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QXPU--1(小芯片6脉波)
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QXPU-1型恒功率晶闸管中频电源控制板 使用说明书 小芯片六脉波 1、概述QXPU-1恒功率晶闸管中频电源控制板主要由电源、调节器、移相控制、保护电路、相序自适应电路、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。其核心部件采用高性能、高密度、大规模专用MPU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，具有可靠性高、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，无需同步变压器，所以，现场调试中免去了调相序、对同步的工作，仅需把KP晶闸管的门极线接入控制板相应的接线端上，整流部分便能投入运行。 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（此功能也可被送掉）。逆变部分的主要电路均在QXPU-1大规模集成电路的内部，亦是数字电路。 QXPU-1控制板全板仅有7只集成电路、6只晶体管、6只微调电位器、32个引出端子，安装十分方便，适用于各种晶闸管并联谐振中频电源。 MPU-2控制板在设计中征求了多方面的意见，采取了有效措施，使得调试极为方便，大多数参数的都由电路内部自动设定，需要用户调整的只有6只电位器的参数设定，所以具有极强的通用性和互换性。 2、产品名称 产品名称：恒功率晶闸管中频电源控制板 3、适用装置 适用于400HZ-10KHZ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环境温度不低于-10℃，不高于+40℃。 4.3空气最大相对湿度不超过90%（20℃±5℃时）。 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：100V~660V（50HZ）（注意R3、R7、R11的匹配） 5.2控制供电电源：单相17V/2A。 5.3中频电压反馈信号：AC 12V/15mA。 5.4电流反馈信号：AC 12V/5mA三相输入。 5.5整流触发脉冲移相范围：α=0~130°。 5.6整流触发脉冲不对称度：小于1°。 5.7整流触发脉冲信号宽度：≥600μS、双窄、间隔60°。 5.8整流触发脉冲特性：触发脉冲峰值电压：≥12V 触发脉冲峰值电流：≥1A 触发脉冲前沿陡度：≥0.5A/μS 5.9逆变频率：400HZ~10KHZ。 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：触发脉峰值电压：≥22V 触发脉峰值电流：≥3A 触发脉冲前沿陡度：≥2A/μS （逆变的触发脉冲变压器是外接的） 5.12最大外型尺寸：238×175×40mm。 5.13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：10A/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、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IC6，型号为MPU-2，它是一块专用超大规模数字集成电路，有3路时钟输入口，31路输入/输出口，内部功能包括整流移相触发、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、控制板欠压保护，另外还有三个0.2秒钟的定时器。 6.1整流触发工作原理 这部分电路包括三相同步、相序自适应、压控时钟、数字触发、末级驱动等电路。 