500kg 中頻感應(yīng)電爐常見故障分析

晶閘管變頻的中頻感應(yīng)電爐, 目前已得到廣泛的使用, 隨著晶閘管容量、質(zhì)量的不斷提高, 中頻技術(shù)的不斷完善, 感應(yīng)加熱及熔煉的中頻爐在使用及維修上都已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步。寧波市神光電爐有限公司1997 年購進(jìn)二臺浙江大學(xué)電力電子廠生產(chǎn)的500kg 中頻爐主要用來熔煉鑄鐵。通過幾年來的生產(chǎn)及維修實踐, 認(rèn)為, 要用好修好中頻爐, 熟悉中頻感應(yīng)電爐常見的電氣故障及處理方法是很有必要的, 總結(jié)維修過程中的經(jīng)驗, 對指導(dǎo)今后的工作很有好處。
1　500kg 中頻爐及其電源的特點(diǎn)
1. 1　該廠使用的500kg 中頻爐, 其中頻電源裝置進(jìn)線采用380V 三相電源, 額定輸出功率250kW。中頻電壓750V , 中頻電流550A。有相序指示電路及顯示, 內(nèi)有整流控制電壓表, 整流脈沖電流表, 逆變控制電壓表, 逆變脈沖電流表, 有工作ö檢查轉(zhuǎn)換開關(guān)?？刂瓢逡还菜膲K, 除電源板外, 還有一塊整流板, 一塊逆變板和一塊保護(hù)板。采用自激式預(yù)磁化撞擊啟動。其過流保護(hù)不是采用整流拉逆變, 而是關(guān)橋的保護(hù)方式, 即主電路發(fā)生過流或過壓時, 發(fā)出信號使控制電源瞬間短路, 封鎖整流脈沖, 同時續(xù)流二極管使濾波電抗器中的能量通過逆變橋構(gòu)成通路消耗掉。另外, 各控制板采用了Kc04、Kc41 片子及部分運(yùn)算放大器等集成塊。
1. 2　主回路線路及啟動控制線路如圖1、2 所示。

2　常見電氣故障分析
中頻感應(yīng)電爐, 就其故障發(fā)生的范圍來說, 主要可分為二大塊: 一是控制部分, 二是主電路, 即包括補(bǔ)償電容器、感應(yīng)器在內(nèi)的諧振回路與水冷電纜及母排等部分。就故障的種類來說, 主要有過電流、過電壓以及輸出中頻功率低等。造成這些故障的原因是多種多樣的, 下面將逐一分析。
2. 1　控制電源打開后, 按啟動按鈕, 中頻電源裝置無反應(yīng)產(chǎn)生這類故障的主要原因有:
(1) 循環(huán)冷卻水未打開或水壓不夠。這造成電接點(diǎn)水壓表內(nèi)的常開接點(diǎn)未接通, 中頻柜內(nèi)的整流電源板沒有電, 即沒有整流電壓輸出, 因而整流觸發(fā)板及逆變觸發(fā)板均無觸發(fā)脈沖, 當(dāng)然中頻電源裝置就沒有反應(yīng)。通常此時柜內(nèi)的整流脈沖電壓表、電流表均無顯示。
(2) 啟動控制回路的時間繼電器1KT 常開延時閉合觸點(diǎn)損壞或啟動延時時間過長或過短。
正常的延時時間為3～ 5s, 如果延時時間過短,則主電路上的整流橋無法及時補(bǔ)充負(fù)載回路及電抗器消耗的能量(此補(bǔ)充能量由啟動時撞擊產(chǎn)生) , 那么由撞擊形成的衰減波很快趨向于零, 于是啟動失敗。如果延時時間過長, 又會使啟動電阻嚴(yán)重發(fā)熱,而且還很可能使主電路的電流增長速度太快, 增長太大, 使換流時間拖得過長, 以至于超越了系統(tǒng)在這一階段的換流能力, 啟動也有可能不成功。

另外, 如時間繼電器常開延時閉合觸點(diǎn)損壞, 控制極無電壓, 則啟動晶閘管V T 15 無法導(dǎo)通, 因而啟動主回路晶閘管V T 11 因無觸發(fā)脈沖也不能導(dǎo)通,就不可能有撞擊衰減波產(chǎn)生, 也就不可能成功啟動。
