1 引言

　　某鋼管廠管加工前區(qū)芯棒淬火中頻感應(yīng)加熱裝置是80年代末期從德國(guó)bbc公司引進(jìn)的，芯棒原設(shè)計(jì)直徑：d=φ65～φ150mm，爐膛溫度：750℃～1300℃。由于生產(chǎn)需要軋制x70、x80管線鋼，芯棒的直徑有時(shí)需要提高到172mm，必然提高了中頻裝置的負(fù)荷。該控制系統(tǒng)采用模擬控制，控制器件為分立元件，設(shè)備已運(yùn)行二十年，控制參數(shù)劣化嚴(yán)重。在加熱φ160mm的芯棒時(shí)，出現(xiàn)功率上不去，系統(tǒng)過(guò)電流跳電，屢次燒逆變側(cè)晶閘管，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

　　2 系統(tǒng)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(yīng)加熱線圈組成的并聯(lián)負(fù)載諧振回路，見(jiàn)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(tǒng)采用電壓、電流雙閉環(huán)控制，控制框圖如圖2所示。通過(guò)對(duì)中頻電壓的檢測(cè)，來(lái)控制中頻輸出電壓的大小，電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為電流給定。通過(guò)檢測(cè)三相交流進(jìn)線電流來(lái)作為電流反饋，電流調(diào)節(jié)器的輸出控制整流器的脈沖移相。控制系統(tǒng)檢測(cè)中頻電壓、電容器支路電流，通過(guò)計(jì)算與比較，來(lái)控制逆變晶閘管的觸發(fā)，保證反壓時(shí)間tβ大于晶閘管關(guān)斷時(shí)間tq。

　　圖2 中頻控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

　　3 故障處理

　　通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)查，可知在加熱φ160芯棒時(shí)，中頻電壓開(kāi)始大約為250v時(shí)，輸入電流沖擊大，隨著加熱的進(jìn)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(huì)隨著加熱的進(jìn)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(yùn)行，輸入電流沒(méi)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(tǒng)頻繁報(bào)警過(guò)電流?

　　(1)針對(duì)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(xiàn)象，導(dǎo)致交流輸入電流大，輸出功率上不去。通過(guò)對(duì)中頻主回路以及線圈的絕緣進(jìn)行檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常;對(duì)晶閘管進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)晶閘管的參數(shù)有劣化趨勢(shì)。我們對(duì)逆變側(cè)晶閘管全部進(jìn)行了更換，以徹底排除主回路的異常;但再次運(yùn)行中頻時(shí)，現(xiàn)象依舊。

　　(2)對(duì)負(fù)載進(jìn)行檢查，在中頻感應(yīng)加熱裝置中，如果負(fù)載不匹配，如電容與感應(yīng)線圈不匹配，也會(huì)出現(xiàn)輸入電流大，輸出功率小的現(xiàn)象。我們對(duì)感應(yīng)線圈的感抗進(jìn)行測(cè)試，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常，對(duì)并聯(lián)電容進(jìn)行簡(jiǎn)單檢查，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常;然后逐步切電容或投電容，啟動(dòng)中頻裝置，即進(jìn)行負(fù)載阻抗的匹配試驗(yàn)，故障現(xiàn)象依舊，說(shuō)明負(fù)載阻抗匹配不存在問(wèn)題。

　　(3)在排除主回路異常后，我們對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行檢查與測(cè)試。發(fā)現(xiàn)中頻裝置工作時(shí)，當(dāng)中頻電壓開(kāi)始大約為250v時(shí)，輸入電流沖擊大，隨后穩(wěn)定在600a左右，反饋電壓為4.5v。系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為1000a/10v，我們調(diào)節(jié)電流反饋系數(shù)，使輸入電流為600a時(shí)，電流反饋為6v。再次運(yùn)行中頻時(shí)，沖擊電流明顯下降，但功率依然上不去，加熱效果差。

　　(4)測(cè)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(dá)70μs，即功率因數(shù)角大約為：70/589×360=43°。本中頻裝置用晶閘管的恢復(fù)時(shí)間大約在20μs，為了保證晶閘管的可靠關(guān)斷，系統(tǒng)設(shè)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(diào)整了超前角的大小，減小超前時(shí)間到40μs，如圖4所示。再次啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，中頻電壓開(kāi)始大約為250v時(shí)，輸入電流開(kāi)始為600a左右，隨著加熱的進(jìn)行，輸入電流逐步減小到350a左右。當(dāng)給定功率的增加時(shí)(即給定電壓的增加)，中頻輸出功率成比例上升;輸入電流開(kāi)始也增加，但隨著加熱的進(jìn)行逐步減少;芯棒加熱效果好，系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。

　　圖4 處理后的中頻電壓、電流波形

　　4 故障分析

　　當(dāng)中頻裝置啟動(dòng)時(shí)，突加給定電壓，由于電壓反饋沒(méi)有，電壓調(diào)節(jié)器輸出迅速增加。由于控制參數(shù)漂移，使得電流反饋系數(shù)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(chǎn)生沖擊電流，只有當(dāng)電壓環(huán)超調(diào)后，輸出電流才開(kāi)始減小，最終由負(fù)載決定。由于中頻裝置中存在很大的電抗，系統(tǒng)調(diào)節(jié)響應(yīng)慢。隨著給定電壓的增加，沖擊電流更大;對(duì)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(tǒng)參數(shù)漂移，使得逆變器控制回路中的晶閘管觸發(fā)的超前角變大(42.8°)，功率因數(shù)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(guò)程中，根據(jù)歐姆定律，負(fù)載參數(shù)隨溫度升高而變化，如中頻等效阻抗增大;但當(dāng)溫度變化緩慢時(shí)，中頻等效阻抗變化不大。當(dāng)中頻給定電壓恒定時(shí)，盡管隨著加熱裝置的運(yùn)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(dǎo)致中頻電流變化緩慢，即系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作在大電流狀態(tài)，也易造成晶閘管的劣化。

　　通過(guò)調(diào)節(jié)定位器，增大電流反饋系數(shù)，使電流反饋600a/6v;減小了電流沖擊。通過(guò)調(diào)節(jié)逆變回路晶閘管脈沖控制參數(shù)，使中頻電流超前中頻電壓的時(shí)間為40μs，既保證了晶閘管的可靠關(guān)斷，又減少了超前角(24.4°)，提高了功率因數(shù)，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(jù)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(dāng)中頻電壓給定不變時(shí)，電壓調(diào)節(jié)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(kāi)始也提高，但隨著芯棒的加熱，中頻電流會(huì)逐步減小，減小了晶閘管的負(fù)擔(dān)。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，對(duì)于中頻感應(yīng)加熱裝置的穩(wěn)定運(yùn)行十分重要。現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員平時(shí)要積極收集設(shè)備原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)或交工驗(yàn)收技術(shù)數(shù)據(jù)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)消化與必要的測(cè)試，積累經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)故障的診斷與處理有很大的指導(dǎo)意義。