三相同步信号直接由晶闸管的门极引线K4、K6、K2从主回路的三相进线上取得，由R3、C1、R7、C2、R11、C3进行滤波，再经6只光电耦合器进行电位隔离，获得6个相位互差60度的矩形波同步信号（低电平有效），输入到IC6的5P-10P。 在IC6的内部有相序自适应电路，确保了中频电源的三相交流输入可以不分相序。 IC1D及其周围电路构成压控时钟，其输出信号的周期随调节器的输出电压VK而线性变化。压控时钟信号输入到IC6的11P，作为数字触发的时钟CL0K0。 数字触发的特征是用计数（时钟脉冲）的办法来实现移相，6路整流移相触发脉冲均由IC6产生，IC2C、IC2D及其周围电路组成定输出脉宽电路。6路整流移相触发脉冲经IC5晶体管陈列放大后，驱动整流脉冲变压器输出，这里脉冲变压器采用的是反激工作方式。 6.2调节器工作原理 共设有2个调节器：中频电压/电流调节器、逆变角调节器。 其中电压/电流调节器（IC3C），是常规的PI调节器，在启动和运行的整个阶段，该环始终参与工作；逆变角调节器（IC3B）用于使逆变桥能在某一θ角下稳定的工作。 调节器电路的工作过程可以分为两种情况：一种是直流电压没有达到最大值的时候，即IC3D没有限幅，而IC3A工作于限幅状态，对应的为最小逆变θ角，此时系统完全是一个标准的电压/电流闭环系统；另一种情况是直流电压已经达到最大值，即IC3D开始限幅，整流桥的调节不再起作用，而IC3A退出限幅状态开始工作，调节逆变角调节器的θ角给定值，使输出的中频电压增加，达到新的平衡。此时，就有电压/电流调节器与逆变角调节器双环工作。 中频电压互感器过来的中频电压信号由CON2-1和CON2-2输入后，分为两路，一路由IC1A进行电平转换后送到IC6的30P，另一路经D7-D10整流后，又分为两路，一路送到电压/电流调节器，另一路送到过电压保护。 由主回路交流互感器取得的电流信号，先在外部转换成电压信号，从CON2-3、CON2-4、CON2-5输入，经二极管D11-D16整流后，再分为两路，一路作为过流保护信号，另一路作为电压/电流调节器的反馈信号。 6.3逆变部分工作原理 本电路逆变触发部分，采用的是扫频式零压软起动，只需取一路中频电压反馈信号，无需槽路中频电容器上的电流信号，其本质上相当于它激转自激电路，属于平均值反馈电路。由于主回路上无需附加任何起动电路，不需要预充磁或预充电的起动过程，因此，主回路得以简化，调试过程简单。 起动过程大致是这样的，在逆变电路起动前，先以一个高于槽路谐振频率的它激信号去触发逆变晶闸管，当电路检测到主回路开始有直流电流时，便控制它激信号的频率从高向低扫描，同时加大主回路的直流电流，当它激信号频率下降到接近槽路谐振频率时，中频电压便建立起来，并反馈到自动调频电路。自动调频电路一旦投入工作，便停止它激信号的频率往低扫描动作，转由自动调频电路控制逆变动引前角，使设备进入稳态运行。 若一次起动不成功，即自动调频电路没有抓住中频电压反馈信号，此时，它激信号便会一直扫描到最低频率，重复起动电路一旦检测到它激信号进入到最低频段，便进行一次再起动，把它激信号再推到最高频率，重新扫描一次，直至起动成功，重复起动的周期约为0.5移钟。 由CON2-1和CON2-2输入的中频电压信号，经IC1A转换成方波信号，输入到IC6的30角，由IC6的15P、16P输出的逆变触发信号。经IC7A隔离放大后，驱动逆变触发CMOS晶体管Q5、Q6。IC4B和IC4C构成逆变压控时钟，输入到IC6的33脚CLOK2；同时又由IC7B进行频压转换后用于驱动频率表。W6微调电位器用于设定压控时钟的最高频（即逆变它激信号的最高频率），W5微调电位器用于整定外接频率表的读数。 另外，当发生过电压保护时，IC6内部的过电压保护振荡器起振，输出2倍于最高逆变频率的触发脉冲，使逆变桥的4只晶闸管均导通。 