感应加热设备维修探析

刘玉强 黄君松

KGPS-500/2000感应加热设备采用模拟控制系统（德国AEG公司的技术），控制器件为分立元件，由于工业环境恶劣，振动大、金属粉尘多，设备故障频繁，在运行时，经常出现启动困难，系统不稳定，功率上不去，系统过电流跳电，屡次烧逆变侧晶闸管等故障，严重影响生产的正常运行。以下通过理论和实际故障分析，使维修人员快速掌握中频电源的维修技术，达到能够对常见故障进行处理的能力，减少设备停台时间。

1.中频感应加热的工作原理

感应加热是利用电磁感应原理将电能转变为热能的加热方式。如图1所示，当感应圈中流过交变电流i1时，便会产生交变磁通Φ，工件由于电磁感应而产生感应电势ε，ε=-dΦ/dt。如果磁通Φ呈正弦变化，即Φ=Φmsinωt，则感应电动势ε和感应电动势有效值U分别满足 ε=-Φmωcosωt，U=4.44fΦm（Φm为回路最大磁通量，f为回路电流频率）。由于中频感应炉中被加热金属有一定的电阻R，于是感应电势在工件中必然会产生电流i2，在电阻的作用下，由于集肤效应和涡流损耗，便会发热，其热量为Q=0.24i22Rt（i2为感应电流的有效值，R为工件电阻，t为时间）。金属获得的功率P=Ui2cosΦ=4.44fΦmi2cosΦ×10-3（cosΦ为功率因数）。可见，要使被加热金属达到一定的温度，必须在被加热金属内产生足够大的电流i2，而i2是由U产生，加大ε和U的途径是增加i1和提高i1的频率f。f越高，磁通就变化越快，ε就越大。为了得到同样的加热效果，f越高，Φ和i1就可以小一些，这样可以减少线圈中的铜耗，提高感应炉的电效率。

2.系统介绍

KGPS-500/2000感应加热设备的主回路包括整流器、直流电抗器、逆变器、电容器与感应加热线圈组成的并联负载谐振回路（图2）。其工作原理为采用三相桥式全控整流，将交流电整流为直流电，经电抗器平波后，成为一个恒定的直流电流源，再经逆变桥将直流电流变成一定频率的单相中频电流,输出的频率取决于LC电路的谐振频率，逆变回路能够自动跟踪负载参数变化，起到自动调频的作用，通过调功电位器改变给定的电压值，控制整流控制角，从而控制整流输出电压，得到所需的中频电压值。

控制回路采用电压、电流双闭环控制（图3）。电压调节器的运算放大器部分与电流调节器相同。其给定电压-Ugd取自稳压电源，反馈电压+UFV取自中频电压互感器，经整流后由电位器引出，-Ugd与+UFV相比较，差值电压作为电压调节器的输入。电压调节器的输出Usc作为电流调节器的给定电压，与电流负反馈-UFI相比较，其差值作为电流调节器的输入，然后通过控制整流触发器的α角去控制整流器的输出Ud和Id，从而控制相应的中频电压Uα。

3.启动方式

撞击式启动原理为：预充电正常时，交流电经过整流后对电容进行充电，充电结束后关闭充电电路，同时打开放电电路对槽路负载进行放电（一次电的撞击），检查回路将检查到的电压和电流取出，通过自激系统产生触发脉冲，在负载上产生衰减振荡，其电压的幅值足以使晶闸管可靠换流，直流电压通过逆变晶闸管及时补充能量，振荡便能增幅，并过渡到稳定状态，完成启动。见图4，在电源启动之前，先利用辅助电源在负载电容（C81～C86）两端加上电压进行预充电，然后将晶闸管打开，同时闭合开关K81将电容中的能量释放到负载电感和电阻回路，产生衰减的震荡。测量装置9-CW80检测到该震荡后，可以产生反馈信号，控制调节逆变频率，从而使电源装置投入工作。

4.常见故障处理

故障按发生部位主要分为整流部分、逆变部分、启动部分和负载部分。

（1）整流部分故障。一般来讲，能正常启动，但电抗器发出声音为嘣嘣声时多为整流部分出现问题，但是炉料过多也会使电抗器发出沉闷的声音，要正确分析。整流部分主要故障为：①由于接触器接触不良导致电源缺相，可用万用表检测。②整流晶闸管的保护快熔烧损导致整流后6个波头有缺失，电抗器滤波时发出嘣嘣声。③整流晶闸管本身损坏，主要表现为阴阳极短路或者门极和控制极开路（正常电阻为6～30Ω）。④用示波器检测整流脉冲，正常整流脉冲为双窄脉冲，如果变成了单脉冲或者脉冲宽度不够基本为整流脉冲变压器或者是整流调节板出现问题。

