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QDPU-2A(大芯片6脈波)帶頻率計

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QDPU-2A型恒功率晶閘管中頻電源控制闆

使用說明書

大芯片六脈波

1、概述

    QDPU-2A恒功率晶閘管中頻電源控制闆,是QDPU-2基礎上開發的新型控制觸發闆。主要由電源、調節器、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。其核心部件采用了高性能、高密度、超大規模專用MPU集成電路,使其電路除調節器外,其餘均實現數字化,整流觸發器部分不需要任何調整,而且可靠性高、脈沖對稱度高、抗幹擾能力強、反應速度快等特點,又由于有相序自适應電路,無需同步變壓器,所以,現場調試中免去了調相序、對同步的工作,僅需把KP晶閘管的門極線接入控制闆相應的接線端上,整流部分便能投入運行。

逆變采用掃頻式零壓軟啟動方式,啟動性能優于普通的零壓軟啟動電路。并設有自動重複啟動電路,可防止中頻電源偶爾的啟動失敗,使啟動成功率達到100%。頻率跟蹤電路采用的是平均值取樣方案,提高了逆變的抗幹擾能力,而且僅需取樣中頻電壓信号,而無需槽路電容器的電流信号,免去了外接中頻電流互感器、确定取樣電流相位的煩惱。因此,在調試和使用現場中,也不會由于中頻輸出線或取樣電流互感器的相位接反,而産生中頻電源不能啟動的問題。

逆變電路中還加有逆變角調節電路,可以自動調節負載阻抗的匹配,達到恒功率輸出,可以制成“快速熔煉”的中頻電源,達到節時、節電、提高網側功率因數的目的(此功能也可被送掉)。逆變部分的主要電路均在MPU大規模集成電路的内部,亦是數字電路。

QDPU-2A控制闆全闆僅有8隻集成電路、4隻晶體管、6隻微調電位器、33個引出端子,安裝十分方便,适用于各種晶閘管并聯諧振中頻電源。

2、産品名稱

産品名稱:QDPU-2A恒功率晶閘管中頻電源控制闆

3、适用裝置

适用于400HZ-10KHZ各種晶閘管并聯諧振中頻電源。

4、正常使用條件

4.1海拔不超過2000米。

4.2環境溫度不低于-10℃,不高于+40℃。

4.3空氣最大相對濕度不超過90%(20℃±5℃時)。

4.4運行地點無導電及爆炸性塵埃,無腐蝕金屬和破壞絕緣的氣體或蒸汽。

4.5無劇烈振動和沖擊。

5、主要技術參數

5.1主電路進線額定電壓:100V~660V(50HZ)(注意R8、R9、R10的匹配)

5.2控制供電電源:單相17V/2A。

5.3中頻電壓反饋信号:AC  15V/15mA。

5.4電流反饋信号:AC  12V/5mA三相輸入。

5.5整流觸發脈沖移相範圍:α=0~130°。

5.6整流觸發脈沖不對稱度:小于1°。

5.7整流觸發脈沖信号寬度:≥600μS、雙窄、間隔60°。

5.8整流觸發脈沖特性:觸發脈沖峰值電壓:≥12V

觸發脈沖峰值電流:≥1A

觸發脈沖前沿陡度:≥0.5A/μS

5.9逆變頻率:4000HZ~10KHZ。

5.10逆變觸發脈沖信号寬度:1/16×逆變頻率。

5.11逆變觸發脈沖特性:觸發脈峰值電壓:≥22V

觸發脈峰值電流:≥1.5A

觸發脈沖前沿陡度:≥2A/μS

(逆變的觸發脈沖變壓器是外接的)

5.12最大外型尺寸:245×175×40mm。

5.13故障信号輸出:

控制闆在檢測到故障信号時,輸出一組接點信号,該接點容量為AC:5A/220V:DC:10A/28V。

6、電路原理

整個控制電路除逆變末級觸發單元外,做成一塊印刷電路闆結構。功能上包括電源、整流觸發、調節器、逆變觸發、啟動演算等,除調節器為模拟運算電路外,其餘均為數字電路。

組成該控制闆的核心集成電路為U5,型号為MPU它是一塊專用超大規模數字集成電路,有3路時鐘輸入口,33路輸入/輸出口,内部功能包括整流移相觸發、相序自适應、逆變觸發、逆變引前角鎖定、逆變重複起動、過流保護、過壓保護、缺相保護、水壓低保護、水溫高保護控制闆欠壓保護,另外還有二個外部故障輸入保護。

