QDPU-2型恒功率晶閘管中頻電源控制板

使用說(shuō)明書(shū)

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基礎上開(kāi)發(fā)的新型控制觸發(fā)板。主要由電源、調節器、移相控制電路、保護電路、啟動(dòng)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(zhuān)用MPU集成電路，使其電路除調節器外，其余均實(shí)現數字化，整流觸發(fā)器部分不需要任何調整，而且可靠性高、脈沖對稱(chēng)度高、抗干擾能力強、反應速度快等特點(diǎn)，又由于有相序自適應電路，無(wú)需同步變壓器，所以，現場(chǎng)調試中免去了調相序、對同步的工作，僅需把KP晶閘管的門(mén)極線(xiàn)接入控制板相應的接線(xiàn)端上，整流部分便能投入運行。

逆變采用掃頻式零壓軟啟動(dòng)方式，啟動(dòng)性能優(yōu)于普通的零壓軟啟動(dòng)電路。并設有自動(dòng)重復啟動(dòng)電路，可防止中頻電源偶爾的啟動(dòng)失敗，使啟動(dòng)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(wú)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，在調試和使用現場(chǎng)中，也不會(huì )由于中頻輸出線(xiàn)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(dòng)的問(wèn)題。

逆變電路中還加有逆變角調節電路，可以自動(dòng)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(shí)、節電、提高網(wǎng)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大規模集成電路的內部，亦是數字電路。

MPU-6控制板全板僅有8只集成電路、4只晶體管、6只微調電位器、33個(gè)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(chēng)

產(chǎn)品名稱(chēng)：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(guò)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(guò)90%（20℃±5℃時(shí)）。

4.4運行地點(diǎn)無(wú)導電及爆炸性塵埃，無(wú)腐蝕金屬和破壞絕緣的氣體或蒸汽。

4.5無(wú)劇烈振動(dòng)和沖擊。

5、主要技術(shù)參數

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

5.2控制供電電源：?jiǎn)蜗?7V/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(chēng)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(shí)，輸出一組接點(diǎn)信號，該接點(diǎn)容量為AC：5A/220V：DC：10A/28V。

6、電路原理

整個(gè)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構。功能上包括電源、整流觸發(fā)、調節器、逆變觸發(fā)、啟動(dòng)演算等，除調節器為模擬運算電路外，其余均為數字電路。

組成該控制板的核心集成電路為U5，型號為MPU它是一塊專(zhuān)用超大規模數字集成電路，有3路時(shí)鐘輸入口，33路輸入/輸出口，內部功能包括整流移相觸發(fā)、相序自適應、逆變觸發(fā)、逆變引前角鎖定、逆變重復起動(dòng)、過(guò)流保護、過(guò)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(gè)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、壓控時(shí)鐘、數字觸發(fā)、末級驅動(dòng)等電路。

三相同步信號直接由晶閘管的門(mén)極引線(xiàn)K4、K6、K2從主回路的三相進(jìn)線(xiàn)上取得，由R8、C5、R9、C6、R10、C7進(jìn)行濾波，再經(jīng)6只光電耦合器進(jìn)行電位隔離，獲得6個(gè)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的內部有相序自適應電路，確保了中頻電源的三相交流輸入可以不分相序。

U3D及其周?chē)�電路構成壓控時(shí)鐘，其輸出信號的周期隨調節器的輸出電壓VK而線(xiàn)性變化。壓控時(shí)鐘信號輸入到U5的3P，作為數字觸發(fā)的時(shí)鐘CL0K1。

數字觸發(fā)的特征是用計數（時(shí)鐘脈沖）的辦法來(lái)實(shí)現移相，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，驅動(dòng)整流脈沖變壓器輸出。