IC4A为起动失败检测器，其输出控制IC6内部重复起动电路。 6.4启动演算工作原理 过电流保护信号经Q3倒相后，送到IC6的20P，封锁整流触发脉冲：驱动“O.C”LED批示灯亮和驱动报警继电器。过电流触发器动作后，只有通过复位信号或通过关机后再开机进行“上电复位”，方可再次运行。通过W1微调电位器可整定过流电平。 当三相交流输入缺相时，本控制板均能对电源实现保护和指示。其原理是：由4#、6#、2#晶闸管的阴极（K）分别取A、B、C三相电压信号（通过门极引线），经过光电耦合器的隔离送到IC6进行检测和判别，一旦出现“缺相”故障时，除了封锁整流触发脉冲外，还驱动“O.P”LED指示灯以及报警继电器。 为了使控制电路能够更可靠准确的运行，控制电路上还设置了启动定时器和控制电源欠压检测保护。在开机的瞬间，控制电路的工作是不稳定的，设置一个3秒钟左右的定时器，待定时过后，才容许输出触发脉冲。这部分电路由IC2B等元件构成。若由于某种原因造成控制板上直流供电电压过低，稳压器不能稳压，亦会使控制出错。设置一个欠压检测电路（由IC2A等组成），当VCC电压低于12.5V时便封锁整流触发脉冲，防止不正确的触发，同时点亮“L.Y”LED批示灯和驱动报警继电器。 自动重复起动电路在IC8内部。微动开关DIP-1用于关闭自动重复起动电路。 Q2组成中频过电压检测，输入到IC6的29P，封锁整流触发脉冲；驱动“O.Y”LED指示灯亮和驱动报警继电器；同时使过压保护振荡器起振。过电压保护动作后，也像过流保护一样，只有通过复位信号或通过关机后再开机进行“上电复位”，方可再次运行，调节W2微调电位器可整定过压电平。 IC4D及周围电路组成水压过低延时保护电路，延时时间约3秒，输入到IC6的27P，封锁整流触发脉冲；驱动“W.P.L”LED指示灯亮和驱动报警继电器。 复位开关信号由CON2-6、CON2-7输入，闭合状态为复位/暂停。 输入到IC6 35P的时钟信号CLOK1，其周期为20mS。 7、控制板的接线端子与参数 控制板共有32个M3接线端子，端子排列图参见图一，各端子功能表见表一。 表一
8、发光二极管工作状态
9、电位器
10、安装与连接 MPU-2控制板的G1-G6、K1-K6触发脉冲连接导线用0.7mm2RV导线连接，建议用不同颜色的导线表示极性，其余连接导线用0.5mm2RV导线连接。 如果所装的中频电源不需要复位功能、报警功能、内接频率表的话，端子CON2-6、CON2-1、CON3-8、CON3-9便可不用。 11、应用举例 图示为一台KGPS-160KW中频电源的电气原理图，可作为其它装置原理设计的参考，由于控制电路已经对开机，关机的逻辑进行了设计，因此，不必考虑主回路与控制回路的上电顺序。 12、调试 12.1调试需准备的工具 一台20M示波器，若示波器的电源是三芯插头时，注意“地线”千万不能接，示波器外壳对地需绝缘，仅使用一踪探头，示波器的X轴、Y轴均需较准，探头需在测试信号下补偿好。 若无高压示波器探头，应用电阻做一个分压器，以适应600V以上电压的测量。 一个≤500Ω、≥500W的电阻性负载。 12.2整流部分的调试 为了调试的安全，调试前，应该使逆变桥不工作。例如：把平波电抗器的一端断开，再在整流桥直流口接入一个≤500Ω、≥500W的电阻性负载。电路板上的IF微调电位器W1顺时针旋至最高端（调试过程发生短路时，可以提供过流保护）。主控板上的DIP-1开关拨在ON位置；用示波器做好测量整流桥输出直流电压波形的准备；把面板上的“给定”电位器逆时针旋至最小。 送上三相供电（可以不分相序），检查是否有缺相报警报示，若有，可以检查进线快速熔断器是否损坏。 把面板上的“给定”电位器顺时针旋大，直流电压波形应该几乎全放开（A≈0°），6个波头都全在，若中频电源为380V输入，此时的直流电压表应为指示在520V左右。再把面板上的“给定”电位器逆时针旋至最小，直流电压波形几乎全关闭，此时的α角约为120度。