中频无芯感应电炉常见故障分析
日期：2018-11-30 / 人气：2252
晶闸管变频的中频感应电炉, 目前已得到广泛的使用, 随着晶闸管容量、质量的不断提高, 中频技术的不断完善, 感应加热及熔炼的中频炉在使用及维修上都已经取得了很大的进步。宁波市神光电炉有限公司1997 年购进二台浙江大学电力电子厂生产的500kg 中频炉主要用来熔炼铸铁。通过几年来的生产及维修实践, 认为, 要用好修好中频炉, 熟悉中频感应电炉常见的电气故障及处理方法是很有必要的, 总结维修过程中的经验, 对指导今后的工作很有好处。
1 中频炉及其电源的特点
1. 1 该厂使用的500kg 中频炉, 其中频电源装置进线采用380V 三相电源, 额定输出功率250kW。中频电压750V , 中频电流550A。有相序指示电路及显示, 内有整流控制电压表, 整流脉冲电流表, 逆变控制电压表, 逆变脉冲电流表, 有工作?检查转换开关。控制板一共四块, 除电源板外, 还有一块整流板, 一块逆变板和一块保护板。采用自激式预磁化撞击启动。其过流保护不是采用整流拉逆变, 而是关桥的保护方式, 即主电路发生过流或过压时, 发出信号使控制电源瞬间短路, 封锁整流脉冲, 同时续流二极管使滤波电抗器中的能量通过逆变桥构成通路消耗掉。另外, 各控制板采用了Kc04、Kc41 片子及部分运算放大器等集成块。
1. 2 主回路线路及启动控制线路如图1、2 所示。
2 常见电气故障分析
中频感应电炉, 就其故障发生的范围来说, 主要可分为二大块: 一是控制部分, 二是主电路, 即包括补偿电容器、感应器在内的谐振回路与水冷电缆及母排等部分。就故障的种类来说, 主要有过电流、过电压以及输出中频功率低等。造成这些故障的原因是多种多样的, 下面将逐一分析。
2. 1 控制电源打开后, 按启动按钮, 中频电源装置无反应产生这类故障的主要原因有:
(1) 循环冷却水未打开或水压不够。这造成电接点水压表内的常开接点未接通, 中频柜内的整流电源板没有电, 即没有整流电压输出, 因而整流触发板及逆变触发板均无触发脉冲, 当然中频电源装置就没有反应。通常此时柜内的整流脉冲电压表、电流表均无显示。
(2) 启动控制回路的时间继电器1KT 常开延时闭合触点损坏或启动延时时间过长或过短。
正常的延时时间为3～ 5s, 如果延时时间过短,则主电路上的整流桥无法及时补充负载回路及电抗器消耗的能量(此补充能量由启动时撞击产生) , 那么由撞击形成的衰减波很快趋向于零, 于是启动失败。如果延时时间过长, 又会使启动电阻严重发热,而且还很可能使主电路的电流增长速度太快, 增长太大, 使换流时间拖得过长, 以至于超越了系统在这一阶段的换流能力, 启动也有可能不成功。
另外, 如时间继电器常开延时闭合触点损坏, 控制极无电压, 则启动晶闸管V T 15 无法导通, 因而启动主回路晶闸管V T 11 因无触发脉冲也不能导通,就不可能有撞击衰减波产生, 也就不可能成功启动。
(3) 启动变压器T 4 烧坏, 或T 4 的初级线圈的熔丝烧断, 以及启动接触器KM 2 触点未闭合或接触不良。启动变压器T 4 设计为短时工作制, 正常工作时间仅为几秒钟。如果连续多次启动则线圈严重发热。因此当KM 2 的主触头粘住或卡住时, T 4 的线圈很容易被烧坏。另外, 当T 4 初级线圈的熔丝9FU
熔断以及KM 2 主触点接触不良时, 都可使启动触发回路无电, 因而启动时中频柜无反应。