6.1整流觸發工作原理

這部分電路包括三相同步、相序自适應、壓控時鐘、數字觸發、末級驅動等電路。

三相同步信号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R8、C5、R9、C6、R10、C7進行濾波,再經6隻光電耦合器進行電位隔離,獲得6個相位互差60度的矩形波同步信号,輸入到U5的54P、56P、58P、60P、61P、63P。

在U5的内部有相序自适應電路,确保了中頻電源的三相交流輸入可以不分相序。

U3D及其周圍電路構成壓控時鐘,其輸出信号的周期随調節器的輸出電壓VK而線性變化。壓控時鐘信号輸入到U5的3P,作為數字觸發的時鐘CL0K1。

數字觸發的特征是用計數(時鐘脈沖)的辦法來實現移相,6路整流移相觸發脈沖均由U5産生。6路整流移相觸發脈沖經U6晶體管陳列放大後,驅動整流脈沖變壓器輸出。

6.2調節器工作原理

共設有2個調節器:中頻電壓/電流調節器、逆變角調節器。

其中電壓/電流調節器(U3C),是常規的PI調節器,在啟動和運行的整個階段,該環始終參與工作;逆變角調節器(U3B)用于使逆變橋能在某一з角下穩定的工作。

調節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,即U3D沒有限幅,而U3A工作于限幅狀态,對應的為最小逆變з角,此時系統完全是一個标準的電壓/電流閉環系統;另一種情況是直流電壓已到最大值,即U3D開始限幅,整流橋的調節不再起作用,而U3A退出限幅狀态開始工作,調節逆變角調節器的з角給定值,使輸出的中頻電壓增加,達到新的平衡。此時,就有電壓/電流調節器與逆變角調節器雙環工作。

中頻電壓互感器過來的中頻電壓信号由UP1、UP2輸入後,分為兩路,一路由U2C進行電平轉換後送到U5的12P,另一路經D35-D38整流後,又分為兩路,一路送到電壓/電流調節器,另一路送到過電壓保護。

由主回路交流互感器取得的電流信号,先在外部轉換成電壓信号,從Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3輸入,經二極管D39-D44整流後,再分為兩路,一路作為過流保護信号,另一路作為電壓/電流調節器的反饋信号。

6.3逆變部分工作原理

本電路逆變觸發部分,采用的是歸頻式零壓軟起動,隻需取一路中頻電壓反饋信号,無需槽路中頻電容器上的電流信号,其本質上相當于它激轉自激電路,屬于平均值反饋電路。由于主回路上無需附加任何起動電路,不需要預充磁或預充電的起動過程,因此,主回路得以簡化,調試過程簡單。

起動過程大緻是這樣的,在逆變電路起動前,先以一個高于槽路諧振頻率的它激信号去觸發逆變晶閘管,當電路檢測到主回路開始有直流電流時,便控制它激信号的頻率從高向低掃描,同時繼續加大主回路的直流電流,當它激信号頻率下降到接近槽路諧振頻率時,中頻電壓便建立起來,并反饋到自動調頻電路。自動調頻電路一旦投入工作,便停止它激信号的頻率往低掃描動作,轉由自動調頻電路控制逆變動引前角,使設備進入穩态運行。

若一次起動不成功,即自動調頻電路沒有抓住中頻電壓反饋信号,此時,它激信号便會一直掃描到最低頻率,重複起動電路一旦檢測到它激信号進入到最低頻段,便進行一次再起動,把它激信号再推到最高頻率,重新掃描一次,直至起動成功,重複起動的周期約為0.5秒鐘。

由UP1和UP2輸入的中頻電壓信号,經U2C轉換成方波信号,輸入到U5的12P。由U5的64P、67P輸出的逆變觸發信号,經U7隔離放大後,驅動逆變觸發CMOS晶體管Q5、Q6。U4A和U4C構成逆變壓控時鐘,輸入到U5的83P;同時又由U7進行頻壓轉換後用于驅動頻率表。FHZ微調電位器用于整定外接頻率表的讀數。

另外,當發生過電壓保護時,U5内部的過電壓保護振蕩器起振,輸出2倍于最高逆變頻率的觸發脈沖,使逆變橋的4隻晶閘管均導通。

U4B為起動失敗檢測器,其輸出控制U5内部重複起動電路。

6.4啟動演算工作原理

過電流保護信号經U1B,送到U5的15P,封鎖整流觸發脈沖:驅動“GL”LED批示燈亮和驅動報警繼電器。通過“W2  IF”微調電位器可整定過流電平。

當三相交流輸入缺相時,本控制闆均能對電源實現保護和指示。其原理是:由4#、6#、2#晶閘管的陰極(K)分别取A、B、C三相電壓信号(通過門極引線),經過光電耦合器的隔離送到U5進行檢測和判别,一旦出現“缺相”故障時,除了封鎖整流觸發脈沖外,還驅動“QX”LED指示燈以及報警繼電器。

