QKG--2型恒功率晶閘管中頻電源控制板

使用說明書

一 概述

QKG--2恒功率晶閘管中頻電源控制板主要由電源、調(diào)節(jié)器、移相控制電路、保護(hù)電路、啟動演算電路、逆變頻率跟蹤、逆變脈沖形成、脈沖放大及脈沖變壓器組成。電路除調(diào)節(jié)器外，其余均實現(xiàn)數(shù)字化，整流觸發(fā)器部分不需要任何調(diào)整，具有可靠性高、脈沖對稱度高、抗干擾能力強(qiáng)、反應(yīng)速度快等特點，又由于有相序自適應(yīng)電路，無需同步變壓器，所以，現(xiàn)場調(diào)試中免去了調(diào)相序、對同步的工作，僅需把KP晶閘管的門極線接入控制板相應(yīng)的接線端上，整流部分便能投入運(yùn)行。

二 技術(shù)要求

（一）正常使用條件

1海拔不超過2000米。

2環(huán)境溫度不低于-10℃，不高于+40℃。

3空氣最大相對濕度不超過90%（20℃±5℃時）。

4運(yùn)行地點無導(dǎo)電及爆炸性塵埃，無腐蝕金屬和破壞絕緣的氣體或蒸汽。

5無劇烈振動和沖擊。

（二）主要技術(shù)參數(shù)

1主電路進(jìn)線額定電壓：100V~660V（50HZ）

2控制供電電源：單相17V/2A。

3中頻電壓反饋信號：AC  12V/15mA。

4電流反饋信號：AC  12V/5mA三相輸入。

5整流觸發(fā)脈沖移相范圍：α=0~130°。

6整流觸發(fā)脈沖不對稱度：小于1°。

7整流觸發(fā)脈沖信號寬度：≥600μS、雙窄、間隔60°。

8整流觸發(fā)脈沖特性：觸發(fā)脈沖峰值電壓：≥12V

觸發(fā)脈沖峰值電流：≥1A

觸發(fā)脈沖前沿陡度：≥0.5A/μS

9逆變頻率：400HZ~10KHZ。

10逆變觸發(fā)脈沖信號寬度：50μS。

11逆變觸發(fā)脈沖特性：觸發(fā)脈峰值電壓：≥22V

觸發(fā)脈峰值電流：≥1.5A

觸發(fā)脈沖前沿陡度：≥2A/μS

（逆變的觸發(fā)脈沖變壓器是外接的）

12最大外型尺寸：295×205×40mm。

13故障信號輸出：

控制板在檢測到故障信號時，輸出一組接點信號，該接點容量為AC：5A/220V：DC：10A/28V。

三 變頻器工作原理

1 主回路工作原理

可控硅中頻電源的基本工作原理，就是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(jìn)行濾波，最后經(jīng)一逆變器將直流變?yōu)閱蜗嘀蓄l電流以供給負(fù)載，所以這種逆變器實際上是一只交流——直流——交流變換器。

2 控制電路特點及原理

KGPS-1恒功率中頻電壓控制板是我廠開發(fā)研制的第四代控制電路，它具有以下特點：

  該控制板適合并聯(lián)逆變。用于各種金屬的熔煉， 保溫及感應(yīng)加熱設(shè)備 的電壓控制。

  控制板為單板全集成化控制板， 采用數(shù)字觸發(fā)， 具有可靠性高、精度高、調(diào)試容易、繼電元件少。

  先進(jìn)的掃頻啟動方式使操作者無需選擇啟動電壓和啟動頻率就能實現(xiàn)100%的成功啟動。

  自動跟隨負(fù)載變化， 在運(yùn)行時具有非故障性的自動再啟動功能以及功率自動調(diào)節(jié)功能。

  具有理想的截流、截壓、精確的關(guān)斷時間和逆變控制角， 保證設(shè)備  可靠運(yùn)行。

  適合控制100KW~2000KW/400~8000HZ中頻電源。

整個控制電路除逆變末級觸發(fā)電路板外，做成一塊印刷電路板結(jié)構(gòu)。從功能上分為整流觸發(fā)部分、調(diào)節(jié)器部分、啟動演算部分。（詳細(xì)電路見附圖）

