QXPU-1型恒功率晶閘管中頻電源控制板

使用說明書

小芯片六脈波

1、概述QXPU-1恒功率晶閘管中頻電源控制板主要由電源、調節器、移相控制、保護電路、相序自適應電路、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。其核心部件采用高性能、高密度、大規模專用MPU集成電路，使其電路除調節器外，其余均實現數字化，整流觸發器部分不需要任何調整，具有可靠性高、脈沖對稱度高、抗干擾能力強、反應速度快等特點，又由于有相序自適應電路，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板相應的接線端上，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。并設有自動重復啟動電路，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，而產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QXPU-1大規模集成電路的內部，亦是數字電路。

QXPU-1控制板全板僅有7只集成電路、6只晶體管、6只微調電位器、32個引出端子，安裝十分方便，適用于各種晶閘管并聯諧振中頻電源。

MPU-2控制板在設計中征求了多方面的意見，采取了有效措施，使得調試極為方便，大多數參數的都由電路內部自動設定，需要用戶調整的只有6只電位器的參數設定，所以具有極強的通用性和互換性。

2、產品名稱

產品名稱：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R3、R7、R11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  12V/15mA。

5.4電流反饋信號：AC  12V/5mA三相輸入。

5.5整流觸發脈沖移相范圍：α=0~130°。

5.6整流觸發脈沖不對稱度：小于1°。

5.7整流觸發脈沖信號寬度：≥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：400HZ~10KHZ。

5.10逆變觸發脈沖信號寬度：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：≥3A

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：238×175×40mm。

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、調節器、逆變、啟動演算等，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IC6，型號為MPU-2，它是一塊專用超大規模數字集成電路，有3路時鐘輸入口，31路輸入/輸出口，內部功能包括整流移相觸發、相序自適應、逆變觸發、逆變引前角鎖定、逆變重復起動、過流保護、過壓保護、缺相保護、水壓低保護、控制板欠壓保護，另外還有三個0.2秒鐘的定時器。

6.1整流觸發工作原理

這部分電路包括三相同步、相序自適應、壓控時鐘、數字觸發、末級驅動等電路。

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R3、C1、R7、C2、R11、C3進行濾波，再經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（低電平有效），輸入到IC6的5P-10P。

在IC6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。

IC1D及其周圍電路構成壓控時鐘，其輸出信號的周期隨調節器的輸出電壓VK而線性變化。壓控時鐘信號輸入到IC6的11P，作為數字觸發的時鐘CL0K0。

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IC6產生，IC2C、IC2D及其周圍電路組成定輸出脈寬電路。6路整流移相觸發脈沖經IC5晶體管陳列放大后，驅動整流脈沖變壓器輸出，這里脈沖變壓器采用的是反激工作方式。

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（IC3C），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（IC3B）用于使逆變橋能在某一θ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IC3D沒有限幅，而IC3A工作于限幅狀態，對應的為最小逆變θ角，此時系統完全是一個標準的電壓/電流閉環系統；另一種情況是直流電壓已經達到最大值，即IC3D開始限幅，整流橋的調節不再起作用，而IC3A退出限幅狀態開始工作，調節逆變角調節器的θ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號由CON2-1和CON2-2輸入后，分為兩路，一路由IC1A進行電平轉換后送到IC6的30P，另一路經D7-D10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CON2-3、CON2-4、CON2-5輸入，經二極管D11-D16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/電流調節器的反饋信號。

6.3逆變部分工作原理

本電路逆變觸發部分，采用的是掃頻式零壓軟起動，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，并反饋到自動調頻電路。自動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作，轉由自動調頻電路控制逆變動引前角，使設備進入穩態運行。

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號，此時，它激信號便會一直掃描到最低頻率，重復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，重復起動的周期約為0.5移鐘。

由CON2-1和CON2-2輸入的中頻電壓信號，經IC1A轉換成方波信號，輸入到IC6的30角，由IC6的15P、16P輸出的逆變觸發信號。經IC7A隔離放大后，驅動逆變觸發CMOS晶體管Q5、Q6。IC4B和IC4C構成逆變壓控時鐘，輸入到IC6的33腳CLOK2；同時又由IC7B進行頻壓轉換后用于驅動頻率表。W6微調電位器用于設定壓控時鐘的最高頻（即逆變它激信號的最高頻率），W5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，IC6內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只晶閘管均導通。

