2200kW12脉波中频电炉使用说明书文档格式.docx

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输出功率

系列号

例如：

KGPS1000/0.5

表示KGPS系列晶闸管中频电源，输出功率1000kW，工作频率500Hz。

本系列中频电源采用交流－直流－交流变频方式，中频电源部分包括并联电容器组，160kW以下中频电源规格的电容器组装在电源柜内，其它规格的中频电源均外置电容器组。

本系列电源的工作环境应符合下列要求：

1.海拔高度不超过2000米。

2.周围环境温度不高于+40℃，不低于－2℃。

3.周围环境湿度不大于85%（气温20±

5℃时）。

4.周围环境没有导电易燃易爆尘埃，没有能腐蚀金属和破坏绝缘的气体，蒸汽，没有强烈震动。

5.电网电压波动不大于10%，波形畸变不大于10%。

6.冷却水压力为0.2~0.4MPa，进水温度不高于35℃。

7.冷却水水质符合国标GB10067-1-88的要求。

第二章常见中频电源规格和技术参数

本系列变频电源的技术参数见表2-1，表2-2和表2-3。

表2-1KGPS系列电源技术参数（3相6脉冲整流器）

型号

PS100

PS160

PS250

PS500

PS800

PS1000

额定功率（kW）

100

160

250

500

800

1000

输入电压（V）

380

660

输入电流（A）

180

290

450

920

810

直流电压（V）

890

直流电流（A）

200

320

900

1120

输出电压（V）

750

1500

2400

典型工作频率（Hz）

表2-2KGPS系列电源技术参数（3相6脉冲整流器）

PS1250

PS1500

PS1800

1250

1800

1260

1400

1680

2000

表2-3KGPS系列电源技术参数（6相12脉冲整流器）

PS2000

PS2500

PS3000

PS4000

PS5000

PS6000

2500

3000

4000

5000

6000

2×

1010

1125

1890

2250

1200

1670

2100

第三章中频电源的主电路工作原理

本系列电源采用交流－直流－交流变频方式，由一个（或二个）三相桥式整流器将三相交流电变成直流，再由一个单相桥式逆变器将直流变为中频交流，整流器和逆变器均由可控硅（SCR）构成。

1、3相6脉波全控桥式整流器

3相6脉波全控桥式整流器电路如图3-1所示，电路中KP1、KP3、KP5的三个阴极连接在一起（共阴极组）。

在正向控制脉冲作用下，每一瞬间只有阳极电位最高的一相导通，KP2、KP4、KP6的三个阳极连在一起（共阳极组）。

在正向控制脉冲的作用下，每一瞬间只有阴极电位最低的一相导通，由图3-2所示的UA，UB，UC的相位关系可知，电路中整流元件的导通顺序为KP1→KP2→KP3→KP4→KP5→KP6。

六只可控硅的起始导电角依次互差600，整流元件交替工作一周期内每只管子导电1200，每经600后，其中二相换流一次。

在任何瞬间都有两只可控硅导电，为使全控桥能按上述顺序轮流导电，相应要求三相全控桥可控硅的触发脉冲UKP1，UKP2，UKP3，UKP4，UKP5，UKP6的频率要与被整流的三相电源的频率相同，相位依次互差600。

如果触发脉冲都在自然换流点送出，则得到电路工作情况及输出电压波形与不可控的三相桥式电路完全一样。

这时，整流桥输出的电压最高，称为全开放，通过加在可控硅上触发脉冲的相位延迟，即触发脉冲送出的时间从自然换流点延迟一个角度（称控制角），就可改变输出电压的大小。

因为每只整流可控硅的换流时间发生在触发脉冲送出的时刻。

在可控硅导通时，整流输出电压Ud等于桥臂中两只导通可控硅所联电源的线电压，也就是波形图上在一定控制角下，两相电压的垂直距离。

在图3-3中分别画出当=00，=300，=600，=900和=1200时，整流输出电压和可控硅SCR承受电压的波形。

当>

600后，整流输出电压Ud出现负半波。

在此期间，作用在SCR上的电网的线电压已经反向，但此时电抗器中储存的能量向电网反馈。

当=900时，整流输

出电压的正半波与负半波大小相等，此反向电压小于电抗器在此时感应的正向电压，所以SCR仍继续导通，从能量的观点来说相等，因此整流输出电压平均值等于零。

>

900时，整流输出电压的平均值为负值，这时电路进入有源逆变工作状态。

当=1200时，正半波的电压已不存在了，电抗器Ld的电感量不可能无限大，所以在有源逆变工作状态，当其储存的能量释放完后，电抗器的正向电势维持SCR导通的角度远小于1200。

