QDPU-2型恒功率晶閘管中頻電源控制板

使用說明書

大芯片六脈波

1、概述

QDPU-2恒功率晶閘管中頻電源控制板，是QMPU-2基礎(chǔ)上開發(fā)的新型控制觸發(fā)板。主要由電源、調(diào)節(jié)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(guī)模專用MPU集成電路，使其電路除調(diào)節(jié)器外，其余均實現(xiàn)數(shù)字化，整流觸發(fā)器部分不需要任何調(diào)整，而且可靠性高、脈沖對稱度高、抗干擾能力強、反應(yīng)速度快等特點，又由于有相序自適應(yīng)電路，無需同步變壓器，所以，現(xiàn)場調(diào)試中免去了調(diào)相序、對同步的工作，僅需把KP晶閘管的門極線接入控制板相應(yīng)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(yōu)于普通的零壓軟啟動電路。并設(shè)有自動重復(fù)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，提高了逆變的抗干擾能力，而且僅需取樣中頻電壓信號，而無需槽路電容器的電流信號，免去了外接中頻電流互感器、確定取樣電流相位的煩惱。因此，在調(diào)試和使用現(xiàn)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，而產(chǎn)生中頻電源不能啟動的問題。

逆變電路中還加有逆變角調(diào)節(jié)電路，可以自動調(diào)節(jié)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(jié)時、節(jié)電、提高網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)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(guī)模集成電路的內(nèi)部，亦是數(shù)字電路。

MPU-6控制板全板僅有8只集成電路、4只晶體管、6只微調(diào)電位器、33個引出端子，安裝十分方便，適用于各種晶閘管并聯(lián)諧振中頻電源。

2、產(chǎn)品名稱

產(chǎn)品名稱：MPU-6恒功率晶閘管中頻電源控制板

3、適用裝置

適用于400HZ-10KHZ各種晶閘管并聯(lián)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(huán)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(dǎo)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(shù)參數(shù)

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中頻電壓反饋信號：AC  15V/15mA。

5.4電流反饋信號：AC  12V/5mA三相輸入。

5.5整流觸發(fā)脈沖移相范圍：α=0~130°。

5.6整流觸發(fā)脈沖不對稱度：小于1°。

5.7整流觸發(fā)脈沖信號寬度：≥600μS、雙窄、間隔60°。

5.8整流觸發(fā)脈沖特性：觸發(fā)脈沖峰值電壓：≥12V

觸發(fā)脈沖峰值電流：≥1A

觸發(fā)脈沖前沿陡度：≥0.5A/μS

5.9逆變頻率：4000HZ~10KHZ。

5.10逆變觸發(fā)脈沖信號寬度：1/16×逆變頻率。

5.11逆變觸發(fā)脈沖特性：觸發(fā)脈峰值電壓：≥22V

觸發(fā)脈峰值電流：≥1.5A

觸發(fā)脈沖前沿陡度：≥2A/μS

（逆變的觸發(fā)脈沖變壓器是外接的）

5.12最大外型尺寸：245×175×40mm。

5.13故障信號輸出：

控制板在檢測到故障信號時，輸出一組接點信號，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(fā)單元外，做成一塊印刷電路板結(jié)構(gòu)。功能上包括電源、整流觸發(fā)、調(diào)節(jié)器、逆變觸發(fā)、啟動演算等，除調(diào)節(jié)器為模擬運算電路外，其余均為數(shù)字電路。

組成該控制板的核心集成電路為U5，型號為MPU它是一塊專用超大規(guī)模數(shù)字集成電路，有3路時鐘輸入口，33路輸入/輸出口，內(nèi)部功能包括整流移相觸發(fā)、相序自適應(yīng)、逆變觸發(fā)、逆變引前角鎖定、逆變重復(fù)起動、過流保護、過壓保護、缺相保護、水壓低保護、水溫高保護控制板欠壓保護，另外還有二個外部故障輸入保護。

6.1整流觸發(fā)工作原理

這部分電路包括三相同步、相序自適應(yīng)、壓控時鐘、數(shù)字觸發(fā)、末級驅(qū)動等電路。

三相同步信號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(jīng)6只光電耦合器進行電位隔離，獲得6個相位互差60度的矩形波同步信號，輸入到U5的54P、56P、58P、60P、61P、63P。