6.2調節器工作原理

共設有2個(gè)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(dòng)和運行的整個(gè)階段，該環(huán)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(guò)程可以分為兩種情況：一種是直流電壓沒(méi)有達到最大值的時(shí)候，即U3D沒(méi)有限幅，而U3A工作于限幅狀態(tài)，對應的為最小逆變з角，此時(shí)系統完全是一個(gè)標準的電壓/電流閉環(huán)系統；另一種情況是直流電壓已到最大值，即U3D開(kāi)始限幅，整流橋的調節不再起作用，而U3A退出限幅狀態(tài)開(kāi)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(shí)，就有電壓/電流調節器與逆變角調節器雙環(huán)工作。

中頻電壓互感器過(guò)來(lái)的中頻電壓信號由UP1、UP2輸入后，分為兩路，一路由U2C進(jìn)行電平轉換后送到U5的12P，另一路經(jīng)D35-D38整流后，又分為兩路，一路送到電壓/電流調節器，另一路送到過(guò)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(guò)流保護信號，另一路作為電壓/電流調節器的反饋信號。

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(dòng)，只需取一路中頻電壓反饋信號，無(wú)需槽路中頻電容器上的電流信號，其本質(zhì)上相當于它激轉自激電路，屬于平均值反饋電路。由于主回路上無(wú)需附加任何起動(dòng)電路，不需要預充磁或預充電的起動(dòng)過(guò)程，因此，主回路得以簡(jiǎn)化，調試過(guò)程簡(jiǎn)單。

起動(dòng)過(guò)程大致是這樣的，在逆變電路起動(dòng)前，先以一個(gè)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(kāi)始有直流電流時(shí)，便控制它激信號的頻率從高向低掃描，同時(shí)繼續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(shí)，中頻電壓便建立起來(lái)，并反饋到自動(dòng)調頻電路。自動(dòng)調頻電路一旦投入工作，便停止它激信號的頻率往低掃描動(dòng)作，轉由自動(dòng)調頻電路控制逆變動(dòng)引前角，使設備進(jìn)入穩態(tài)運行。

若一次起動(dòng)不成功，即自動(dòng)調頻電路沒(méi)有抓住中頻電壓反饋信號，此時(shí)，它激信號便會(huì )一直掃描到最低頻率，重復起動(dòng)電路一旦檢測到它激信號進(jìn)入到最低頻段，便進(jìn)行一次再起動(dòng)，把它激信號再推到最高頻率，重新掃描一次，直至起動(dòng)成功，重復起動(dòng)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，驅動(dòng)逆變觸發(fā)CMOS晶體管Q5、Q6。U4A和U4C構成逆變壓控時(shí)鐘，輸入到U5的83P；同時(shí)又由U7進(jìn)行頻壓轉換后用于驅動(dòng)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(fā)生過(guò)電壓保護時(shí)，U5內部的過(guò)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只晶閘管均導通。

U4B為起動(dòng)失敗檢測器，其輸出控制U5內部重復起動(dòng)電路。

6.4啟動(dòng)演算工作原理

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

當三相交流輸入缺相時(shí)，本控制板均能對電源實(shí)現保護和指示。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(guò)門(mén)極引線(xiàn)），經(jīng)過(guò)光電耦合器的隔離送到U5進(jìn)行檢測和判別，一旦出現“缺相”故障時(shí)，除了封鎖整流觸發(fā)脈沖外，還驅動(dòng)“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，控制電路上還設置了啟動(dòng)定時(shí)器和控制電源欠壓檢測保護。在開(kāi)機的瞬間，控制電路的工作是不穩定的，設置一個(gè)3秒鐘左右的定時(shí)器，待定時(shí)過(guò)后，才容許輸出觸發(fā)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板上直流供電電壓過(guò)低，穩壓器不能穩壓，亦會(huì )使控制出錯。設置一個(gè)欠壓檢測電路（由U1D等組成），當VCC電壓低于12.5V時(shí)便封鎖整流觸發(fā)脈沖，防止不正確的觸發(fā)，同時(shí)點(diǎn)亮“QY”LED指示燈和驅動(dòng)報警繼電器。