（2）逆变部分故障。逆变部分出现故障时电源一般无法启动或启动后无法工作。主要故障为：①逆变晶闸管损坏。可用万用表检测，阴阳极电阻无穷大，检查晶闸管的门极和控制极的电阻，正常为10～30Ω。有时测量时发现两只损坏，可将一只晶闸管从压紧铜排上拆除后再进行测量。②逆变脉冲变压器的输出是否正常，如果逆变脉冲少一路或者没有，要更换逆变脉冲变压器，如更换后依然没有要检测逆变功放板的输出脉冲。

（3）预充电部分故障。预充电部分故障通常无法正常启动。主要故障为：①预充电回路的晶闸管出现短路故障导致无法进行充电，槽路里没有能量，可以直接用万用表测量充电电容两端，一般电压为500V,如果没有电压可测量预充电晶闸管是否短路。②如果充电电容有电压，但是并不向槽路里放电，原因可能是晶闸管没有导通，用示波器检查触发回路的脉冲是否正常，检查接触器是否卡死。③充电电压低，有时有啪啪声，检查充电电容是否有接地。

（4）负载故障。负载由感应线圈和补偿电容及相连接的通水铜排构成，常见故障有：①补偿电容器有漏油和击穿现象，可用指针万用表×1k挡测量电容器每个柱子对公共端有无充放电现象，若无充电，说明柱子已坏。②感应圈对地短路，可用1000V摇表测线圈对地电阻（应＞1MΩ）,如果怀疑线圈对地短路，可用电焊机导线绕直径为0.8～1m、匝数为14圈左右的线圈，代替原感应器进行调试，若能启动说明线圈对地有短路，要进行绝缘处理。③电抗器铁芯对地短路。可用2500V摇表测线圈对铁芯或对地的电阻（应＞1MΩ），测量时拆除连接铜排。

（5）正常启动后不能进行工作的原因。①启动成功后频率比正常时高很多，线圈匝间可能有短路或电容器有开路现象。②启动成功后功率上升过压，说明主电路有接触不良的地方或者逆变引前角过大；启动成功后功率上升过流，可能是逆变引前角变小使逆变晶闸管关不断，或存在绝缘不良现象，解决方法可以进行调整逆变引前角。③设备运行过程中，突然过流保护动作，重新启动后，中频电压和直流电压比值变大（正常为1.29～1.33）。可用万用表检查逆变可控硅是否击穿，控制极是否开路或电阻值变大；用示波器检查逆变触发脉冲是否丢失。④过流保护动作，应检查整流桥和逆变桥中的晶闸管是否击穿；是否工作节拍发生变化和正常限流；谐振电容是否击穿；感应圈匝间或对地绝缘是否可靠，如不能确定可更换一台备用感应器；电流互感器负载电阻是否开路，如开路，则更换电子保护调节板。

5.典型故障

加热Φ100mm的棒料，当中频电压为450V，频率为1800Hz时工作正常，当电压增大时经常出现逆变失败，可以重新启动，但也时常逆变失败。

处理：①检查负载，对感应线圈的感抗进行测试，没有发现异常。②对逆变晶闸管进行简单的测量。③用示波器检查逆变脉冲。④对并联电容进行简单检查。⑤逐步切电容或投电容，发现减少一箱电容后，重新调整参数启动中频装置，电压可以升高，分析是补偿电容老化导致耐压不够，更换一箱电容，故障排除。

6.结束语

（1）对于中频逆变电源，其故障多发生在高温下长时间使用，由于机内温升过高，散热条件恶化，导致一些元器件尤其是大功率器件烧坏，如导通检测电阻、晶闸管及电容等，发生故障时需要重点检查。

（2）应准备一些常用的配件，比如晶闸管、逆变脉冲变压器、整流脉冲变压器，中频变压器、同步变压器、各种控制板等，必要时进行替代法排除。

（3）控制系统的稳定，对于中频感应加热装置的稳定运行十分重要。因此，平时要积极收集设备原始设计数据或交工验收技术数据，尤其要对测量点的波形要心中有数，积累经验，对故障的诊断与处理有很大的指导意义。

1 关存和等.可控硅中频技术及其应用.电力工业出版社，1981

2 刘安平.可控硅中频电源维修.煤矿机械，2005（6）