為了使控制電路能夠更可靠準确的運行,控制電路上還設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定的,設置一個3秒鐘左右的定時器,待定時過後,才容許輸出觸發脈沖。這部分電路由U1C等元件構成。若由于某種原因造成控制闆上直流供電電壓過低,穩壓器不能穩壓,亦會使控制出錯。設置一個欠壓檢測電路(由U1D等組成),當VCC電壓低于12.5V時便封鎖整流觸發脈沖,防止不正确的觸發,同時點亮“QY”LED指示燈和驅動報警繼電器。

自動重複起動電路在U5内部。微動開關DIP-2用于關閉自動重複起動電路。

U1A組成中頻過電壓檢測,輸入到U5的15P,封鎖整流觸發脈沖;驅動“GY”LED指示燈亮和驅動報警繼電器;同時使過壓保護振蕩器起振。調節“W1  VF”微調電位器可整定過壓電平。

U8A及周圍電路組成水壓過低延時保護電路,延時時間約3秒,輸入到U5的77P,封鎖整流觸發脈沖;驅動“SY”LED指示燈亮和驅動報警繼電器。

U8B,周圍電路組成水溫過延時保護電路,不延時,輸入到U5的76P,封鎖整流觸發脈沖;驅動“SW”LED指示燈亮和驅動報警斷電器。

以上保護,隻有通過複位信号,或通過關機後再開機進行“上電複位”方可再運行。

複位開關信号由KZ、GND輸入,閉合狀态為複位/暫停。

7、控制闆的接線端子與參數

控制闆共有33個M3接線端子,端子排列圖參見圖一,各端子功能表見表一。

表一:

功  能

端子号

參      數

故障

輸出

K-2

K-1

常開接點AC 5A/220V,DC 10A/28V

常開接點的定觸頭,接電源N線

電壓反饋

信号

UP1

UP2

VF

中頻電壓15V

電流

反饋

信号

I1

I2

I3

IF

AC,三相12V

控制

信号

KZ

GND

KZ懸空為運行狀态,接地為停止運行和故障複位平

GND控制信号接地端(與給定共用)

給定

GND

ADJ

+15V

GND給定接地端

ADJ給定:DC,0~+15V

VCC  DC,+15V,最大輸出20Ma

電源

-17V

-17V

AC  17V/2A

AC  17V/2A

逆變

脈沖

輸出

UE

UA

UB

+22V  逆變輸出公共端  E端

OUT  逆變輸出端,最大輸出15V

OUT  逆變輸出端,最大輸出15V

外故

障輸

SY

SW

GND

接地為故障狀态,“SY”LED燈亮,帶3秒延時。

接地為故障狀态,“SW”LED燈亮,帶3秒延時。

外故障公共端(接地端)

頻率

HZ+

HZ

頻率表正端(+15V、5mA   輸出)

頻率表負端

整流脈沖

輸出

G1-G6

K1-K6

接1~6号晶閘管控制極

接1~6号晶閘管陰極

8、發光二極管工作狀态

代  号

發光二極管亮時指示狀态

+15V

控制闆+15V電源工作

+5V

控制闆+5V電源工作

GY

中頻過電壓故障

GL

中頻過電流故障

QY

控制闆欠電壓故障

QX

三相輸入缺相故障

SY

水壓低故障

SW

水溫高故障

D9-D14

六路整流脈沖指示,正常為微亮,過亮表示SCR門極接反或開路

9、電位器

代  号

電位器工作狀态

W1  VF

最大中頻輸出電壓設定電位器;當有電壓反饋時可設定最大中頻輸出電壓,順時針方向為最小,最大調節範圍約2倍。

W2  IF

最大輸出電流設定電位器;當有電流反饋時可設定最大輸出電流,順時針方向為最小,最大調節範圍約2倍。

W3  MAX

最大逆變引前角設定電位器,順時針方向為增大,最大調節範圍約為40度至60度。

W4  MIN

MIN最小逆變引前角設定電位器,順時針方向為增大,最大調節範圍約為20度至40度。

W5  FMAX

最大它激逆變頻率設定電位器,順時針方向為增大,最大調節範圍約2倍。

W6  FHZ

外接頻率表設定電位器,順時針方向為讀數增大,最大調節範圍約3倍。

10、DIP(SI)開關工作狀态

開   關

工     作     狀      态

DIP-1

它激頻率調節開關:打在OFF時是高頻率;打在ON時,是低頻率(與W5 FMAX電位器配合使用)。

DIP-2

重複起動開關:打在OFF時,重複起動關;打在ON時,重複起動開。

DIP-3

逆變角度開關:打在OFF時,小角度;打在ON時,大角度。

11、調試

11.1調試需準備的工作

一台20M示波器,若示波器的電源是三芯插頭時,注意“地線”千萬不能接,示波器外殼對地需絕緣,僅使用一蹤探頭,示波器的X軸、Y軸均需較準,探頭需在測試信号下補償好。