在U5的內(nèi)部有相序自適應(yīng)電路，確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(gòu)成壓控時鐘，其輸出信號的周期隨調(diào)節(jié)器的輸出電壓VK而線性變化。壓控時鐘信號輸入到U5的3P，作為數(shù)字觸發(fā)的時鐘CL0K1。

數(shù)字觸發(fā)的特征是用計數(shù)（時鐘脈沖）的辦法來實現(xiàn)移相，6路整流移相觸發(fā)脈沖均由U5產(chǎn)生。6路整流移相觸發(fā)脈沖經(jīng)U6晶體管陳列放大后，驅(qū)動整流脈沖變壓器輸出。

6.2調(diào)節(jié)器工作原理

共設(shè)有2個調(diào)節(jié)器：中頻電壓/電流調(diào)節(jié)器、逆變角調(diào)節(jié)器。

其中電壓/電流調(diào)節(jié)器（U3C），是常規(guī)的PI調(diào)節(jié)器，在啟動和運行的整個階段，該環(huán)始終參與工作；逆變角調(diào)節(jié)器（U3B）用于使逆變橋能在某一з角下穩(wěn)定的工作。

調(diào)節(jié)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工作于限幅狀態(tài)，對應(yīng)的為最小逆變з角，此時系統(tǒng)完全是一個標準的電壓/電流閉環(huán)系統(tǒng)；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(diào)節(jié)不再起作用，而U3A退出限幅狀態(tài)開始工作，調(diào)節(jié)逆變角調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器與逆變角調(diào)節(jié)器雙環(huán)工作。

中頻電壓互感器過來的中頻電壓信號由UP1、UP2輸入后，分為兩路，一路由U2C進行電平轉(zhuǎn)換后送到U5的12P，另一路經(jīng)D35-D38整流后，又分為兩路，一路送到電壓/電流調(diào)節(jié)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號，先在外部轉(zhuǎn)換成電壓信號，從Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3輸入，經(jīng)二極管D39-D44整流后，再分為兩路，一路作為過流保護信號，另一路作為電壓/電流調(diào)節(jié)器的反饋信號。

6.3逆變部分工作原理

本電路逆變觸發(fā)部分，采用的是歸頻式零壓軟起動，只需取一路中頻電壓反饋信號，無需槽路中頻電容器上的電流信號，其本質(zhì)上相當于它激轉(zhuǎn)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(yù)充磁或預(yù)充電的起動過程，因此，主回路得以簡化，調(diào)試過程簡單。

起動過程大致是這樣的，在逆變電路起動前，先以一個高于槽路諧振頻率的它激信號去觸發(fā)逆變晶閘管，當電路檢測到主回路開始有直流電流時，便控制它激信號的頻率從高向低掃描，同時繼續(xù)加大主回路的直流電流，當它激信號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(diào)頻電路。自動調(diào)頻電路一旦投入工作，便停止它激信號的頻率往低掃描動作，轉(zhuǎn)由自動調(diào)頻電路控制逆變動引前角，使設(shè)備進入穩(wěn)態(tài)運行。

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

由UP1和UP2輸入的中頻電壓信號，經(jīng)U2C轉(zhuǎn)換成方波信號，輸入到U5的12P。由U5的64P、67P輸出的逆變觸發(fā)信號，經(jīng)U7隔離放大后，驅(qū)動逆變觸發(fā)CMOS晶體管Q5、Q6。U4A和U4C構(gòu)成逆變壓控時鐘，輸入到U5的83P；同時又由U7進行頻壓轉(zhuǎn)換后用于驅(qū)動頻率表。FHZ微調(diào)電位器用于整定外接頻率表的讀數(shù)。

另外，當發(fā)生過電壓保護時，U5內(nèi)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(fā)脈沖，使逆變橋的4只晶閘管均導(dǎo)通。