(4) 主回路预充磁电阻R623 烧坏或阻值变大。预充磁电阻R6 的主要作用是在启动前输送预磁化电流I d, I d≈U d?R6 (U d 为启动时控制角为A时整流桥输出的直流电压; R 6 为启动时的预磁化电阻)。它使电抗器预磁化, 并在磁场内储藏一定的能量。逆变启动后, 由于负载电路的等效电阻比R 6 要小, R 6 中的电流(即预磁化电流) 便向负载转移, 及时向负载电路补给能量。如果预充磁电阻烧坏或阻值变大, 则向负载回路补充的能量消失或减少, 那么启动回路的衰减波就会很快衰减掉, 于是启动失败。R 6 由4 根108 200W 的绕线电阻两串两并组成, 其阻值仍为108 , 串并的目的是为了增加瓦数。
( 5 ) 启动预充电电压达不到500V , 致使启动晶闸管V T 11 无法开通, 因而启动回路得不到能量。通常, 预充电电容器变质或漏电, 预充电回路的整流二极管VD10 损坏以及回路中某一点脱焊或虚焊都可造成这种故障。
2. 2 按下启动按钮后, 听到中频声音, 随即逆变失败, 出现过流或过压过流和过压故障是中频炉最常见的故障, 其故障现象多种多样, 故障原因也各不相同, 其中过流故障又多于过压障。
( 1) 引前角B 调得偏小, 使逆变晶闸管换流时间tC 增大, 相应储备时间tB 减小, 因而逆变管换流发生困难, 产生过流, 使逆变失败。我们知道, tD= tC+ tB (其中tD 为引前触发时间,tC 为换流时间, tB 为储备时间)。只有当tB> tq ( tq 为关断时间) 时, 才能保证关断的晶闸管恢复正向阻断特性, 使换流成功。当tB 因tC 的增长而减小时, 则换流时应关断的晶闸管由于未能恢复正向阻断特性而误导通, 产生直通短路, 最终导致逆变失败。
(2) 自动调频回路及逆变触发回路发生故障, 导致触发脉冲发生紊乱及波形畸变, 逆变换流时该导通的管子未导通, 该关断的关不断, 结果形成短路,产生过流。正常情况下, 逆变桥对角线的脉冲应重迭, 且波形应清楚、整齐, 幅值、宽度都应符合要求。逆变桥相邻两组脉冲相位差应为180℃。本装置自动调频回路采用的是定时原则, 即调频信号取自中频电压、电流信号的合成。所得的合成信号为为电容器电容, iC 为电容器电流) , 送入逆变触发电路再经脉冲变压器送到逆变晶闸管。如果电压信号或电流信号因线路故障或受到干扰发生畸变或紊乱, 则合成信号势必不正常。如果逆变触发回路发生故障, 同样会使触发脉冲不正常(在相位、幅值、波形上)。因而使逆变管发生短路, 造成过流。
(3) 左臂或右臂有一只逆变管特性变化, 不该导通时却发生正向转折, 致使逆变回路左臂或右臂发生直通短路, 造成过流。这主要是指某个逆变晶闸管热态特性不好, 在冷态时各特性参数均正常, 但一旦送电, 当中频电压达到某一数值时(300V 左右) , 即发生正向转折, 以致于由于直通而形成过流。
(4) 感应圈发生对地短路或匝间短路。感应圈对地绝缘, 在不通水的情况下, 阻值应在2M 8 以上。如果通水, 用万用表测量, 则在5k8 以上(因水与地相通, 但有一定电阻)。感应圈发生对地短路或匝间短路, 大多数是由于炉衬渗漏铁液, 铁液冷却后感应圈与地连通及匝间连通, 造成短路引起。
(5) 电容器发生相间短路或对地短路。中频电容器为电热电容器, 内通冷却水。当水路有水垢或异物时, 水流量大大减少甚至断流, 使电容器发热加剧而烧坏, 造成相间短路。如果电容器漏油严重, 则电容量大为减少, 同时也会使电容器发热激增, 发生相间短路。
中频电容器外壳为一极, 直接放在由角钢焊接而成的支架上, 电容器支架用胶木座与电气网路的地面隔开。如果胶木座因潮湿、油污对地绝缘下降很多, 则很容易发生对地击穿而短路。上述二种短路都会造成过流。
(6) 启动时, 由于整流触发回路故障, 整流触发脉冲不正常, 使A角变大, 则输出的直流电压太低,启动时撞击产生的振荡衰减波补充的能量太小, 使启动失败, 形成过流。