(3) 啟動變壓器T 4 燒壞, 或T 4 的初級線圈的熔絲燒斷, 以及啟動接觸器KM 2 觸點(diǎn)未閉合或接觸不良。啟動變壓器T 4 設(shè)計為短時工作制, 正常工作時間僅為幾秒鐘。如果連續(xù)多次啟動則線圈嚴(yán)重發(fā)熱。因此當(dāng)KM 2 的主觸頭粘住或卡住時, T 4 的線圈很容易被燒壞。另外, 當(dāng)T 4 初級線圈的熔絲9FU
熔斷以及KM 2 主觸點(diǎn)接觸不良時, 都可使啟動觸發(fā)回路無電, 因而啟動時中頻柜無反應(yīng)。
(4) 主回路預(yù)充磁電阻R623 燒壞或阻值變大。預(yù)充磁電阻R6 的主要作用是在啟動前輸送預(yù)磁化電流I d, I d≈U döR6 (U d 為啟動時控制角為A時整流橋輸出的直流電壓; R 6 為啟動時的預(yù)磁化電阻)。它使電抗器預(yù)磁化, 并在磁場內(nèi)儲藏一定的能量。逆變啟動后, 由于負(fù)載電路的等效電阻比R 6 要小, R 6 中的電流(即預(yù)磁化電流) 便向負(fù)載轉(zhuǎn)移, 及時向負(fù)載電路補(bǔ)給能量。如果預(yù)充磁電阻燒壞或阻值變大, 則向負(fù)載回路補(bǔ)充的能量消失或減少, 那么啟動回路的衰減波就會很快衰減掉, 于是啟動失敗。R 6 由4 根108 200W 的繞線電阻兩串兩并組成, 其阻值仍為108 , 串并的目的是為了增加瓦數(shù)。
( 5 ) 啟動預(yù)充電電壓達(dá)不到500V , 致使啟動晶閘管V T 11 無法開通, 因而啟動回路得不到能量。通常, 預(yù)充電電容器變質(zhì)或漏電, 預(yù)充電回路的整流二極管VD10 損壞以及回路中某一點(diǎn)脫焊或虛焊都可造成這種故障。
2. 2　按下啟動按鈕后, 聽到中頻聲音, 隨即逆變失敗, 出現(xiàn)過流或過壓過流和過壓故障是中頻爐最常見的故障, 其故障現(xiàn)象多種多樣, 故障原因也各不相同, 其中過流故障又多于過壓障。
產(chǎn)生過流的主要原因有:
( 1) 引前角B 調(diào)得偏小, 使逆變晶閘管換流時間tC 增大, 相應(yīng)儲備時間tB 減小, 因而逆變管換流發(fā)生困難, 產(chǎn)生過流, 使逆變失敗。我們知道, tD= tC+ tB (其中tD 為引前觸發(fā)時間,tC 為換流時間, tB 為儲備時間)。只有當(dāng)tB> tq ( tq 為關(guān)斷時間) 時, 才能保證關(guān)斷的晶閘管恢復(fù)正向阻斷特性, 使換流成功。當(dāng)tB 因tC 的增長而減小時, 則換流時應(yīng)關(guān)斷的晶閘管由于未能恢復(fù)正向阻斷特性而誤導(dǎo)通, 產(chǎn)生直通短路, 最終導(dǎo)致逆變失敗。
(2) 自動調(diào)頻回路及逆變觸發(fā)回路發(fā)生故障, 導(dǎo)致觸發(fā)脈沖發(fā)生紊亂及波形畸變, 逆變換流時該導(dǎo)通的管子未導(dǎo)通, 該關(guān)斷的關(guān)不斷, 結(jié)果形成短路,產(chǎn)生過流。正常情況下, 逆變橋?qū)蔷€的脈沖應(yīng)重迭, 且波形應(yīng)清楚、整齊, 幅值、寬度都應(yīng)符合要求。逆變橋相鄰兩組脈沖相位差應(yīng)為180℃。本裝置自動調(diào)頻回路采用的是定時原則, 即調(diào)頻信號取自中頻電壓、電流信號的合成。所得的合成信號為為電容器電容, iC 為電容器電流) , 送入逆變觸發(fā)電路再經(jīng)脈沖變壓器送到逆變晶閘管。如果電壓信號或電流信號因線路故障或受到干擾發(fā)生畸變或紊亂, 則合成信號勢必不正常。如果逆變觸發(fā)回路發(fā)生故障, 同樣會使觸發(fā)脈沖不正常(在相位、幅值、波形上)。因而使逆變管發(fā)生短路, 造成過流。