输出直流波形在整个移相范围内应该是连续平滑的。 若在调试中，发现不出来6个整流波头，则应检查6只整流晶闸管的序号是否接对，晶闸管的门级线是否接反或短路。 在此过程调试中也检查了面板上的“给定”电位器是否接反，接反了则会出现直流电压几乎为最大，只有把“给定”电位器顺时针旋到头时，直流电压才会减小的现象。 在停电状态下，把逆变桥接入，使逆变触发脉冲投入，去掉整流桥口的电阻性负载。把电路板上的VF微调电位器W2顺时针旋至最高端，（调试过程发生逆变过压时，可以提供过压保护）。主控板上的DIP-1开关拨在ON位置，面板上的“给定”电位器逆时旋至最小。 上电数秒钟后，把面板上的“给定”电位器顺时针慢慢地旋大，这时逆变桥会出现两种工作状态，一种是逆变桥起振，另一种是逆变桥直通。此时需要的是逆变桥直通，若逆变桥为起振状态，可在停电的状态下，调节中频电压互感器的相位，即把中频电压互感器20V绕组的输出线对调一下，就不会起振了，在缓慢放大面板上“给定”电位器的操作中，应密切注意电流表的反应，若电流表的指示迅速增大，则应迅速把“给定”电位器逆时针旋下来，此时表明电流取样电路有问题，系统处于电流开环状态，应检查电流互感器是否接对，特别是5A：0.1A电流互感器的原、付边是否接反，0.1A绕组上的68Ω电阻是否接上，正常的表现是随着“给定”电位器的缓慢加大，电流表的指示也跟着增大，当停止旋转“给定”电位器时，电流表的指示能稳定的停在某一刻度上。 当出现直通现象时，把面板上的“给定”电位器顺时针旋大，使电流表的指示接近额定值的50%左右。用交流电压表测量CON2-3、CON2-4、CON2-5三个接线端子间的电压，三个电压应该是大致相等的，若相差太大，说明电流互感器的同名端接错，必须改对，否则会影响电流调节器的正常工作。 继续把面板上的“给定”电位器顺时针旋到头，电流表的指示应接近额定值，逆时针调节主控制板上的W1电流反馈微调电位器，使直流电流表指示到额定输出电流，完成了额定电流的整定。 这样整流桥的测试就基本完成，可以进行逆变桥的调试。 需要指出的是，当平波电抗器的直流电阻较小时，在直通状态下作额定电流的整定，会出现直流电流振荡的现象，可在直流回路里串一点电阻加以解决。另外，水冷装置在作此项调试时，必须通水冷却。 当调试场地的电源供不出装置的额定电流时，额定电流的整定，可放在现场满负荷运行时进行。但是，应先在小电流的状况下，判定一下电流取样回路的工作是否正常。 12.3逆变部分的调试 12.3.1校准频率表（W5） 主控板上的DIP开关均拨在OFF位置，面板上的“给定”电位器逆时针旋至最小。把示波器接在Q5或Q6的管壳上，测逆变触发脉冲的它激频率（它激频率可以通过W6来调节），调节W5微调电位器，使频率表的读数与示波器测得的相一致。 若中频电源用的是专用中频频率表，则可免去此步调试。但还是推荐使用直流毫安表头改制的频率表，这一方面是可以测得最高它激频率，另一方面是价格便宜。 12.3.2起振逆变器（W6） 首先检查逆变晶闸管的门级线连接是否正确，逆变未级上的LED亮度是否正常，不亮则说明逆变末级的E和C接线端子接反了；再把主控板上CON3-5对外的连线解掉，看熄灭的LED逆变末级是否处在逆变桥的对角线位置。 把主控板上的DIP开关均拨在OFF位置，把面板上的“给定”电位器逆时针旋到底，调节控制板上的W6微调电位器，使最高它激频率高于槽路谐振频率的1.2倍，W3、W4 微调电位器旋在中间位置。把面板上的“给定”电位器顺时针稍微旋大，这时它激频率开始从高往底扫描（从频率表中可以看出），逆变桥进入工作状态，开始起振，若不起振，表现为它激信号反复作扫频动作，可调节中频电压互感器的相位，即把中频电压互感器20V绕组的输出线对调一下。 若把中频电压互感器20V绕组的输出线对调后，仍然起动不起来。