1） 整流觸發(fā)工作原理

這部分電路包括三相同步、數(shù)字觸發(fā)、末級驅(qū)動等電路。觸發(fā)部分采用的是數(shù)字觸發(fā)，具有可靠性高，精度高，調(diào)試容易等特點，數(shù)字觸發(fā)器的特點是用計數(shù)（時鐘脈沖）的辦法來實現(xiàn)移相，該數(shù)字觸發(fā)器的時鐘脈沖振蕩器是一種電壓控制振蕩器，輸出脈沖頻率受α移相控制電壓vk的控制，vk降低，則振蕩頻率升高，而計數(shù)器的計數(shù)量是固定的（256），計數(shù)器脈沖頻率高，意味著計一定脈沖數(shù)所需時間短，也即延時時間短，α角小，把之α角大，計數(shù)器開始計數(shù)時同樣受同步信號控制，在α=0°時開始計數(shù)，現(xiàn)假設(shè)在某vk值時，根據(jù)壓控振蕩器的控制電壓與頻率間的關(guān)系確定輸出振蕩頻率為25KHZ，則在計數(shù)到256個脈沖所需的時間為（1/25000）×256=10.2(mS)，相當(dāng)于約180°電角度，該觸發(fā)器的計數(shù)清零脈沖在同步電壓（線電壓）30°處，這相當(dāng)三相全控橋式整流電路的β=30°位置，從清零脈沖起，延時10.2mS產(chǎn)生的輸出觸發(fā)脈沖，也即接近于三相橋式整流電路某一相晶閘管α=150°位置，如果需要得到準(zhǔn)確的α=150°觸發(fā)脈沖，可以略微調(diào)節(jié)一下電位器W4。顯然，有三套相同的觸發(fā)電路，而壓控振蕩器和VK控制電壓為公用，這樣在一個周期中產(chǎn)生6個相位差60°的觸發(fā)脈沖。

數(shù)字觸發(fā)器的優(yōu)點是工作穩(wěn)定，特別是用HTL或CMOS數(shù)字集成電路，則可以有很強(qiáng)的抗干擾能力。

IC16A及其周圍電路構(gòu)成電壓一頻率變換器VFC，其輸出信號的頻率隨調(diào)節(jié)器的輸出電壓VK而線性變化。這里W4微調(diào)電位器是最低輸出頻率調(diào)節(jié)（相當(dāng)于模擬電路鋸齒波幅值調(diào)節(jié)）。

三相同步信號直接由晶閘管的門極引線K4、K6、K2從主回路的三相進(jìn)線上取得，由R23、C1、R63、C40、R102、C63進(jìn)行濾波及移相，再經(jīng)6只光電耦合器進(jìn)行電位隔離，獲得6個相位互差60度、占空比小于50%的矩形波同步信號（如IC2C、IC2D）的輸出。

IC3、IC8、IC12（4、5、3、6）計數(shù)器構(gòu)成三路數(shù)字延時器。三相同步信號對計數(shù)器進(jìn)行復(fù)位后，對電壓一頻率變換器的輸出脈沖每計數(shù)256個脈沖便輸出一個延時脈沖，因計數(shù)脈沖的頻率是受VK控制的，換句話說，VK控制了延時脈沖。

計數(shù)器輸出的脈沖經(jīng)隔離、微分后，變成窄脈沖，送到后級的LM556，它即有同步分頻器的功能，亦有定輸出脈寬的功能。輸出的窄脈沖經(jīng)電阻合成為雙窄脈沖，再經(jīng)晶體管放大，驅(qū)動脈沖變壓器輸出。具體的時序圖見附圖。

2） 調(diào)節(jié)器工作原理

調(diào)節(jié)器部分共設(shè)有四個調(diào)節(jié)器：電壓調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、電阻調(diào)節(jié)器、逆變角調(diào)節(jié)器。

