數(shù)字集成式QKG--2恒功率控制板

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、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。

  自動跟隨負載變化， 在運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從主回路的三相進線上取得，由R23、C1、R63、C40、R102、C63進行濾波及移相，再經(jīng)6只光電耦合器進行電位隔離，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，此時可以認為阻抗器不起作用，系統(tǒng)完全是一個標準電壓、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；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)備進入穩(wěn)態(tài)運行。

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)成過電壓保護震蕩器，當逆變橋發(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)機后再開機進行“上電復(fù)位”，方可再啟動。通過W2電位器可整定過流電平。

當三相交流輸入缺相時，本控制板均能實現(xiàn)保護和指示。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確的運行，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。在開機的瞬間，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)機后再開機進行“上電復(fù)位”，方可再次運行，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）。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）。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，要在滿負荷運行時才可進行。

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，可以進行逆變橋的調(diào)試。

2、逆變部分的調(diào)試

（1）校準頻率表。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，逆變橋進入工作狀態(tài)，當起動成功后，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

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

4、額定電流整定

在滿負荷下，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。