若無高壓示波器探頭,應用電阻做一個分壓器,以适應600V以上電壓的測量。

一個≤500Ω、≥500W的電阻性負載。

11.2整流部分的調試

為了調試的安全,調試前,應該使逆變橋不工作。例如:把平波電抗器的一端斷開,再在整流橋直流口接入一個≤500Ω、≥500W的電阻性負載。電路闆上的“W2  IF”微調電位器順時針旋至最高端(調試過程發生短路時,可以提供過流保護)。主控闆上的DIP-2開關撥在OFF位置;用示波器做好測量整流橋輸出直流電壓波形的準備;把面闆上的“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。

把面闆上的“給定”電位器順時針旋大,直流電壓波形應該幾乎全放開(A≈0°),6個波頭都全在,若中頻電源為380V輸入,此時的直流電壓表應為指示在530V左右。再把面闆上的“給定”電位器逆時針旋至最小,直流電壓波形幾乎全關閉,此時的A角約為120度。輸出直流波形在整個移相範圍内應該是連續平滑的。

若在調試中,發現不出來6個整流波頭,則應檢查6隻整流晶閘管的序号是否接對,晶閘管的門級線是否接反或短路。

在此過程調試中也檢查了面闆上的“給定”電位器是否接反,接反了則會出現直流電壓幾乎為最大,隻有把“給定”電位器順時針旋到頭時,直流電壓才會減小的現象。

在停電狀态下,把逆變橋接入,使逆變觸發脈沖投入,去掉整流橋上的電阻性負載。把電路闆上的“W1  VF”微調電位器順時針旋至最高端,(調試過程發生逆變過壓時,可以提供過壓保護)。主控闆上的DIP-2開關撥在ON位置,面闆上的“給定”電位器逆時旋至最小。

上電數秒鐘後,把面闆上的“給定”電位器順時針慢慢地旋大,這時逆變橋會出現兩種工作狀态,一種是逆變橋起振,另一種是逆變橋直通。此時需要的是逆變橋直通,若逆變橋為起振狀态,可在停電的狀态下,調節中頻電壓互感器的相位,即把中頻電壓互感器20V繞組的輸出線對調一下,就不會起振了,在緩慢放大面闆上“給定”電位器的操作中,應密切注意電流表的反應,若電流表的指示迅速增大,則應迅速把“給定”電位器逆時針旋下來,此時表明電流取樣電路有問題,系統處于電流開環狀态,應檢查電流互感器是否接上。正常的表現是随着“給定”電位器的緩慢加大,電流表的指示也跟着增大,當停止旋轉“給定”電位器時,電流表的指示能穩定的停在某一刻度上。

當出現直通現象時,把面闆上的“給定”電位器順時針旋大,使電流表的指示接近額定值的50%左右。用交流電壓表測量Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3三個接線端子間的電壓,三個電壓應該是大緻相等的,若相差太大,說明電流互感器的同名端接錯,必須改對,否則會影響電流調節器的正常工作。

繼續把面闆上的“給定”電位器順時針旋到頭,電流表的指示應接近額定值,逆時針調節主控制闆上的“W2  IF”電流反饋微調電位器,使直流電流表指示到額定輸出電流,完成了額定電流的整定。

這樣整流橋的測試就基本完成,可以進行逆變橋的調試。

當調試場地的電源供不出裝置的額定電流時,額定電流的整定,可放在現場滿負荷運行時進行。但是,應先在小電流的狀況下,判定一下電流取樣回路的工作是否正常。

11.3逆變部分的調試

11.3.1校準頻率表(W6  FHZ)

主控闆上的DIP開關的DIP-2撥在ON位置、DIP-3撥在OFF位置,面闆上的“給定”電位器逆時針旋至最小。把示波器接在Q5或Q6的管殼上,測逆變觸發脈沖的它激頻率(它激頻率可以通過FMAX和DIP-1來調節),調節“W6  FHZ”微調電位器,使頻率表的讀數與示波器測得的相一緻。