其中電壓調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器組成常規(guī)的電流、電壓雙閉環(huán)系統(tǒng)，在啟動和運(yùn)行的整個階段，電流環(huán)始終參與工作，而電壓環(huán)僅工作于運(yùn)行階段；另一阻抗調(diào)節(jié)器，從輸入上看，它與電流調(diào)節(jié)器LT2的輸入完全是并聯(lián)的關(guān)系，區(qū)別僅在于阻抗調(diào)節(jié)器的負(fù)反饋系數(shù)較電流調(diào)節(jié)器的略大，再者就是電流調(diào)節(jié)器的輸出控制的是整流橋的輸出直流電壓，而阻抗調(diào)節(jié)器的輸出控制的是中頻電壓與直流電壓的比例關(guān)系，即逆變功率因數(shù)角。

調(diào)節(jié)器電路的工作過程可以分為兩種情況：一種是直流電壓沒有達(dá)到最大值的時候，由于阻抗調(diào)節(jié)器的反饋系數(shù)大，阻抗調(diào)節(jié)器的給定小于反饋，阻抗調(diào)節(jié)器便工作于限幅狀態(tài)，對應(yīng)的為最小逆變θ角，此時可以認(rèn)為阻抗器不起作用，系統(tǒng)完全是一個標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)；另一種情況是直流電壓已經(jīng)達(dá)到最大值，是流調(diào)節(jié)器開發(fā)始限幅，不再起作用，電壓調(diào)節(jié)器的輸出增加，而反饋電流卻不變化，對阻抗調(diào)節(jié)器來說，當(dāng)反饋電流信號比給定電流略小時，阻抗調(diào)節(jié)器工作，若負(fù)載等效電阻RH的繼續(xù)增大，逆變θ角亦相應(yīng)增大，直至最大逆變θ角。

逆變角調(diào)節(jié)器用于使逆變橋能在某一θ角穩(wěn)定的工作。

中頻電壓互感器過來的中頻電壓信號由CON2-1和CON2-2輸入后，分為兩路，一路送到逆變部分，另一路經(jīng)D7-D10整流后，又分為三路，一路送到電壓調(diào)節(jié)器；一路送到過電壓保護(hù)；一路用于電壓閉環(huán)自動投入。

電壓P1調(diào)節(jié)器由IC13A組成，其輸出信號由IC13D進(jìn)行鉗位限幅。IC13C和IC21C組成電壓閉環(huán)自動投入電路，DIP-3開關(guān)用于電壓開環(huán)調(diào)試，內(nèi)環(huán)采用了電流PL調(diào)節(jié)器進(jìn)行電流自動調(diào)節(jié)，控制精度在1%以上，由主回路交流互感器取得的電流信號，從CON2-3、CON2-4、CON2-5輸入，經(jīng)二極管三相整流橋（D11~D16）整流后，再分為三路，一路作為過流保護(hù)信號，另一路作為電流調(diào)節(jié)器的反饋信號，還有一路作為阻抗調(diào)節(jié)器的反饋信號。由IC17B構(gòu)成電流PI調(diào)節(jié)器，然后由IC17A隔離，控制觸發(fā)電路的電壓——頻率變換器VFC。

IC17C構(gòu)成阻抗調(diào)節(jié)器，它與電流調(diào)節(jié)器是并列的關(guān)系。用于控制逆變橋的引前角，其作用可間接地達(dá)到恒功率因數(shù)，DIP-1可關(guān)掉此調(diào)節(jié)器。

3） 逆變部分工作原理

本電路逆變觸發(fā)部分，采用的是掃頻式零壓軟起動，由于自動調(diào)頻的需要，雖然逆變電路采用的是自激方式，控制信號也是取自負(fù)載端，但是主回路上無需附加起動電路，不需要預(yù)充磁或預(yù)充電的起動過程，因此，主回路得以簡化，但隨之帶來的問題是控制電路較為復(fù)雜。