图2-3e显示出了这时的Ud波形，很显然，波形出现振荡的特性。

实际上图2-3中所示的电压波形，没有考虑逆变电路工作时中频电压对它的影响，当逆变桥工作后，在电抗器前的波形已不再是光滑的了，如图2-4所示。

波形上所带小锯齿形是通过电抗器漏过来的中频电压。

每一可控硅上显示的管压降波形可用示波器进行观察，随控制角不同，有不同的波形。

根据波形，不仅可大概看出α角的大小，而且可看出每只可控硅的工作是否正常。

当α角等于零时，整流器输出端的电压为Ud=1.35U线，若U线=380伏，则Ud0=1.35×

380伏=515伏（≈500伏）。

在不同的控制角α下，当电抗器的电感量Ld足够大时，可导出整流输出端电压为Udα=Ud0*COS。

U线=660V,Ud0=1.35×

660V=891V.

三相桥式全控整流，在不同α角下，由于电抗器Ld的作用，整流元件在一周期内的导通角θ可以认为总是1200，即1/3周期。

由于一周内每个整流元件的导通时间是负载电流通过时间的1/3，因而流过可控硅的电流是负载电流平均值的1/3，对1000千瓦中频电源来说，整流输出的电流一般不超过1600安，所以流过管子的电流平均值不超过533安。

为了满足调压（调功）和保护的需要，要求整流触发脉冲的移相范围为1200，即角可在00（自然换流点处）1200至范围内可调。

当控制角=00时，整流器输出电压最高，其值为Ud0=1.35U线，U线是输入整流器的交流线电压有效值，对于KGPS100～KGPS500，U线=380V，Ud0=510V，对于KGPS500以上电源，U线=575V或660V或900V，Ud0=775V或890V或1200V。

整流器正常工作时，电流会在变压器内阻和输电线路上产生压降，所以整流器的实际最大输出电压比上述值要小十几伏。

随着控制角的改变，整流器的输出电压将在0到Ud0之间变化。

在一定负载下，这等于改变了输出功率，为了具有更宽的负载适应性，KGPS系列电源被设计成当整流器输出额定电压Ud0时，输出电流为额定电流的80%。

也就是说，当负载阻抗比额定阻抗低1.25倍时，KGPS系列固体电源依然能够输出额定功率。

电流互感器的输出信号送入控制板，当信号大于设定的保护值时，控制板将停止产生触发脉冲，原来导通的可控硅将在下一个换流时刻关断，而其它可控硅因没有触发脉冲不再导通，这样就使整流器停止工作。

输入电源线上同时接有三个压敏电阻，这些压敏电阻可以将外部线路上的突发性高电压吸收掉，以保护整流器。

在每个可控硅元件上并有电阻、电容构成的RC电路，用来吸收可控硅元件由导通变为截止时产生的过电压。

在每个可控硅上都串联一个快速熔断器，作为对可控硅元件的最终保护，这个保护措施是后备的，正常情况下快速熔断器不会被熔断，而是由速度更快的电子保护线路将过电流消除掉。

2、6相12脉波全控桥式整流器

6相12脉波全控桥式整流电路主要是将50Hz的交流电整流成直流。

由12个晶闸管组成的12脉波串联全控整流电路，输入工频电网电压（380V-900V），控制可控硅的导通，实现输出0～1150V连续可调的直流电压。

图3-4

3、单相桥式逆变器

该产品采用了并联逆变器，这种逆变器对负载变化适应能力强，见图3-7所示，它的作用是将三相整流电压Ud逆变成单相400-10KHz的中频交流电。

一般，由于功率大小、进线电压等原因，逆变可控硅的数量有，四只、八只、十六只三种，即采用单管、串管、并管等技术。

但为了分析方便，将其等效为图3-5，3-6电路。

单相桥式逆变器的原理可以引用一个继电接触电路的例子来说明，如图3-5所示，当开关A、B闭合时，电流由（+）端→A→负载→B→（-）端，负载中电流的方向如实线箭头所示。