自動(dòng)重復起動(dòng)電路在U5內部。微動(dòng)開(kāi)關(guān)DIP-2用于關(guān)閉自動(dòng)重復起動(dòng)電路。

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

U8A及周?chē)�電路組成水壓過(guò)低延時(shí)保護電路，延時(shí)時(shí)間約3秒，輸入到U5的77P，封鎖整流觸發(fā)脈沖；驅動(dòng)“SY”LED指示燈亮和驅動(dòng)報警繼電器。

U8B，周?chē)�電路組成水溫過(guò)延時(shí)保護電路，不延時(shí)，輸入到U5的76P，封鎖整流觸發(fā)脈沖；驅動(dòng)“SW”LED指示燈亮和驅動(dòng)報警斷電器。

以上保護，只有通過(guò)復位信號，或通過(guò)關(guān)機后再開(kāi)機進(jìn)行“上電復位”方可再運行。

復位開(kāi)關(guān)信號由KZ、GND輸入，閉合狀態(tài)為復位/暫停。

7、控制板的接線(xiàn)端子與參數

控制板共有33個(gè)M3接線(xiàn)端子，端子排列圖參見(jiàn)圖一，各端子功能表見(jiàn)表一。

表一：

8、發(fā)光二極管工作狀態(tài)

9、電位器

10、DIP（SI）開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)

11、調試

11.1調試需準備的工作

一臺20M示波器，若示波器的電源是三芯插頭時(shí)，注意“地線(xiàn)”千萬(wàn)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(wú)高壓示波器探頭，應用電阻做一個(gè)分壓器，以適應600V以上電壓的測量。

一個(gè)≤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(kāi)，再在整流橋直流口接入一個(gè)≤500Ω、≥500W的電阻性負載。電路板上的“W2  IF”微調電位器順時(shí)針旋至最高端（調試過(guò)程發(fā)生短路時(shí)，可以提供過(guò)流保護）。主控板上的DIP-2開(kāi)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(shí)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(jìn)線(xiàn)快速熔斷器是否損壞。

把面板上的“給定”電位器順時(shí)針旋大，直流電壓波形應該幾乎全放開(kāi)（A≈0°），6個(gè)波頭都全在，若中頻電源為380V輸入，此時(shí)的直流電壓表應為指示在530V左右。再把面板上的“給定”電位器逆時(shí)針旋至最小，直流電壓波形幾乎全關(guān)閉，此時(shí)的A角約為120度。輸出直流波形在整個(gè)移相范圍內應該是連續平滑的。

若在調試中，發(fā)現不出來(lái)6個(gè)整流波頭，則應檢查6只整流晶閘管的序號是否接對，晶閘管的門(mén)級線(xiàn)是否接反或短路。

在此過(guò)程調試中也檢查了面板上的“給定”電位器是否接反，接反了則會(huì )出現直流電壓幾乎為最大，只有把“給定”電位器順時(shí)針旋到頭時(shí)，直流電壓才會(huì )減小的現象。

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”微調電位器順時(shí)針旋至最高端，（調試過(guò)程發(fā)生逆變過(guò)壓時(shí)，可以提供過(guò)壓保護）。主控板上的DIP-2開(kāi)關(guān)撥在ON位置，面板上的“給定”電位器逆時(shí)旋至最小。

上電數秒鐘后，把面板上的“給定”電位器順時(shí)針慢慢地旋大，這時(shí)逆變橋會(huì )出現兩種工作狀態(tài)，一種是逆變橋起振，另一種是逆變橋直通。此時(shí)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(xiàn)對調一下，就不會(huì )起振了，在緩慢放大面板上“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(shí)針旋下來(lái)，此時(shí)表明電流取樣電路有問(wèn)題，系統處于電流開(kāi)環(huán)狀態(tài)，應檢查電流互感器是否接上。正常的表現是隨著(zhù)“給定”電位器的緩慢加大，電流表的指示也跟著(zhù)增大，當停止旋轉“給定”電位器時(shí)，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(shí)，把面板上的“給定”電位器順時(shí)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(gè)接線(xiàn)端子間的電壓，三個(gè)電壓應該是大致相等的，若相差太大，說(shuō)明電流互感器的同名端接錯，必須改對，否則會(huì )影響電流調節器的正常工作。