若中頻電源用的是專用中頻頻率表,則可免去此步調試。但還是推薦使用直流毫安表頭改制的頻率表,這一方面是可以測得最高它激頻率,另一方面是價格便宜。

11.3.2起振逆變器

首先檢查逆變晶閘管的門級線連接是否正确,逆變未級上的LED亮度是否正常,不亮則說明逆變末級的E和C接線端子接反了;再把主控闆上UA對外的連線解掉,看熄滅的LED逆變末級是否處在逆變橋的對角線位置。

把主控闆上的DIP開關的DIP-2撥在ON位置、DIP-3撥在OFF位置,把面闆上的“給定”電位器逆時針旋到底,調節控制闆上的“W5  FMAX”微調電位器和DIP-1,使最高它激頻率高于槽路諧振頻率的1.4倍,“W3  MAX”、“W4  MIN”微調電位器旋在中間位置。把面闆上的“給定”電位器順時針銷微旋大,這時它激頻率開始從高往底掃描(從頻率表中可以看出),逆變橋進入工作狀态,開始起振,若不起振,表現為它激信号反複作掃頻動作,可調節中頻電壓互感器的相位,即把中頻電壓互感器20V繞組的輸出線對調一下。

若把中頻電壓互感器20V繞組的輸出線對調後,仍然起動不起來。此時應确認一下槽路的諧振頻率是否正确,可以用電容/電感表測量一下電熱電容器的電容量及感應器的電感量,計算出槽路的諧振頻率,當槽路的諧振頻率處在最高它激頻率的0.6-0.9的範圍内時,起動應該是很容易的。再着就是檢查一下逆變晶閘管是否有損壞的。

11.3.3整定逆引前角

逆變起振後,可做整定逆變引前的工作,把DIP開關DIP-2打在ON位置、DIP-3打在OFF位置,用示波器觀察電壓互感器100V繞組的波形,調節主控闆上“W4  MIN”微調電位器,使逆變換相引前角在25°左右,此時中頻輸出電壓與直流電壓的比為1.3左右。

再把DIP-3開關打在ON位置,調節主控闆上“W3  MAX”微調電位器,整定最大逆變換相引前角。根據不同的中頻輸出電壓為750V時,則要求最大逆變換相引前角在42°左右,此時,中頻輸出電壓與直流電壓的比為1.5。

調試中若出現逆變引前角過大的現象,應檢查槽路諧振頻率是否過低。

11.3.4額定輸出電壓的整定(W1  VF)

在輕負荷的情況下整定額定輸出電壓,把主控闆上的DIP開關DIP-2打在ON位置、DIP-3撥在OFF位置,VF微調電位器順時針旋至最大,把面闆上的“給定”電位器順針旋大,逆變橋工作。繼續把面闆上的“給定”電位器順時針旋至最大,此時輸出的中頻電壓接近額定值,逆時針調節“W1  VF”微調電位器,使輸出的中頻電壓達到額定值。

12、注意事項

12.1晶閘管裝置在做絕緣耐壓測試時,請取下控制闆,否則可能造成控制闆永久性損壞。

12.2内部電路及參數的理發,恕不另行通知。

12.3如果在使用中造成控制闆以外的零部件損壞,概不負責。

12.4MPU器件是一種CMOS器件,使用時應注意,器件的兩個引腳之間嚴禁短路,否則将損壞芯片,為保護器件的安全,因此忌用萬用表直接測量器件的引腳。

13、其它問題

13.1過壓保護

控制電路上已經把過壓保護電平固定在額定輸出電壓的1.2倍,當進行額定電壓整定時,過壓保護就自動設定好,若覺得不合适,可改變控制闆上的R48電阻值,減小R48,過壓保護電平增高;反之減小。

13.2過流保護

控制電路上已經把過流保護電平固定在額定直流電流的1.4倍上,當進行額定電流的整定時,過流保護就自動設定好。若覺得1.4倍不合适可改變控制闆上的R51電阻值,減小R51,過流保護電平增高,反之減小。

13.3額定電流整定

當11.2步驟中沒有進行額定電流整定的話,可在系統運行于重負荷下,逆時針調節控制闆上的“W2  IF”電流反饋微調電位器,使直流表達到額定值。這與一般的中頻電源的電源整定是一樣的。

13.4它激頻率

一定要使它激頻率高于槽路可能的最大諧振頻率,否則,系統由于它激頻率的“拽着”而不能正常運行。它激頻率高于槽路可能的最大諧振頻率1.3倍是合适的。

13.5恒功率輸出

對熔煉負載來說,恒功率輸出是很重要的,要想使恒功率的範圍大,就要使逆變引前角從最小變到最大的範圍盡可能的大,同時負載阻抗的匹配也很重要,即使不是熔煉負荷,這樣做也有利于提高整流的功率因數。


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