啟動過程大致是這樣的：在逆變電路啟動前，先以一個高于槽路諧振頻率的它激信號去觸發(fā)逆變晶閘管，當(dāng)電路檢測到主回路開始有直流電流時，便控制它激信號的頻率從高向低掃描，當(dāng)它激信號頻率下降到接近槽路諧振頻率時，中頻電壓便建立起來，并反饋到自動調(diào)頻電路控制逆變引前角，使設(shè)備進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

若一次起動不成功，即自動調(diào)頻電路沒有抓住中頻電壓信號，此時，它激信號便會一直掃描到最低頻段，便進(jìn)行一次再起動，把它激信號再推到最高頻率，重新掃描一次，直至起動成功，重復(fù)起動的周期約為0.5移鐘，完成一次啟動到滿功率運(yùn)行的時間不超過1分鐘。

由CON2-1和CON2-2輸入的中頻電壓信號，經(jīng)變壓器隔離送到中頻啟動電路，由啟動電路輸出的信號經(jīng)微分后由IC18B和IC20B變成窄脈沖輸出，驅(qū)動末級MOS晶體管。IC20A構(gòu)成頻率電壓變換器FVC，用于驅(qū)動頻率表。W7用于整定頻率表的度數(shù)，IC18A構(gòu)成過電壓保護(hù)震蕩器，當(dāng)逆變橋發(fā)生過電壓時，震蕩器起振，使逆變橋的晶閘管導(dǎo)通。

IC19D為啟動失敗檢測器，其輸出控制重復(fù)啟動電路，IC19A為啟動成功檢測器，其輸出控制中頻電壓調(diào)節(jié)器的輸出限幅電平，即主回路的直流電流，W6為逆變它激信號的最高頻率設(shè)定電位器。

4） 啟動演算工作原理

過電流保護(hù)信號經(jīng)IC13B倒相后，送到IC5A組成的過電流截止觸發(fā)器，，封鎖觸發(fā)脈沖（或拉逆變）：驅(qū)動“過流”指示燈和驅(qū)動報警繼電器。過電流觸發(fā)器動作后，只有通過復(fù)位信號或通過關(guān)機(jī)后再開機(jī)進(jìn)行“上電復(fù)位”，方可再啟動。通過W2電位器可整定過流電平。

當(dāng)三相交流輸入缺相時，本控制板均能實現(xiàn)保護(hù)和指示。其原理是：由4#、6#、2#晶閘管的陰極（K）分別取A、B、C三相電壓信號（通過門極引線），經(jīng)過光電耦合器的隔離送到IC14及IC16進(jìn)行檢測和判別，一旦出現(xiàn)“缺相”故障時，除了封鎖整流觸發(fā)脈沖外，還驅(qū)動“缺相”指示燈以及報警繼電器。

為了使控制電路能夠更可靠準(zhǔn)確的運(yùn)行，控制電路上還設(shè)置了啟動定時器和控制電源欠壓檢測保護(hù)。在開機(jī)的瞬間，控制電路的工作是不穩(wěn)定的，設(shè)置一個3秒鐘左右的定時器，待定時過后，才容許輸出觸發(fā)脈沖。這部分電路由IC11、R20等元件構(gòu)成。若由于某種原因造成控制板上直流供電電壓過低，穩(wěn)壓器不能穩(wěn)壓，亦會使控制出錯。設(shè)置一個欠壓檢測電路（由DW4、IC9B等組成），當(dāng)VCC電壓低于12.5V時便封鎖整流觸發(fā)脈沖，防止不正確的觸發(fā)，同時點亮“L.Y”LED批示燈和驅(qū)動報警繼電器。