此时应确认一下槽路的谐振频率是否正确，可以用电容/电感表测量一下电热电容器的电容量及感应器的电感量，计算出槽路的谐振频率，当槽路的谐振频率处在最高它激频率的0.6-0.9的范围内时，起动应该是很容易的。再着就是检查一下逆变晶闸管是否有损坏的。 12.3.3整定逆引前角（W3 W4） 逆变起振后，可做整定逆变引前然的工作，把DIP开关均打在OFF位置，用示波器观察电压互感器100V绕组的波形，调节主控板上W4微调电位器，使逆变换相引前角在22°左右，此时中频输出电压与直流电压的比为1.2左右（若换相重叠角较大，可适当增大逆变换相引前角），此步整定的是最小逆变引前角，一般期望它尽可能的小，当然，过小的逆变换相此前角会使逆变换相失败，表现为中频电压升高时，会出现重复起动。 再把DIP-2开关打在ON位置，调节主控板上W3微调电位器，整定最大逆变换相引前角。根据不同的中频输出电压的要求，最大逆变换相引前角亦不同，如中频装置三相输入电压为380V，额定中频输出电压为750V时，则要求最大逆变换相引前角在42°左右，此时，中频输出电压与直流电压的比为1.5。一般期望它尽可能的大些，这在系统输入电压偏低时，仍可保证中频输出电压到额定值，当系统输入电压偏高时，由于有电压调节器的作用，中频输出仍然不会出现过电压。 此项调试工作应在50%额定中频输出电压下进行。注意，必须先调1.2倍关系，再调1.5倍关系，否则顺序反了，会出现互相牵扯的问题。有时由于电压表不准，给调试带来错误的结论，所以应以示波器测得的引前角为准。 调试中若出现逆变引前角过大的现象，应检查槽路谐振频率是否过低。 12.3.4额定输出电压的整定（W2） 在轻负荷的情况下整定额定输出电压，把主控板上的DIP开关均拨在OFF位置、W2微调电位器顺时针旋至最大，把面板上的“给定”电位器顺针旋大，逆变桥工作。继续把面板上的“给定”电位器顺时针旋至最大，此时输出的中频电压接近额定值，逆时针调节W2微调电位器，使输出的中频电压达到额定值。 在这项调试中，可见到这样的现象，即直流电压升到最大值后，中频输出电压却还能继续随“给定”电位器的旋大而上升。 在整定额定输出电压时，应在直流电流低于额定电流的条件下进行，否则会由于电流限幅的作用，使中频输出电压调不上去。 至此，6只微调电位器全部调完，调试告结束。 13、注意事项 13.1晶闸管装置在做绝缘耐压测试时，请取下控制板，否则可能造成控制板永久性损坏。 13.2内部电路及参数的更改，恕不另行通知。 13.3如果在使用中造成控制板以外的零部件损坏，本公司概不负责。 13.4 MPU器件是一种CMOS器件，使用时应注意，器件的两个引脚之间严禁短路，否则将损坏芯片，为保护器件的安全，因此忌用万用表直接测量器件的引脚。 13.5当控制板接入主回路后，控制板上有高压电，请注意，以免触电。 14. 问题讨论 14.1过压保护 控制电路上已经把过压保护电平固定在额定输出电压的1.2倍上，当进行定额电压整定时，过压保护就自动整定好了。若觉得1.2倍不合适，可改变控制板上的R28电阻值，减小R28，过压保护电平增高；反之减小。 14.2过流保护 控制电路上已经把过流保护电平固定在额定直流电流的1.5倍上，当进行额定电流的整定时，过流保护就自动设定好。若觉得1.5倍不合适可改变控制板上的R27电阻值，增大R27，过流保护电平增高，反之减小。 14.3额定电流整定 当12.2步骤中没有进行额定电流整定的话，可在系统运行于重负荷下，逆时针调节控制板上的W1电流反馈微调电位器，使直流表达到额定值。这与一般的中频电源的电源整定是一样的。 14.4它激频率 一定要使它激频率高于槽路可能的最大谐振频率，否则，系统由于它激频率的“拽着”而不能正常运行。它激频率高于槽路可能的最大谐振频率1.2倍是合适的。 14.5恒功率输出 对熔炼负载来说，恒功率输出是很重要的，要想使恒功率的范围大，就要使逆变引前角从最小变到最大的范围尽可能的大，同时负载阻抗的匹配也很重要，即使不是熔炼负荷，这样做也有利于提高整流的功率因数。 |
