分调试过程中也间接检查了面板上的“给定”电位器是否接反,接反了则会出现直流电压几乎为最大,只有把“给定”电位器顺时针旋到头时,直流电压才会有减小的现象。
  (3) 整定额定输出电流中的注意事项
  上电数秒种后,把面板上的“给定”电位器顺时针慢慢地旋大,这时逆变桥会出现两种工作状态,一种是逆变桥起振,另一种是逆变桥直通。此时需要的是逆变桥直通,若逆变桥为起振状态,可在停电的状态下,调节中频电压互感器的相位,即把中频电压互感器20V绕组的输出线对调一下,就不会起振了。在缓慢旋大面板上“给定”电位器的操作中,应密切注意电流表的反应,若电流表的指示迅速增大,则应迅速把“给定”电位器逆时针旋下来,此时表明电流取样电路有问题,系统处于电流开环状态,应检查电流互感器是否接对,特别是5A:0.1A电流互感器的原、副边是否接反,0.1A绕组上的68Ω电阻是否接上。正常的表现是随着“给定”电位器的缓慢加大,电流表的指示也跟着增大,当停止旋转“给定”电位器时,电流表的指示能稳定的停在某一刻度上。
  当出现直通现象时,继续把面板上的“给定”电位器顺时针旋大,使直流电流表指示到额定电流的20%左右,用示波器观察主控板上D15的正常波形,即电流取样波形,(示波器探头的地线夹在主控板的跳线上),正常的电流取样波形,应该是6个负极性波头的高低一致,若波头相差太大,说明电流互感器的同名端没有接对,必须改对,否则会影响电流调节器的正常工作。
  需要指出的是,当平波电抗器的直流电阻较小时,在直通状态下作额定电流的整定,会出现直流电流振荡的现象,可在直流回路里串一点电阻加以解决。另外,水冷装置在做此项调试时,必须通水冷却。
  当调试场地的电源供不出装置的额定电流时,额定电流的整定,可放在现场满负荷运行时进行。这与一般的中频电源的电流整定是一样的。但是,应先在小电流的状况下,判定一下电流取样回路的工作是否正常。
  (4) 校准频率表
  若中频电源用的是专用中频频率表,则可免去此步调试。但还是推荐使用直流毫安表头改制的频率表,这一方面是可以测得最高它激频率,另一方面是价格便宜。
  (5) 逆变脉冲的简便检查
  为了判断逆变晶闸管的门极线连接是否正确,首先检查逆变末级上的LED亮度是否正常,不太亮则说明逆变末级的E和C接线端子接反了;再把主控板上CON3-5对外的连线解掉,看熄灭的LED逆变末级是否处在逆变桥的对角线位置。
  (6) 逆变不起振
  若把中频电压互感器20V绕组的输出线对调后,仍然起动不起来,此时应确认一下槽路的谐振频率是否正确,可以用电容/电感表测量一下电热电容器的电容量及感应器的电感量,计算出槽路的谐振频率,当槽路的谐振频率处在最高它激频率的0.6~0.9的范围内时,起动应该是很容易的。接着检查一下逆变晶闸管是否有损坏的。
  (7) 整定逆变引前角中的问题
  逆变起振后,可做整定逆变引前角的工作,把DIP开关均打在OFF位置,用示波器观察电压互感器100V绕组的波形,调节主控板上W5微调电位器,使逆变换相引前角在22度左右,此时中频输出电压与直流电压的比为1.2左右(若换相重叠角较大,可适当增大此比例值),此步整定的是最小逆变引前角,一般希望它尽可能的小,当然,过小的逆变换相引前角会使逆变换相失败,表现为中频电压升高时,会出现重复起动。
  再把DIP-1开关打在ON位置,调节主控板上W3微调电位器,整定最大逆变换相引前角。根据不同的中频输出电压的要求,最大逆变换相引前角亦不同,如中频装置的三相输入电压为380V,额定中频输出电压为750V时,则要求最大逆变换相引前角在42度左右,此时,中频输出电压与直流电压的比为1.5;若中频装置的三相输入电压仍为380V,而额定中频输出电压为1000V时,则要求最大逆变换相引前角在56度左右,此时,中频输出电压与直流电压的比为2.0。一般希望它尽可能的大些,这在系统输入电压偏低时,仍可保证中频输出电压到额定值。当系统输入电压偏高时,由于有电压调节器的作用,中频输出仍然不会出现过电压。
  此项调试工作可在较低的中频输出电压下进行。注意,必须先调最小逆变引前角,再调最大逆变引前角,否则顺序反了,会出现互相牵扯的问题。有时由于电压表不准,给调试带来错误的结论,所以应以示波器测得的引前角为准。
  调试中若出现逆变引前角调不小的现象,在排除了槽路的谐振频率过低的原因后,应检查逆变晶闸管是否都工作了,当只有三只晶闸管工作时,就会出现逆变引前角过大的现象。
  (8) 额定输出电压的整定
  在轻负荷的情况下整定额定输出电压。在这项调试中,可见到阻抗调节器起作用的现象,即直流电压不再上升,而中频输出电压却还能继续随“给定”电位器的旋大而上升。
  在整定额定输出电压时,应在直流电流低于额定电流的条件下进行,否则会由于电流调节器的作用,使中频输出电压调不上去。
  (9) 它激频率
  一定要使它激频率高于槽路可能的最大谐振频率,否则,系统由于它激频率的“拽着”而不能正常运行。它激频率高于槽路可能的最大谐振频率1.2倍是合适的。
  (10) 恒功率输出

  对熔炼负载来说,恒功率输出是很重要的,要想使恒功率区的范围大,就要使逆变引前角从最小变到最大的范围仅可能的大,同时负载阻抗的匹配也很重要。即使不是熔炼负荷,这样做也有利于提高整流的功率因数。
                                      
                                               
                                      


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