自動重復(fù)起動電路在IC9A組成。DIP-2開關(guān)用于關(guān)閉自動重復(fù)起動電路。

IC5B組成電壓截止觸發(fā)器，封鎖整流橋觸發(fā)及脈沖（或拉逆變）；驅(qū)動“過壓”指示燈和驅(qū)動報警繼電器；通過Q9使過壓保護(hù)振蕩器起振，IC18A起振。過電壓觸發(fā)器動作后，也像過流觸發(fā)器一樣，只有通過復(fù)位信號或通過關(guān)機(jī)后再開機(jī)進(jìn)行“上電復(fù)位”，方可再次運(yùn)行，調(diào)節(jié)W1微調(diào)電位器可整定過壓電平。

Q7及周圍電路組成水壓過低延時變換電路，延時時間約8秒。

復(fù)位開關(guān)信號由CON2-6、CON2-7輸入，閉合狀態(tài)為復(fù)位/暫停。

四 調(diào)試

1 整流部分的調(diào)試

調(diào)試前，應(yīng)該使逆變橋不工作。例如：把平波電抗器的一端斷開或斷開逆變末級的輸入線，使逆變橋的晶閘管無觸發(fā)脈沖，再在整流橋直流口接入一個約1~2KW的電阻性負(fù)載。電路板上的IF微調(diào)電位器W2順時針旋至靈敏最高端（調(diào)試過程發(fā)生短路時，可以提供過流保護(hù)）。主控板上的DIP開關(guān)撥在ON位置；用示波器做好測量整流橋輸出直流電壓波形的準(zhǔn)備；把面板上的“給定”電位器逆時針旋至最小。

送上三相供電（可以不分相序），檢查是否有缺相報警報示，若有，可以檢查進(jìn)線快速熔斷器是否損壞。

把面板上的“給定”電位器順時針旋大，直流電壓波形應(yīng)該幾乎全放開，再把面板上的“給定”電位器逆時針旋至最小，調(diào)節(jié)控制板上的W4微調(diào)電位器，使直流電壓波形幾乎全關(guān)閉，此時的α角約為120度。輸出直流波形在整個移相范圍內(nèi)應(yīng)該是連續(xù)平滑的。

把逆變橋接入，使逆變觸發(fā)脈沖投入，把電路板上的Vf微調(diào)電位器W1順時針旋至靈敏最高端，（調(diào)試過程中發(fā)生逆變過壓時，可以提供過壓保護(hù)）。把面板上的“給定”電位器順時針銷微旋大，這時逆變橋便工作，當(dāng)出現(xiàn)直通現(xiàn)象時，繼續(xù)把面板上的“給定”電位器順時針旋至一半，此時直流電流表應(yīng)指到額定電流的25%，可調(diào)節(jié)控制板上的W2電流反饋微調(diào)電位器，使直流電流表指示以額定輸出電流的25%左右。一旦逆變起振后，直流電流就可接近額定電流值，精確的額定電流整定，要在滿負(fù)荷運(yùn)行時才可進(jìn)行。

若把面板上的“給定”電位器順時針稍微旋大，逆變器起振，不出現(xiàn)直通現(xiàn)象，可調(diào)整中頻電壓互感器的相位，即把中頻電壓互感器20V繞組的輸出線對調(diào)一下，就不會起振了。

這樣整流橋的調(diào)試就基本完成，可以進(jìn)行逆變橋的調(diào)試。

2、逆變部分的調(diào)試

（1）校準(zhǔn)頻率表。有示波器測逆變觸發(fā)脈沖的它激頻率（它激頻率可以通過W6來調(diào)節(jié)），調(diào)節(jié)W7微調(diào)電位器，使頻率表的讀數(shù)與示波器測得相一致。

（2）啟振逆變器，調(diào)節(jié)控制板上的W6微調(diào)電位器，使其略高于槽路的諧振頻率，W3、W5微調(diào)電位器旋在中間位置。把面板上“給定”電位器順時針稍微旋大，這時它激頻率開始掃描，逆變橋進(jìn)入工作狀態(tài)，當(dāng)起動成功后，控制板上“PP”指示燈會熄滅可以把面板“給定”電位器旋大、旋小反復(fù)操作，這樣，它激信號也反復(fù)作掃頻動作，若不起振，可調(diào)整中頻電壓互感器的相位，即把中頻電壓互感器20V繞組的輸出線對調(diào)一下，此步驟的調(diào)試，亦可使DIP-2和DIP-3開關(guān)處在OFF位置，此時加入了重復(fù)起動工能，電壓環(huán)也投入工作。