繼續把面板上的“給定”電位器順時(shí)針旋到頭，電流表的指示應接近額定值，逆時(shí)針調節主控制板上的“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(jìn)行逆變橋的調試。

當調試場(chǎng)地的電源供不出裝置的額定電流時(shí)，額定電流的整定，可放在現場(chǎng)滿(mǎn)負荷運行時(shí)進(jìn)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）

主控板上的DIP開(kāi)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(shí)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(guò)FMAX和DIP-1來(lái)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致。

若中頻電源用的是專(zhuān)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(jià)格便宜。

11.3.2起振逆變器

首先檢查逆變晶閘管的門(mén)級線(xiàn)連接是否正確，逆變未級上的LED亮度是否正常，不亮則說(shuō)明逆變末級的E和C接線(xiàn)端子接反了；再把主控板上UA對外的連線(xiàn)解掉，看熄滅的LED逆變末級是否處在逆變橋的對角線(xiàn)位置。

把主控板上的DIP開(kāi)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(shí)針旋到底，調節控制板上的“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。把面板上的“給定”電位器順時(shí)針?shù)N微旋大，這時(shí)它激頻率開(kāi)始從高往底掃描（從頻率表中可以看出），逆變橋進(jìn)入工作狀態(tài)，開(kāi)始起振，若不起振，表現為它激信號反復作掃頻動(dòng)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(xiàn)對調一下。

若把中頻電壓互感器20V繞組的輸出線(xiàn)對調后，仍然起動(dòng)不起來(lái)。此時(shí)應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的范圍內時(shí)，起動(dòng)應該是很容易的。再著(zhù)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(kāi)關(guān)DIP-2打在ON位置、DIP-3打在OFF位置，用示波器觀(guān)察電壓互感器100V繞組的波形，調節主控板上“W4  MIN”微調電位器，使逆變換相引前角在25°左右，此時(shí)中頻輸出電壓與直流電壓的比為1.3左右。

再把DIP-3開(kāi)關(guān)打在ON位置，調節主控板上“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(shí)，則要求最大逆變換相引前角在42°左右，此時(shí)，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(guò)大的現象，應檢查槽路諧振頻率是否過(guò)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(kāi)關(guān)DIP-2打在ON位置、DIP-3撥在OFF位置，VF微調電位器順時(shí)針旋至最大，把面板上的“給定”電位器順針旋大，逆變橋工作。繼續把面板上的“給定”電位器順時(shí)針旋至最大，此時(shí)輸出的中頻電壓接近額定值，逆時(shí)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(shí)，請取下控制板，否則可能造成控制板永久性損壞。

12.2內部電路及參數的理發(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。

12.4MPU器件是一種CMOS器件，使用時(shí)應注意，器件的兩個(gè)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(wàn)用表直接測量器件的引腳。

13、其它問(wèn)題

13.1過(guò)壓保護

控制電路上已經(jīng)把過(guò)壓保護電平固定在額定輸出電壓的1.2倍，當進(jìn)行額定電壓整定時(shí)，過(guò)壓保護就自動(dòng)設定好，若覺(jué)得不合適，可改變控制板上的R48電阻值，減小R48，過(guò)壓保護電平增高；反之減小。

13.2過(guò)流保護

控制電路上已經(jīng)把過(guò)流保護電平固定在額定直流電流的1.4倍上，當進(jìn)行額定電流的整定時(shí)，過(guò)流保護就自動(dòng)設定好。若覺(jué)得1.4倍不合適可改變控制板上的R51電阻值，減小R51，過(guò)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(méi)有進(jìn)行額定電流整定的話(huà)，可在系統運行于重負荷下，逆時(shí)針調節控制板上的“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“拽著(zhù)”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(lái)說(shuō)，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(shí)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。