当开关C、D闭合并同时打开开关A、B时，则电流的线路由（+）端→C→负载→D→（-）端，负载电流的方向如虚线箭头所示。

如以相等的时间间隔，交替地合上和打开A，B和C、D两组开关，则负载上获得交变电流，其频率取决于两组开关在每秒钟内开和关的次数。

为了获得数百、数千赫的频率，就需要一种开和关的速度很快，而又经得起高电压，大电流的开关元件。

可控硅就具有快速开通和关断的特性，因此它是一种较为理想的元件。

我们把图3-5中的开关触点改成可控硅元件，就成为一个单相桥式可控硅逆变器，见图3-6。

由图可以看出，该电路与单相全波可控整流电路的形式是相同的，仅是输入端与输出端互换而已。

现在正是由整流电路的输出端输出一定频率的交流电流，所以称之为逆变电路。

可控硅工作于交流电源的情况下，当交流电压过零变负时，可控硅承受反压而关断。

若在逆变电路中的电源是直流电源，即可控硅工作于直流电源的情况下，可控硅能否可靠地关断却是该种电路工作可靠与否的关键。

一般采用电容器（即换向电容）来关断可控硅，这样，负载回路就不是简单的电感或电阻负载，而是包含有电容器的某种形式的谐振回路。

通常中频加热的负载是感应圈（或经中频变压器匹配的感应圈），功率因数一般都很低，它除了吸取有功功率外，还要吸取感性无功功率，它的无功功率必须由电容器来补偿。

利用补偿电容及负载的谐振特性是可控硅中频加热电源的一个特点。

根据电容与负载连接的方法不同，逆变分为并联逆变和串联逆变两种形式。

并联逆变就是将电容与负载并联组成电流谐振回路，见图3-7所示。

并联逆变和串联逆变，两者特性各异，他们都是可控硅中频电源的基本形式，KGPS系列中频电源采用并联逆变器。

并联逆变器的工作情况，可在一个周期内分成四个阶段来说明，如图3-8a～d所示。

第一阶段：

向KK1，KK4送入一个触发脉冲使之导通，电流从正端流入KK1，经负载电路，KK4，由负端流回。

LC谐振电路受到这个电流的激磁而产生谐振，电容C上的电压是左正右负（见图3-8a）。

第二阶段是换流阶段，当第一阶段进行到谐振电压Ua过零之前（即还保持图3-8a中所示的左正右负极性时），向KK2，KK3送入触发脉冲，瞬时四只可控硅均处于全部导通状态，逆变器的输入端短路，同时电容C两端也被SCR短路。

由于中间直流电路中串有很大电感Ld，所以在短路瞬间电流Id不能突变，而电容C被短路，引起很大的放电电流ic（ic也称换流电流，仅受桥臂串联换流电感LH的限制），换流电流与KK1，KK4中的电流相反，使KK1，KK4关断，同时形成KK2，KK3中的电流。