(3) 左臂或右臂有一只逆變管特性變化, 不該導(dǎo)通時卻發(fā)生正向轉(zhuǎn)折, 致使逆變回路左臂或右臂發(fā)生直通短路, 造成過流。這主要是指某個逆變晶閘管熱態(tài)特性不好, 在冷態(tài)時各特性參數(shù)均正常, 但一旦送電, 當(dāng)中頻電壓達(dá)到某一數(shù)值時(300V 左右) , 即發(fā)生正向轉(zhuǎn)折, 以致于由于直通而形成過流。
(4) 感應(yīng)圈發(fā)生對地短路或匝間短路。感應(yīng)圈對地絕緣, 在不通水的情況下, 阻值應(yīng)在2M 8 以上。如果通水, 用萬用表測量, 則在5k8 以上(因水與地相通, 但有一定電阻)。感應(yīng)圈發(fā)生對地短路或匝間短路, 大多數(shù)是由于爐襯滲漏鐵液, 鐵液冷卻后感應(yīng)圈與地連通及匝間連通, 造成短路引起。
(5) 電容器發(fā)生相間短路或?qū)Φ囟搪?。中頻電容器為電熱電容器, 內(nèi)通冷卻水。當(dāng)水路有水垢或異物時, 水流量大大減少甚至斷流, 使電容器發(fā)熱加劇而燒壞, 造成相間短路。如果電容器漏油嚴(yán)重, 則電容量大為減少, 同時也會使電容器發(fā)熱激增, 發(fā)生相間短路。
中頻電容器外殼為一極, 直接放在由角鋼焊接而成的支架上, 電容器支架用膠木座與電氣網(wǎng)路的地面隔開。如果膠木座因潮濕、油污對地絕緣下降很多, 則很容易發(fā)生對地?fù)舸┒搪贰Ｉ鲜龆N短路都會造成過流。
(6) 啟動時, 由于整流觸發(fā)回路故障, 整流觸發(fā)脈沖不正常, 使A角變大, 則輸出的直流電壓太低,啟動時撞擊產(chǎn)生的振蕩衰減波補(bǔ)充的能量太小, 使啟動失敗, 形成過流。
一般說來, 中頻電源啟動時, 在一定的負(fù)載下,直流電壓U d 的最低值和最高值有一定的范圍, 即平常所說的啟動范圍, 一般為30～ 80V。超出這個范圍, 不是補(bǔ)充的能量太小, 就是主電路電流增長速度太快, 增長太大, 引起換流困難。
( 7) 低通濾波器(DL ) 回路阻抗變大, 使逆變端晶閘管工作不對稱及載流子積蓄效應(yīng)所積累的靜電荷未能及時放掉, 因而開通、關(guān)斷特性變壞。關(guān)斷不良導(dǎo)致逆變失敗, 形成過流。低通濾波器類似于一個小電抗器, 用6mm 2 漆包線繞制而成, 接在負(fù)載部分, 與倍壓電容器相并聯(lián), 與爐子感應(yīng)圈相連通。作為當(dāng)逆變端工作不對稱時泄放晶閘管積累的靜電電荷的通路。它與負(fù)載回路的連接導(dǎo)線, 其截面應(yīng)是10mm 2 以上的銅線, 長度愈短愈好, 以減少泄放回路的阻抗, 保證靜電電荷以一定的速率放掉, 確保逆變成功。有時靜電電荷形成的電流很大, 會使低通濾波器嚴(yán)重發(fā)熱以致燒壞。
(8) 過流保護(hù)板中起保護(hù)作用的晶閘管特性變壞時, 其靈敏度增加, 當(dāng)啟動電流未達(dá)到過流整定值時便觸發(fā)導(dǎo)通, 發(fā)出過流信號去封鎖控制電源, 使逆變失敗。
(9) 對角線橋臂的逆變管有一臂因沒有觸發(fā)脈沖而不導(dǎo)通。這樣, 開通的管子就關(guān)不斷, 此時功率因數(shù)很低, 啟動電流很大, 即產(chǎn)生過流保護(hù)動作。