U4B為起動失敗檢測器，其輸出控制U5內(nèi)部重復(fù)起動電路。

6.4啟動演算工作原理

過電流保護信號經(jīng)U1B，送到U5的15P，封鎖整流觸發(fā)脈沖：驅(qū)動“GL”LED批示燈亮和驅(qū)動報警繼電器。通過“W2  IF”微調(diào)電位器可整定過流電平。

當三相交流輸入缺相時，本控制板均能對電源實現(xiàn)保護和指示。其原理是：由4#、6#、2#晶閘管的陰極（K）分別取A、B、C三相電壓信號（通過門極引線），經(jīng)過光電耦合器的隔離送到U5進行檢測和判別，一旦出現(xiàn)“缺相”故障時，除了封鎖整流觸發(fā)脈沖外，還驅(qū)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確的運行，控制電路上還設(shè)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(wěn)定的，設(shè)置一個3秒鐘左右的定時器，待定時過后，才容許輸出觸發(fā)脈沖。這部分電路由U1C等元件構(gòu)成。若由于某種原因造成控制板上直流供電電壓過低，穩(wěn)壓器不能穩(wěn)壓，亦會使控制出錯。設(shè)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(fā)脈沖，防止不正確的觸發(fā)，同時點亮“QY”LED指示燈和驅(qū)動報警繼電器。

自動重復(fù)起動電路在U5內(nèi)部。微動開關(guān)DIP-2用于關(guān)閉自動重復(fù)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(fā)脈沖；驅(qū)動“GY”LED指示燈亮和驅(qū)動報警繼電器；同時使過壓保護振蕩器起振。調(diào)節(jié)“W1  VF”微調(diào)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(fā)脈沖；驅(qū)動“SY”LED指示燈亮和驅(qū)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(fā)脈沖；驅(qū)動“SW”LED指示燈亮和驅(qū)動報警斷電器。

以上保護，只有通過復(fù)位信號，或通過關(guān)機后再開機進行“上電復(fù)位”方可再運行。

復(fù)位開關(guān)信號由KZ、GND輸入，閉合狀態(tài)為復(fù)位/暫停。

7、控制板的接線端子與參數(shù)

控制板共有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：

8、發(fā)光二極管工作狀態(tài)

9、電位器

10、DIP（SI）開關(guān)工作狀態(tài)

11、調(diào)試

11.1調(diào)試需準備的工作

一臺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，探頭需在測試信號下補償好。

若無高壓示波器探頭，應(yīng)用電阻做一個分壓器，以適應(yīng)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(diào)試

為了調(diào)試的安全，調(diào)試前，應(yīng)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。電路板上的“W2  IF”微調(diào)電位器順時針旋至最高端（調(diào)試過程發(fā)生短路時，可以提供過流保護）。主控板上的DIP-2開關(guān)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；把面板上的“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。

把面板上的“給定”電位器順時針旋大，直流電壓波形應(yīng)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(yīng)為指示在530V左右。再把面板上的“給定”電位器逆時針旋至最小，直流電壓波形幾乎全關(guān)閉，此時的A角約為120度。輸出直流波形在整個移相范圍內(nèi)應(yīng)該是連續(xù)平滑的。

若在調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)不出來6個整流波頭，則應(yīng)檢查6只整流晶閘管的序號是否接對，晶閘管的門級線是否接反或短路。

在此過程調(diào)試中也檢查了面板上的“給定”電位器是否接反，接反了則會出現(xiàn)直流電壓幾乎為最大，只有把“給定”電位器順時針旋到頭時，直流電壓才會減小的現(xiàn)象。

在停電狀態(tài)下，把逆變橋接入，使逆變觸發(fā)脈沖投入，去掉整流橋上的電阻性負載。把電路板上的“W1  VF”微調(diào)電位器順時針旋至最高端，（調(diào)試過程發(fā)生逆變過壓時，可以提供過壓保護）。主控板上的DIP-2開關(guān)撥在ON位置，面板上的“給定”電位器逆時旋至最小。