一般说来, 中频电源启动时, 在一定的负载下,直流电压U d 的最低值和最高值有一定的范围, 即平常所说的启动范围, 一般为30～ 80V。超出这个范围, 不是补充的能量太小, 就是主电路电流增长速度太快, 增长太大, 引起换流困难。
( 7) 低通滤波器(DL ) 回路阻抗变大, 使逆变端晶闸管工作不对称及载流子积蓄效应所积累的静电荷未能及时放掉, 因而开通、关断特性变坏。关断不良导致逆变失败, 形成过流。低通滤波器类似于一个小电抗器, 用6mm 2 漆包线绕制而成, 接在负载部分, 与倍压电容器相并联, 与炉子感应圈相连通。作为当逆变端工作不对称时泄放晶闸管积累的静电电荷的通路。它与负载回路的连接导线, 其截面应是10mm 2 以上的铜线, 长度愈短愈好, 以减少泄放回路的阻抗, 保证静电电荷以一定的速率放掉, 确保逆变成功。有时静电电荷形成的电流很大, 会使低通滤波器严重发热以致烧坏。
(8) 过流保护板中起保护作用的晶闸管特性变坏时, 其灵敏度增加, 当启动电流未达到过流整定值时便触发导通, 发出过流信号去封锁控制电源, 使逆变失败。
(9) 对角线桥臂的逆变管有一臂因没有触发脉冲而不导通。这样, 开通的管子就关不断, 此时功率因数很低, 启动电流很大, 即产生过流保护动作。
(10) 调功电位器接触不良, 使直流电压忽大忽小, 忽有忽无, 启动时对负载回路的能量补充就很不稳定, 这也往往容易造成启动失败而引起过流。产生过压的主要原因有:(1) 调频信号回路因导线烧断或接头松动而断开, 使换流引前角B+C2 变大(其中B为换流时t2 到t3 时刻的相角; C为换流时t1 到t2 时刻的相角) , 即U角变大, Co sU变小(Co sU为负载功率因数) , 则输出的中频电压U a 增大(因U a=1. 1U dCo sU) , 因此很容易引起过压。(2) 逆变桥中有一熔丝烧毁, 逆变端换流瞬间除了引起过流外, 还很容易引起过压。(3) 负载回路发生故障, 如感应圈和水冷电缆因炉衬渗漏铁液或断液而烧断, 则瞬间很容易产生高压。这是由于感应圈或水冷电缆断开后, 槽路不发生振荡, 负载回路只剩下电容电容器本身已充有一定的电压, 滤波电抗器中的能量再向电容器充电,势必产生高压, 引起过电压动作。(4) 过压保护板中起保护作用的晶闸管特性变坏, 灵敏度增加, 当电压未达到过压整定值时便触发导通, 产生过压保护动作。(5) 中频电源送电时加炉料, 炉口的铁块或回炉料一头与铁液相连, 一头与炉子的金属外壳(如平台或炉口铁圈) 相碰而打火, 产生的干扰信号影响控制电路, 引起过电压动作。
(6) 中频电压互感器线圈对地绝缘下降, 存在不完全短路, 当中频电压上升到300V 以上时, 对地完全短路。短路时产生的电压信号使过压保护板动作。
2. 3 输出功率低, 达不到额定值
500kg 中频炉, 其额定输出功率250kW。但是由于种种原因, 有时输出功率远远达不到额定工率,甚至只有40～ 60kW。常见的原因有:
(1) 整流电压低, 造成输出功率低。造成整流电压低的原因主要有:
a. 整流电路缺相。此时用示波器观察整流主回路波形, 可以明显见到缺一波头, 同时主电路滤波电抗器发出沉闷的不规则的振动声。用万用表测量某相晶闸管, 如其电阻值为无穷大则证明该晶闸管损坏后已断路, 或者某熔断器烧断。此时若仍在额定电流下工作, 流过其它几个桥臂的电流过大, 会缩短晶闸管的寿命。一般缺相后, 输出功率只能达到60kW。
b. 感应圈匝间或对地存在不完全短路。随着中频电压的升高、功率的增大, 变为完全短路, 于是在某一中频电压上因短路出现过流, 因而功率上不去。
c. 截流截压电路出现故障, 未达到整定值便输出, 限制了整流电压的升高。
d. 移相脉冲触发延迟角无法调到A= 0。
e. 某一桥臂晶闸管触发电路出现故障, 或晶闸管性能变劣亦不能触发导通。