(10) 調(diào)功電位器接觸不良, 使直流電壓忽大忽小, 忽有忽無, 啟動時對負(fù)載回路的能量補(bǔ)充就很不穩(wěn)定, 這也往往容易造成啟動失敗而引起過流。產(chǎn)生過壓的主要原因有:(1) 調(diào)頻信號回路因?qū)Ь€燒斷或接頭松動而斷開, 使換流引前角B+C2 變大(其中B為換流時t2 到t3 時刻的相角; C為換流時t1 到t2 時刻的相角) , 即U角變大, Co sU變小(Co sU為負(fù)載功率因數(shù)) , 則輸出的中頻電壓U a 增大(因U a=1. 1U dCo sU) , 因此很容易引起過壓。(2) 逆變橋中有一熔絲燒毀, 逆變端換流瞬間除了引起過流外, 還很容易引起過壓。(3) 負(fù)載回路發(fā)生故障, 如感應(yīng)圈和水冷電纜因爐襯滲漏鐵液或斷液而燒斷, 則瞬間很容易產(chǎn)生高壓。這是由于感應(yīng)圈或水冷電纜斷開后, 槽路不發(fā)生振蕩, 負(fù)載回路只剩下電容器。電容器本身已充有一定的電壓, 濾波電抗器中的能量再向電容器充電,勢必產(chǎn)生高壓, 引起過電壓動作。(4) 過壓保護(hù)板中起保護(hù)作用的晶閘管特性變壞, 靈敏度增加, 當(dāng)電壓未達(dá)到過壓整定值時便觸發(fā)導(dǎo)通, 產(chǎn)生過壓保護(hù)動作。(5) 中頻電源送電時加爐料, 爐口的鐵塊或回爐料一頭與鐵液相連, 一頭與爐子的金屬外殼(如平臺或爐口鐵圈) 相碰而打火, 產(chǎn)生的干擾信號影響控制電路, 引起過電壓動作。
(6) 中頻電壓互感器線圈對地絕緣下降, 存在不完全短路, 當(dāng)中頻電壓上升到300V 以上時, 對地完全短路。短路時產(chǎn)生的電壓信號使過壓保護(hù)板動作。
2. 3　輸出功率低, 達(dá)不到額定值
500kg 中頻爐, 其額定輸出功率250kW。但是由于種種原因, 有時輸出功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到額定工率,
甚至只有40～ 60kW。常見的原因有:
(1) 整流電壓低, 造成輸出功率低。造成整流電壓低的原因主要有:
a. 整流電路缺相。此時用示波器觀察整流主回路波形, 可以明顯見到缺一波頭, 同時主電路濾波電抗器發(fā)出沉悶的不規(guī)則的振動聲。用萬用表測量某相晶閘管, 如其電阻值為無窮大則證明該晶閘管損壞后已斷路, 或者某熔斷器燒斷。此時若仍在額定電流下工作, 流過其它幾個橋臂的電流過大, 會縮短晶閘管的壽命。一般缺相后, 輸出功率只能達(dá)到60kW。
b. 感應(yīng)圈匝間或?qū)Φ卮嬖诓煌耆搪贰ｋS著中頻電壓的升高、功率的增大, 變?yōu)橥耆搪? 于是在某一中頻電壓上因短路出現(xiàn)過流, 因而功率上不去。
c. 截流截壓電路出現(xiàn)故障, 未達(dá)到整定值便輸出, 限制了整流電壓的升高。
d. 移相脈沖觸發(fā)延遲角無法調(diào)到A= 0。
e. 某一橋臂晶閘管觸發(fā)電路出現(xiàn)故障, 或晶閘管性能變劣亦不能觸發(fā)導(dǎo)通。
(2) 逆變電壓、電流相位角(超前相位角) 過小,使中頻電壓U a 低于額定值, 嚴(yán)重影響中頻輸出功率的提高。這一般是由于槽路上并聯(lián)的電容器損壞較多引起, 應(yīng)使U aöUd≈ 1. 4 左右較為合適。
(3) 爐壁增厚, 爐膛變小, 即爐子的等效電阻R增大, 使中頻功率下降。