（3）逆變起振后，可做整定逆變引前角的工作，把DIP-1開關(guān)打在OFF位置，調(diào)節(jié)W5微調(diào)電位器，使中頻輸出電墳與直流電壓的比為1.2左右（若換相重疊角較大，可適當(dāng)增大此比例值）；再把DIP-1開關(guān)打在ON位置調(diào)節(jié)W3微調(diào)電位器，使中頻輸出電壓與直流電壓的比為1.5左右（或更高）此項調(diào)試工作在較低的中頻輸出電壓下進(jìn)行。注意，必須先調(diào)1.2倍關(guān)系，再調(diào)1.5倍關(guān)系，否則順序反了，會出現(xiàn)相互牽扯的問題。

（4）下一步可以在輕負(fù)荷的情況下整定電壓外環(huán)。主控板上的DIP-3開關(guān)撥在OFF位置，W1微調(diào)電位器順時針旋至最大，把面板上的“給定”電位器順時針旋至最大，逆時針調(diào)節(jié)W1微調(diào)電位器，使輸出的中頻電壓達(dá)到額定值，在這項調(diào)試中，可見到阻抗器起作用的現(xiàn)象，即直流電壓不再上升，而中頻輸出電壓卻還能繼續(xù)隨“給定”電位器的旋大而上升。

3、過壓保護(hù)

控制電路上已經(jīng)把過壓保護(hù)電平固定在額定輸出電壓的1.2倍上，當(dāng)進(jìn)行額定電壓整定時，過壓保護(hù)就自動整定好了，若覺得1.2倍不合適，可改變控制板上R13電阻值，增大R13，過壓保護(hù)電平增高；反之減小。

4、額定電流整定

在滿負(fù)荷下，調(diào)節(jié)控制板上的W2電流反饋微調(diào)電位器，使直流電流表達(dá)到額定值。

五、控制電路板各故障顯示燈

序號代號用途1D.V過壓指示2D.C過流指示3L.V欠壓指示4W.P.L水壓不足5V.LOP電壓環(huán)投入6D.P缺相指示7P.P啟動成功8POWER電源指示9CLK壓控振蕩器工作     注意：P.P指示燈在啟動前為亮狀態(tài)，啟動成功后熄滅。

六、DIP（S1）開關(guān)工作狀態(tài)

開關(guān)工作狀態(tài)DIP-1逆變角度開關(guān)：打在OFF時，小角度；打在ON時，大角度。DIP-2重復(fù)起動開關(guān)：打在OFF時，重復(fù)起動開；打在ON時，重復(fù)起動關(guān)。DIP-3電壓環(huán)控制：打在OFF時，電壓環(huán)投入，打在ON時，電壓環(huán)斷開。七、電位器

W1（VF）最大中頻輸出電壓設(shè)定電位器，當(dāng)有電壓反饋時可設(shè)定最大中頻輸出電壓，順時針方向為最小，最大調(diào)節(jié)范圍約2倍。

W2（IF）最大輸出電流設(shè)定電位器，當(dāng)有電流反饋時可設(shè)定最大輸出電流，順時針方向為最小，最大調(diào)節(jié)范圍約2倍。

W3（MAXB）最大逆變引前角設(shè)定電位器，順時針方向為增大，最大調(diào)節(jié)范圍約為40°-60°。

W4（偏移調(diào)整）出廠時，已基本調(diào)好。

W5（MINB）最小逆變引前角設(shè)定電位器，順時針方向為增大，最大調(diào)節(jié)范圍約為20°-40°。

W6（MAXF）最大它激逆變頻率設(shè)定電位器，順時針方向為增大，最大調(diào)節(jié)范圍約2倍。

W7（FP）外接頻率表校準(zhǔn)。