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中频电源可控硅故障分析

时间:2012-5-21 12:49:58  作者:会员  来源:熔炼炉信息网  查看:139  评论:0
内容摘要:晶闸管是晶闸管中频电源的关键部件,本文首先分析了晶闸管中频电源的工作原理,然后分析了晶闸管中频电源中晶闸管故障的原因,最后提出了一些保护措施。 1. 晶闸管中频电源原理分析 晶闸管中频电源因效率高,制造周期短,安装简单,易于实现自动控...

 晶闸管是晶闸管中频电源的关键部件,本文首先分析了晶闸管中频电源的工作原理,然后分析了晶闸管中频电源中晶闸管故障的原因,最后提出了一些保护措施。
1. 晶闸管中频电源原理分析
晶闸管中频电源因效率高,制造周期短,安装简单,易于实现自动控制。应用范围广包括熔炼、透热、烧结、钎焊等各个工业领域,且节能环保,是当前应用最广泛的感应加热中频电源。
晶闸管中频电源主电路包括:
(1)由晶闸管组成的三相桥式全控整流电路,它的主要作用是将工频交流电整流成脉动的直流电,并可以调节整流桥的开通角A,调节直流电压的大小从而调节中频电源的输出功率。
(2) 滤波电抗器,其主要作用是将直流电流滤成平滑的波形,并保持电流连续,同时抑制中频电流对工频电网干扰和负载短路时故障电流。
(3)由晶闸管组成的单相桥式逆变电路,它的主要作用是将直流电能逆变为中频电能,并送入负载回路。
(4)由负载补偿电容器和感应加热器组成了负载回路,它的主要作用是将中频交流电能传递给被加热工件。并联逆变式中频电源的控制系统,就其元件的组成而言,可以分为分立元件、集成电路、单片机、微处理器等方式。而它们的控制原理与目标都是一致的,所以不论采用何种元件,控制系统均可分为整流触发、逆变触发、功率调节、保护线路、启动线路和继电控制6个部分。