2. 4　直流電壓及中頻電壓不穩(wěn)定引發(fā)直流電壓不穩(wěn)定的原因可能是: ①觸發(fā)電路虛焊, 觸發(fā)脈沖時有時無, 使晶閘管時通時不通,此時可看到整流觸發(fā)電流表也發(fā)生擺動。②中頻干擾造成整流晶閘管誤導(dǎo)通, 因而直流電壓輸出不規(guī)則, 產(chǎn)生波動。濾波電抗器碰線, 其電感值下降, 對中頻電源的隔離作用降低, 中頻電壓侵入到整流電路,使整流晶閘管在中頻電壓作用下發(fā)生正向轉(zhuǎn)折, 造成負(fù)載電壓不穩(wěn)定。③整流電壓缺相不平衡時, 電抗器L d 會發(fā)生振動及很大雜音, 造成直流電壓不穩(wěn)定及直流電壓表來回擺動。引發(fā)中頻電壓、電流不穩(wěn)定的原因可能是:
(1) 逆變晶閘管質(zhì)量差, 熱態(tài)性能不穩(wěn)定, 如開通時間、反向恢復(fù)時間不一致, 溫度特性不好。
(2) 逆變觸發(fā)脈沖不對稱, 使管子開通、關(guān)斷的時間有差異, 因而引起中頻電壓、電流的波動。
(3) 整流橋直流電壓波動, 引起中頻電壓波動。
(4) 逆變板上的電位器整定值有變化及三極管等某些元件不穩(wěn)定。
3　中頻爐故障的檢查方法與步驟
(1) 首先觀察中頻柜內(nèi)的四塊小表的指示值是否正常。其中整流控制電壓表30V , 整流脈沖電流表130～ 150mA , 逆變控制電壓表12V , 逆變脈沖電流表100～ 120mA。如果數(shù)值在正常范圍內(nèi), 則證明電源部分沒有問題。
(2) 用數(shù)字萬用表2008 檔檢查整流、逆變晶閘管陽極、陰極電阻及控制極與陰極電阻值(可不必從柜內(nèi)卸下來測量, 管子散熱器仍通有冷卻水)。陽極與陰極的正反向電阻值均為∞, 控制極與陰極的電阻值為10～ 508。另外, 應(yīng)檢查熔斷器是否熔斷。
(3) 將轉(zhuǎn)換開關(guān)SA 置于檢查檔, 用示波器檢查整流及逆變觸發(fā)脈沖的波形, 檢查幅值及時間間隔是否正常。其中, 整流觸發(fā)脈沖為雙脈沖, 時間間隔是3. 33m s; 逆變觸發(fā)脈沖為連續(xù)的脈沖列, 幅值一般為4～ 6V。要求脈沖整齊、無毛刺。檢查的順序是從晶閘管控制極到脈沖變壓器, 然后到整流板和逆變板。
(4) 檢查整流板是否正常?？砂蜗履孀儼? 轉(zhuǎn)換開關(guān)置于檢查檔。按啟動按鈕, 旋動調(diào)功電位器, 看直流電壓能否調(diào)到500V 左右, 若電壓能調(diào)到500V , 則證明整流板正常。
(5) 檢查啟動回路中的電容充電回路。仍拔下逆變板及接通檢查檔, 按下啟動按鈕后用萬用表測量電容cf 兩端電壓, 若能達(dá)到500V 左右, 則證明啟動電容充電回路正常。
(6) 檢查預(yù)磁化電阻R6 有無燒斷及低通濾波器有無斷線。
(7) 若上述檢查都正常, 則可認(rèn)為故障基本上出自主回路負(fù)載部分。此時, 可檢查電容器有無明顯燒壞的痕跡或嚴(yán)重漏油, 電容器支架對地絕緣是否在2M 8 左右, 水冷電纜有無燒斷以及測量感應(yīng)圈有無對地及匝間短路(一般為爐襯漏鐵液引起)。在感應(yīng)圈通水的情況下, 其對地電阻應(yīng)在5k8 以上, 感應(yīng)圈對磁軛的絕緣電阻應(yīng)為2M 8 左右(在磁軛不接地的情況下)。
(8) 通過檢查, 如果認(rèn)為中頻電源柜正常, 電容器也正常, 感應(yīng)圈及磁軛經(jīng)過中修, 絕緣都符合要求, 而且爐襯又是新筑的, 而送電仍存在過流現(xiàn)象,則可認(rèn)為是某一逆變晶閘管熱態(tài)特性不好, 也就是在不送電的情況, 其特性數(shù)據(jù)都正常, 但在送電后因發(fā)熱則出現(xiàn)了強(qiáng)迫性正向轉(zhuǎn)折, 造成過流。此時應(yīng)逐一更換逆變管, 看是否還過流。

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