(2) 逆变电压、电流相位角(超前相位角) 过小,使中频电压U a 低于额定值, 严重影响中频输出功率的提高。这一般是由于槽路上并联的电容器损坏较多引起, 应使U a?Ud≈ 1. 4 左右较为合适。
(3) 炉壁增厚, 炉膛变小, 即炉子的等效电阻R增大, 使中频功率下降。
2. 4 直流电压及中频电压不稳定引发直流电压不稳定的原因可能是: ①触发电路虚焊, 触发脉冲时有时无, 使晶闸管时通时不通,此时可看到整流触发电流表也发生摆动。②中频干扰造成整流晶闸管误导通, 因而直流电压输出不规则, 产生波动。滤波电抗器碰线, 其电感值下降, 对中频电源的隔离作用降低, 中频电压侵入到整流电路,使整流晶闸管在中频电压作用下发生正向转折, 造成负载电压不稳定。③整流电压缺相不平衡时, 电抗器L d 会发生振动及很大杂音, 造成直流电压不稳定及直流电压表来回摆动。引发中频电压、电流不稳定的原因可能是:
(1) 逆变晶闸管质量差, 热态性能不稳定, 如开通时间、反向恢复时间不一致, 温度特性不好。
(2) 逆变触发脉冲不对称, 使管子开通、关断的时间有差异, 因而引起中频电压、电流的波动。
(3) 整流桥直流电压波动, 引起中频电压波动。
(4) 逆变板上的电位器整定值有变化及三极管等某些元件不稳定。
3 中频炉故障的检查方法与步骤
(1) 首先观察中频柜内的四块小表的指示值是否正常。其中整流控制电压表30V , 整流脉冲电流表130～ 150mA , 逆变控制电压表12V , 逆变脉冲电流表100～ 120mA。如果数值在正常范围内, 则证明电源部分没有问题。
(2) 用数字万用表2008 档检查整流、逆变晶闸管阳极、阴极电阻及控制极与阴极电阻值(可不必从柜内卸下来测量, 管子散热器仍通有冷却水)。阳极与阴极的正反向电阻值均为∞, 控制极与阴极的电阻值为10～ 508。另外, 应检查熔断器是否熔断。
(3) 将转换开关SA 置于检查档, 用示波器检查整流及逆变触发脉冲的波形, 检查幅值及时间间隔是否正常。其中, 整流触发脉冲为双脉冲, 时间间隔是3. 33m
s; 逆变触发脉冲为连续的脉冲列, 幅值一般为4～ 6V。要求脉冲整齐、无毛刺。检查的顺序是从晶闸管控制极到脉冲变压器, 然后到整流板和逆变板。
(4) 检查整流板是否正常。可拔下逆变板, 转换开关置于检查档。按启动按钮, 旋动调功电位器, 看直流电压能否调到500V 左右, 若电(4) 检查整流板是否正常。可拔下逆变板, 转换开关置于检查档。按启动按钮, 旋动调功电位器, 看直流电压能否调到500V 左右, 若电压能调到500V , 则证明整流板正常。
(5) 检查启动回路中的电容充电回路。仍拔下逆变板及接通检查档, 按下启动按钮后用万用表测量电容cf 两端电压, 若能达到500V 左右, 则证明启动电容充电回路正常。
(6) 检查预磁化电阻R6 有无烧断及低通滤波器有无断线。
(7) 若上述检查都正常, 则可认为故障基本上出自主回路负载部分。此时, 可检查电容器有无明显烧坏的痕迹或严重漏油, 电容器支架对地绝缘是否在2M 8 左右, 水冷电缆有无烧断以及测量感应圈有无对地及匝间短路(一般为炉衬漏铁液引起)。在感应圈通水的情况下, 其对地电阻应在5k8 以上, 感应圈对磁轭的绝缘电阻应为2M 8 左右(在磁轭不接地的情况下)。
(8) 通过检查, 如果认为中频电源柜正常, 电容器也正常, 感应圈及磁轭经过中修, 绝缘都符合要求, 而且炉衬又是新筑的, 而送电仍存在过流现象,则可认为是某一逆变晶闸管热态特性不好, 也就是在不送电的情况, 其特性数据都正常, 但在送电后因发热则出现了强迫性正向转折, 造成过流。此时应逐一更换逆变管, 看是否还过流。