中頻感應加熱裝置的故障處理

　　1 引言

　　某鋼管廠管加工前區芯棒淬火中頻感應加熱裝置是80年代末期從德國bbc公司引進的，芯棒原設計直徑：d=φ65～φ150mm，爐膛溫度：750℃～1300℃。由于生產需要軋制x70、x80管線鋼，芯棒的直徑有時需要提高到172mm，必然提高了中頻裝置的負荷。該控制系統采用模擬控制，控制器件為分立元件，設備已運行二十年，控制參數劣化嚴重。在加熱φ160mm的芯棒時，出現功率上不去，系統過電流跳電，屢次燒逆變側晶閘管，嚴重影響生產的正常運行。

　　2 系統介紹

　　主回路包括整流變壓器、整流器、直流電抗器、逆變器、電容器與感應加熱線圈組成的并聯負載諧振回路，見圖1。整流變壓器750kva，10kv/550v;采用晶閘管三相全控整流;電抗器具有平滑作用，濾去高次諧波;逆變器由單相全控橋組成，輸出功率600kw，輸出電壓800v，電流880a，最大頻率2000hz。

　　圖1 主回路電路圖

　　控制系統采用電壓、電流雙閉環控制，控制框圖如圖2所示。通過對中頻電壓的檢測，來控制中頻輸出電壓的大小，電壓調節器的輸出作為電流給定。通過檢測三相交流進線電流來作為電流反饋，電流調節器的輸出控制整流器的脈沖移相。控制系統檢測中頻電壓、電容器支路電流，通過計算與比較，來控制逆變晶閘管的觸發，保證反壓時間tβ大于晶閘管關斷時間tq。

　　圖2 中頻控制系統簡圖

　　3 故障處理

　　通過對系統進行調查，可知在加熱φ160芯棒時，中頻電壓開始大約為250v時，輸入電流沖擊大，隨著加熱的進行，輸入電流基本徘徊在600a左右。隨著給定功率的增加(即給定電壓的增加)，輸入電流增大，但輸入電流不會隨著加熱的進行而逐步減少，芯棒加熱緩慢。為什么在加熱初期電流沖擊大?為什么隨著加熱裝置的運行，輸入電流沒有逐步減少?為什么隨著給定功率的增加，加熱效果不明顯，而系統頻繁報警過電流?

　　(1)針對逆變回路頻繁燒晶閘管，初步懷疑主回路晶閘管不良或主回路存在接地或短路現象，導致交流輸入電流大，輸出功率上不去。通過對中頻主回路以及線圈的絕緣進行檢查，沒有發現異常;對晶閘管進行檢查，發現晶閘管的參數有劣化趨勢。我們對逆變側晶閘管全部進行了更換，以徹底排除主回路的異常;但再次運行中頻時，現象依舊。

　　(2)對負載進行檢查，在中頻感應加熱裝置中，如果負載不匹配，如電容與感應線圈不匹配，也會出現輸入電流大，輸出功率小的現象。我們對感應線圈的感抗進行測試，沒有發現異常，對并聯電容進行簡單檢查，也沒有發現異常;然后逐步切電容或投電容，啟動中頻裝置，即進行負載阻抗的匹配試驗，故障現象依舊，說明負載阻抗匹配不存在問題。

　　(3)在排除主回路異常后，我們對控制系統進行檢查與測試。發現中頻裝置工作時，當中頻電壓開始大約為250v時，輸入電流沖擊大，隨后穩定在600a左右，反饋電壓為4.5v。系統標準設置為1000a/10v，我們調節電流反饋系數，使輸入電流為600a時，電流反饋為6v。再次運行中頻時，沖擊電流明顯下降，但功率依然上不去，加熱效果差。

　　(4)測試中頻電壓與電流波形如圖3所示，中頻頻率大約1.7khz，周期t為589μs，電流超前電壓達70μs，即功率因數角大約為：70/589×360=43°。本中頻裝置用晶閘管的恢復時間大約在20μs，為了保證晶閘管的可靠關斷，系統設置的電流超前電壓大約在40μs左右。

　　圖3 處理前中頻電壓、電流波形

　　為此，我們調整了超前角的大小，減小超前時間到40μs，如圖4所示。再次啟動系統時，中頻電壓開始大約為250v時，輸入電流開始為600a左右，隨著加熱的進行，輸入電流逐步減小到350a左右。當給定功率的增加時(即給定電壓的增加)，中頻輸出功率成比例上升;輸入電流開始也增加，但隨著加熱的進行逐步減少;芯棒加熱效果好，系統恢復正常工作。

　　圖4 處理后的中頻電壓、電流波形

　　4 故障分析

　　當中頻裝置啟動時，突加給定電壓，由于電壓反饋沒有，電壓調節器輸出迅速增加。由于控制參數漂移，使得電流反饋系數減小，同樣的中頻電流給定使中頻裝置輸出的瞬間電流比較大，產生沖擊電流，只有當電壓環超調后，輸出電流才開始減小，最終由負載決定。由于中頻裝置中存在很大的電抗，系統調節響應慢。隨著給定電壓的增加，沖擊電流更大;對晶閘管的沖擊也大，加快晶閘管的劣化，造成晶閘管疲勞擊穿。

　　隨著元器件老化，模擬控制系統參數漂移，使得逆變器控制回路中的晶閘管觸發的超前角變大(42.8°)，功率因數低(0.733)，即使輸出同樣的中頻電壓與中頻電流，但中頻裝置輸出的有功功率不高，加熱效果差。正常情況下，在中頻加熱過程中，根據歐姆定律，負載參數隨溫度升高而變化，如中頻等效阻抗增大;但當溫度變化緩慢時，中頻等效阻抗變化不大。當中頻給定電壓恒定時，盡管隨著加熱裝置的運行，由于加熱效果差，中頻等效阻抗變化不大，電壓反饋提高得慢，導致中頻電流變化緩慢，即系統長時間工作在大電流狀態，也易造成晶閘管的劣化。

　　通過調節定位器，增大電流反饋系數，使電流反饋600a/6v;減小了電流沖擊。通過調節逆變回路晶閘管脈沖控制參數，使中頻電流超前中頻電壓的時間為40μs，既保證了晶閘管的可靠關斷，又減少了超前角(24.4°)，提高了功率因數，為0.91。由于中頻裝置的輸出有功功率提高，芯棒加熱功率增大。根據歐姆定律，隨著芯棒溫度的升高，芯棒電阻增大，中頻等效阻抗增加，在同樣的中頻電流下，中頻電壓反饋提高;當中頻電壓給定不變時，電壓調節器的輸出減少，使中頻輸入電流也逐步減小。隨著給定功率的提高，中頻電壓提高，中頻電流開始也提高，但隨著芯棒的加熱，中頻電流會逐步減小，減小了晶閘管的負擔。

　　5 結束語

　　控制系統的穩定，對于中頻感應加熱裝置的穩定運行十分重要?，F場技術人員平時要積極收集設備原始設計數據或交工驗收技術數據，并對系統進行技術消化與必要的測試，積累經驗數據，對故障的診斷與處理有很大的指導意義。