第二阶段的时间是很短的，在这瞬时KK1，KK4的电流从最大值下降到零，KK2，KK3的电流从零上升到最大值。

这段时间称为换流时间或重叠时间t，而对应的相角为。

第三阶段是电流经KK2，KK3反方向通到负载电路，电容C两端的电压变为右正左负（见图3-8C）。

第三阶段是中频交流的后半周期。

第四阶段是在中频交流后半周期进行到一定的时候，KK1，KK4受触发导通，与第二阶段换流情况一样，KK2，KK3将关断，使回路回复到第一阶段的状态。

图3-9表示并联逆变器的电压和电流波形。

Id是经整流输出的直流电流，由于经过一只大容量电感Ld的滤波，故电流比较平直。

KK1，KK4在中频交流前半个周期导通，后半个周期关断；

KK2，KK3在前半个周期关断，后半个周期导通。

导通时经过管子的电流等于整流输出的直流电流Id，关断时为零。

由于线路中每个逆变管串有换流感LH使得管子导通和关断时电流的变化不可能瞬时完成，而是按一定斜率上升和下降。

所以图3-9b和c所示iKK1，iKK4，iKK2，iKK3的波形是一个接近于方波的梯形波，梯形波的上升沿和下降沿就是换流时间t。

逆变桥输出的电流ia，是两对桥臂流过的电流，即前半周期为+ia，后半周期为-ia，从+ia到-ia的换流是在换流时间内逐步完成的。

这样逆变器输出的中频电流ia是一个交流的梯形流（如图3-9d所示）它可分解成基波ia1（如图d中虚线所示）和高次谐波ia3，ia5......之和。

但是由于逆变器输出端的负载是L-C组成的并联谐振回路，而谐振回路的固有接近于基波ia1的频率，也就是谐振回路对ia1呈现出较高的阻抗Z1，而对ia3，ia5......等高次谐波电流呈现出很小的阻抗Z3，Z5......。

所以逆变桥输出的中频电压Ua≈ia1Z1，呈现为正弦波（ia3Z3，ia5Z5很小，对总电压影响甚微）。

Ua波形上的两个缺口正是换流的阶段，因为此时谐振回路两端被四只KK全通而短路，所以电压下降，在换流结束后又恢复到相应的正弦电压值。

图3-9f和g表示可控硅承受电压的情况。

管子KK1，KK4在前半周期是导通的，因此管子两端电压只有管压降值（0.6～0.8伏）。

t1时刻给KK2，KK3送出脉冲，电路开始换流，到t2时刻换流完成，从开始中换流的时刻t1一直到t3，谐振电容C上的电压仍然保留着原来的方向，所以在t1-t3时间内，加在KK1，KK4上的电压是反向电压。

t3以后，电容C上的电压开始换向，KK1，KK4才承受正向电压。

确定开始换流的时刻t1是非常重要的，必须在输出Ua过零前开始换流，并且必须结束。

换流结束到可控硅管KK1，KK4承受正向电压，必须经过一定的储备时间t（即图中t2到t3的时刻，对应的相角为β），这是因为可控硅即使正向电流切断（等于零）以后，阻挡层中载流子复合，元件重新处于阻断状态和控制极恢复控制能力需要一定的时间（即关断时间toff），储备时间必须大于可控硅关断时间（即t>