2.晶闸管故障分析
晶闸管损坏的原因很多,但主要表现为以下几个方面:
2.1晶闸管自身的因素
  从晶闸管元件参数本身考虑,有些因素可能会造成元件的损坏,这可以从解剖大量损坏的晶闸管元件芯片上分析看出。
(1)闸管元件的标准规定,芯片内部P—N结结温不得超过115摄氏度,当结温超过临界允许结温时,元件所能承受的阻断电压将急剧下降。
(2)电压上升率Du/dt、电流上升率DI/dt对晶闸管使用的影响。晶闸管对电压上升率是有限的,晶闸管由导通转为关断时,电压突然加在元件的两端,因为P—N结有一定的电容量,如果电压上升率太大,则会产生一定的漏电流,使元件不关断而损坏。晶闸管的电流上升率也是有限的。当元件使用在电流比较大、频率比较高的情况下,由于电流上升率较大,在芯片上电流来不及扩散,产生局部结温过高而损坏。
(3)关断时间对晶闸管的影响。晶闸管的关断时间对逆变电路工作有较大的影响,工作频率愈高要求的关断时间愈小,晶闸管从导通到关断需要一定时间,储存在P—N结中的电荷(载流子)要逐渐放掉,如果关断时间太长,则使晶闸管不能可靠关断,使逆变电路换流失败而造成过流现象导致元件的损坏。
2.2控制线路的因素
    控制线路设计上的不完善是电源运行不稳定、不安全的关键所在,也是晶闸管损坏的主要原因之一,其表现为以下几个方面:
(1)电源的控制线路不能很好地实时跟踪与控制电源负载的变化。也就是说,电流电压出现波动时,不能及时地反馈这种波动信号,从而造成主电路电流电压的不稳定,出现过电流、过电压现象。这也是目前国内中频电源控制线路普遍存在的问题。
(2)控制电路中对过电流过电压的保护措施不够完善,没有从根本上解决过电流电压的原因。首先是保护方式的问题,目前大部分电源的保护采用拉逆变的方式,即将故障时的整流脉冲拉回到150°的控制角位置,使整流处于逆变状态,将槽路中产生的巨大能量反送回电网。但由于故障时逆变桥失去触发脉冲,关断了储能元件能量泄放的通道。所以这种方式不能很好地解决故障中主回路储能元件对逆变晶闸管造成的威胁;也不能解决槽路短路或过载形成的过电流对晶闸管的关断带来的不利影响。这是对晶闸管保护不利的弊病所在。其次,是保护所采取的措施不当。大多数电源的保护采取了拉逆变及封锁脉冲的方式,但采用了继电器控制,继电器的动作滞后于过电流过电压,这将失去保护的意义。这也是中频电源中产生晶闸管损坏的一个不可忽视的因素。
2.3线路的热不稳定因素
控制线路的热不稳定也是电源运行中潜在的不可靠因素。电源在运行一段时间后,各部分参数出现了漂移。这种漂移发生在整流器中则会造成电源电压的不稳定;发生在逆变触发部分则会造成逆变换流的失败发生在反馈环节则会造成电源自我调节能力的丧失。
2.4使用条件对晶闸管安全运行的影响
从使用的角度来讲,造成晶闸管损坏的原因主要有以下几个方面:
  (1)中频电源是一种水冷却设备,冷却水就象电源的血液,至关重要,排水量的大小、水质的好坏,如果不能满足设备的要求,则水路中易结水垢,易被堵塞,不利于晶闸管结温的扩散,致使晶闸管的承载能力与换流能力的下降,最终导致晶闸管的损坏。
(2)环境温度高,灰尘大,潮湿,都会造成电源导电部分接触不良,以及局部短路的现象发生。
(3)供电侧突然停电及高压部分接触不良造成元件损坏。由于供电紧张的地区经常停电,在突然停电过程中电源中的保护环节不能起到正常的保护作用,电路中的电感在突然断电时产生高电压往往造成晶闸管电压击穿。
    车间供电侧的开关某一相触点接触不良,打火、或高压进线跌落保护开关容量不够都会造成供电“缺相”,使中频电源突然损坏晶闸管。
2.5中频电源过压,过流保护环节失灵。
中频电源的保护环节很重要,一般有过电压、过电流保护,截压、截流、过载保护及快速熔断器短路保护。这三道“防线”对一般的故障是可以起到保护作用的。
如果保护环节出现故障一些元件失效、电路虚焊等或整定值不对,则有可能损坏晶闸管。因此应定期检验它们的保护特性,不允许“带病”工作。
3.晶闸管的保护
    晶闸管是中频电源的关键部件,晶闸管的安全使用与控制线路的高效保护是电源正常运行的必要条件。所以,对晶闸管的保护是中频电源线路设计中一件极为重要的工作。在晶闸管诸多损失的原因中,关键的是主回路中过电流过电压所形成的巨大能量而产生的,如何在故障出现的同时,消除或减弱这种能量的发生,是保护晶闸管的关键所在。针对上述因素,除采用常规的阻容吸收的方式外,对过电流过电压可以采取如下措施:
(1)采用打通逆变四桥臂的方式。在故障出现时,由控制线路实现对整流脉冲的封锁,同时给逆变晶闸管加上成倍的强触发脉冲,使其处于完全的导通状态,呈现极低的阻抗。这样,使主回路中的储能元件电抗器在电流急剧增加时所形成的反电动势能量得到充分的泄放,避免在逆变晶闸管的两端形成高压给晶闸管造成冲击。这种保护方式在频率较低的情况下有着极大的优越性,但其缺点是如果整流脉冲不能及时封锁,就容易造成直流短路而损坏晶闸管。
(2)在逆变桥上并联保护电阻。在逆变桥中并入一保护电阻,当故障时将整流器拉逆变,同时接通保护电阻,对电抗器中的能量进行泄放,真正地将这种能量返回到电网。
(3)采用大规模集成化的控制线路。随着电子业的飞速发展,集成化的元件在各个领域中得到了广泛的应用。它具有长时间运行无温度漂移,工作点稳定,速度快的特点,可以极大的提高和改善控制线路的性能,从而保证控制单元的稳定、快速,缩短故障时间与保护时间差距。
(4)保护环节尽可能地采用无触点保护。尽可能地消除机械部件的滞后特性对保护的不良影响,使保护动作信号灵敏及时,与故障信号同步。
(5)采用国内外成熟的线路。尽可能使用国内外成熟的控制线路,以及经过长期实践证明运行可靠的线路,满足电源各方面的性能要求。
(6)保证晶闸管的质量与电源的冷却条件。


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