上電數(shù)秒鐘后，把面板上的“給定”電位器順時針慢慢地旋大，這時逆變橋會出現(xiàn)兩種工作狀態(tài)，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，若逆變橋為起振狀態(tài)，可在停電的狀態(tài)下，調(diào)節(jié)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(diào)一下，就不會起振了，在緩慢放大面板上“給定”電位器的操作中，應(yīng)密切注意電流表的反應(yīng)，若電流表的指示迅速增大，則應(yīng)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(tǒng)處于電流開環(huán)狀態(tài)，應(yīng)檢查電流互感器是否接上。正常的表現(xiàn)是隨著“給定”電位器的緩慢加大，電流表的指示也跟著增大，當停止旋轉(zhuǎn)“給定”電位器時，電流表的指示能穩(wěn)定的停在某一刻度上。

當出現(xiàn)直通現(xiàn)象時，把面板上的“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(yīng)該是大致相等的，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(diào)節(jié)器的正常工作。

繼續(xù)把面板上的“給定”電位器順時針旋到頭，電流表的指示應(yīng)接近額定值，逆時針調(diào)節(jié)主控制板上的“W2  IF”電流反饋微調(diào)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(diào)試。

當調(diào)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(xiàn)場滿負荷運行時進行。但是，應(yīng)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(diào)試

11.3.1校準頻率表（W6  FHZ）

主控板上的DIP開關(guān)的DIP-2撥在ON位置、DIP-3撥在OFF位置，面板上的“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(fā)脈沖的它激頻率（它激頻率可以通過FMAX和DIP-1來調(diào)節(jié)），調(diào)節(jié)“W6  FHZ”微調(diào)電位器，使頻率表的讀數(shù)與示波器測得的相一致。

若中頻電源用的是專用中頻頻率表，則可免去此步調(diào)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確，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；再把主控板上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。

把主控板上的DIP開關(guān)的DIP-2撥在ON位置、DIP-3撥在OFF位置，把面板上的“給定”電位器逆時針旋到底，調(diào)節(jié)控制板上的“W5  FMAX”微調(diào)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(diào)電位器旋在中間位置。把面板上的“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），逆變橋進入工作狀態(tài)，開始起振，若不起振，表現(xiàn)為它激信號反復(fù)作掃頻動作，可調(diào)節(jié)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(diào)一下。

若把中頻電壓互感器20V繞組的輸出線對調(diào)后，仍然起動不起來。此時應(yīng)確認一下槽路的諧振頻率是否正確，可以用電容/電感表測量一下電熱電容器的電容量及感應(yīng)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的范圍內(nèi)時，起動應(yīng)該是很容易的。再著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

逆變起振后，可做整定逆變引前的工作，把DIP開關(guān)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(diào)節(jié)主控板上“W4  MIN”微調(diào)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(guān)打在ON位置，調(diào)節(jié)主控板上“W3  MAX”微調(diào)電位器，整定最大逆變換相引前角。根據(jù)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(diào)試中若出現(xiàn)逆變引前角過大的現(xiàn)象，應(yīng)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，把主控板上的DIP開關(guān)DIP-2打在ON位置、DIP-3撥在OFF位置，VF微調(diào)電位器順時針旋至最大，把面板上的“給定”電位器順針旋大，逆變橋工作。繼續(xù)把面板上的“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(diào)節(jié)“W1  VF”微調(diào)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，請取下控制板，否則可能造成控制板永久性損壞。

12.2內(nèi)部電路及參數(shù)的理發(fā)，恕不另行通知。

12.3如果在使用中造成控制板以外的零部件損壞，概不負責(zé)。

12.4MPU器件是一種CMOS器件，使用時應(yīng)注意，器件的兩個引腳之間嚴禁短路，否則將損壞芯片，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(jīng)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(shè)定好，若覺得不合適，可改變控制板上的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(jīng)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(shè)定好。若覺得1.4倍不合適可改變控制板上的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(tǒng)運行于重負荷下，逆時針調(diào)節(jié)控制板上的“W2  IF”電流反饋微調(diào)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(tǒng)由于它激頻率的“拽著”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倍是合適的。

13.5恒功率輸出

對熔煉負載來說，恒功率輸出是很重要的，要想使恒功率的范圍大，就要使逆變引前角從最小變到最大的范圍盡可能的大，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(shù)。