toff）。

同时换流时间t也不能任意短，这是受可控硅的电流上升率耐压量的限制，为了限制电流上升率，逆变电路中必须串联换流电感Lk。

综上所述，为了保证可靠换流，换流时间应在Ua过零之前开始，这段时间称为触发引前时间tf。

在波形图3-9中可以看出，tf=t+t，而电流ia超前电压Ua的相角=/2+β。

可见逆变桥的输出电流ia必须超前输出电压Ua才能换流，否则换流失败，逆变器就不能正常工作。

电流ia超前电压Ua表明逆变器是按一定超前功率因数运行，必须是负载谐振电路呈容性，也就是并联电容必须有过补偿，电容才能充有足够的能量，为换流提供所需的无功功率。

图3-10为逆变器电压，电流矢量图，电流矢量图的各边乘以电压Ua便得功率图，这样并联电容所需的容量Pc为：

Pc=PLsinL+PLcosLtg（β+/2）

式中PLcosφL-----负载的有功功率。

PLsinφL-----负载的无功功率。

图3-10

即电容器的千乏数Pc必须比负载无功分量PLsinφL多，所多的部分等于负载有功分量PLcosφL的tg（β+/2）倍。

供给这一部分功率的电容器，称之为换流电容器。

（β+/2）时间对应的角度称为超前角。

由以上分析可以看出，与负载并联的电容C有三个作用：

（1）关断可控硅；

（2）对高次谐波的电流起旁路作用，使输出电压为正弦波；

（3）补偿电感负载的无功功率。

逆变器的输出电压取决于输入直流电压和输出功率因数，见下式：

Ua=1.1Ud/cos

KGPS系列中频电源工作于定角方式，即工作时保持输出功率因数cos不变，所以输出电压Ua仅取决于直流电压Ud。

在输出功率大于160kW的电源上，并联电容器接成倍压形式，见图3-11。

图3-11

由图可见，负载上的电压UL为逆变器输出电压Ua的2倍，这样做的目的是减小线路损耗。

当输出功率一定时，输出电压提高一倍则输出电流减小一倍，输电回路上的损耗也减小为原来的1/4。

4、滤波电抗器

整流器和逆变器之间通过一个一分为二的滤波电感接在一起，这个电感器有三个作用：

（1）使整流器的输出电流连续。

（2）隔离整流器和逆变器，使他们互不影响。

（3）当逆变器短路时，使短路电流不会太快增长，给保护线路留出足够的动作时间。

第四章中频电源的控制板原理

1、概述

恒功率晶闸臂中频电源控制板，是本公司开发使用研制的新型控制触发板。

主要由电源、调节器、移相控制电路、保护电路、启动演算电路、逆变频率跟踪、逆变脉冲形成、脉冲放大及脉冲变压器组成。

其核心部件采用美国生产的高性能、高密度、超大规模专用集成电路，使其电路除调节器外，其余均实现数字化，整流触发器部分不需要任何调整，而且可靠性高、脉冲对称度高、抗干扰能力强、反应速度快等特点，又由于有相序自适应电路，所以现场调试中免去了调相序、对同步的工作，仅需把同步变压器的对应线接入控制板相应的接线瑞上，整流部分便能投人运行。

逆变采用扫频式零压软启动方式，启动性能优于普通的零压软启动电路，并设有自动重复启动电路，可防止中频电源偶尔的启动失败，使启动成功率达到100%。

频率跟踪电路采用的是平均值取样方案，提高了逆变的抗干扰能力，而且仅需取样中频电压信号，而无需槽路电容器的电流信号，免去了外接中频电流互感器、确定取样电流相位的烦恼。

因此在调试和使用现场中，也不会由于中频输出线或取样电流互感器的相位接反，而产生中频电源不能启动的问题。

逆变电路中还加有逆变角调节电路，可以自动调节负载阻抗的匹配，达到恒功率输出，可以制成“快速熔炼”的中频电源，达到节时、节电、提高网侧功率因数的目的（此功能也可被关掉）。

逆变部分的主要电路均在大规模集成电路的内部，亦是数字电路。

2、产品名称

产品名称:

12脉冲恒功率晶闸管中频电源控制板。

3、适用装置

适用于100Hz～1kHz各种晶闸管并联谐振中频电源。

4、正常使用条件

4.1海拔不超过2000米。

4.2环境温度－100C～＋400C。

4.3空气最大相对湿度不超过90%（200C±

50C）。

4.4运行地点无导电及爆炸性尘埃，无腐蚀金属和破坏绝缘的气体或蒸汽。

4.5无剧烈振动和冲击。

5、主要技术参数

5.1主电路进线额定电压:

1OOV～900V（5OHz）。

5.2控制供电电源：

单相18V/2A。

5.3中频电压反馈信号：

AC20V/l5mA。

5.4电流反馈信号：

ACl2V/5mA三相输入。

5.5整流触发脉冲移相范围：

α=00～1300。

5.6整流触发脉冲不对称度：

小于10。

5.7整流触发脉冲信号宽度：

≧600μS、双窄、间隔600。

5.8整流触发脉冲特性：

触发脉冲峰值电压:

≧l2V。

触发脉冲蜂值电流:

≧lA。

触发脉冲前沿陡度：

≧0.5A/μS。

5.9逆变频率：

40OHz～lOkHz。

5.10逆变触发脉冲信号宽度：

1/16×

逆变频率。

5.11逆变触发脉冲特性：

触发脉蜂值电压:

≧22V。

触发脉峰值电流：

≧1.5A。

≧2A/μS。

（逆变的触发脉冲变压器是外接的）

5.12故障信号输出:

控制板在检测到故障信号时，输出一组接点信号，该接点容量为AC：

5A/220V；

DC：

lOA/28V。

6、电路原理

整个控制电路除逆变末级触发单元外，做成一块印刷电路板结构。

功能上包括电源、整流触发、调节器、逆变触发、启动演算等，除调节器为模拟运算电路外，其余均为数字电路。

组成该控制板的核心集成电路为整流移相触发、相序自适应、逆变触发、逆变引前角锁定、逆变重复起动、过流保护、过压保护、缺相保护、水压低保护、水温高保护、控制板欠压保护等，另外还有二个外部故障输入保护。

6.1整流触发工作原理

这部分电路包括六相同步、相序自适应、压控时钟、数字触发、末级驱动等电路。

六相同步信号是