IC4A為起動失敗檢測器，其輸出控制IC6內部重復起動電路。

6.4啟動演算工作原理

過電流保護信號經Q3倒相后，送到IC6的20P，封鎖整流觸發脈沖：驅動“O.C”LED批示燈亮和驅動報警繼電器。過電流觸發器動作后，只有通過復位信號或通過關機后再開機進行“上電復位”，方可再次運行。通過W1微調電位器可整定過流電平。

當三相交流輸入缺相時，本控制板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）分別取A、B、C三相電壓信號（通過門極引線），經過光電耦合器的隔離送到IC6進行檢測和判別，一旦出現“缺相”故障時，除了封鎖整流觸發脈沖外，還驅動“O.P”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，待定時過后，才容許輸出觸發脈沖。這部分電路由IC2B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IC2A等組成），當VCC電壓低于12.5V時便封鎖整流觸發脈沖，防止不正確的觸發，同時點亮“L.Y”LED批示燈和驅動報警繼電器。

自動重復起動電路在IC8內部。微動開關DIP-1用于關閉自動重復起動電路。

Q2組成中頻過電壓檢測，輸入到IC6的29P，封鎖整流觸發脈沖；驅動“O.Y”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。過電壓保護動作后，也像過流保護一樣，只有通過復位信號或通過關機后再開機進行“上電復位”，方可再次運行，調節W2微調電位器可整定過壓電平。

IC4D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IC6的27P，封鎖整流觸發脈沖；驅動“W.P.L”LED指示燈亮和驅動報警繼電器。

復位開關信號由CON2-6、CON2-7輸入，閉合狀態為復位/暫停。

輸入到IC6  35P的時鐘信號CLOK1，其周期為20mS。

7、控制板的接線端子與參數

控制板共有32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、發光二極管工作狀態

9、電位器

10、安裝與連接

MPU-2控制板的G1-G6、K1-K6觸發脈沖連接導線用0.7mm2RV導線連接，建議用不同顏色的導線表示極性，其余連接導線用0.5mm2RV導線連接。

如果所裝的中頻電源不需要復位功能、報警功能、內接頻率表的話，端子CON2-6、CON2-1、CON3-8、CON3-9便可不用。

11、應用舉例

圖示為一臺KGPS-160KW中頻電源的電氣原理圖，可作為其它裝置原理設計的參考，由于控制電路已經對開機，關機的邏輯進行了設計，因此，不必考慮主回路與控制回路的上電順序。

12、調試

12.1調試需準備的工具

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，應用電阻做一個分壓器，以適應600V以上電壓的測量。

一個≤500Ω、≥500W的電阻性負載。

12.2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。電路板上的IF微調電位器W1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）。主控板上的DIP-1開關撥在ON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520V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閉，此時的α角約為120度。輸出直流波形在整個移相范圍內應該是連續平滑的。

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象。

在停電狀態下，把逆變橋接入，使逆變觸發脈沖投入，去掉整流橋口的電阻性負載。把電路板上的VF微調電位器W2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）。主控板上的DIP-1開關撥在ON位置，面板上的“給定”電位器逆時旋至最小。

上電數秒鐘后，把面板上的“給定”電位器順時針慢慢地旋大，這時逆變橋會出現兩種工作狀態，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，可在停電的狀態下，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態，應檢查電流互感器是否接對，特別是5A：0.1A電流互感器的原、付邊是否接反，0.1A繞組上的68Ω電阻是否接上，正常的表現是隨著“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“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CON2-3、CON2-4、CON2-5三個接線端子間的電壓，三個電壓應該是大致相等的，若相差太大，說明電流互感器的同名端接錯，必須改對，否則會影響電流調節器的正常工作。

繼續把面板上的“給定”電位器順時針旋到頭，電流表的指示應接近額定值，逆時針調節主控制板上的W1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。

需要指出的是，當平波電抗器的直流電阻較小時，在直通狀態下作額定電流的整定，會出現直流電流振蕩的現象，可在直流回路里串一點電阻加以解決。另外，水冷裝置在作此項調試時，必須通水冷卻。

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。

12.3逆變部分的調試

12.3.1校準頻率表（W5）

主控板上的DIP開關均撥在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，測逆變觸發脈沖的它激頻率（它激頻率可以通過W6來調節），調節W5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。

12.3.2起振逆變器（W6）

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CON3-5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開關均撥在OFF位置，把面板上的“給定”電位器逆時針旋到底，調節控制板上的W6微調電位器，使最高它激頻率高于槽路諧振頻率的1.2倍，W3、W4  微調電位器旋在中間位置。把面板上的“給定”電位器順時針稍微旋大，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，開始起振，若不起振，表現為它激信號反復作掃頻動作，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繞組的輸出線對調后，仍然起動不起來。此時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，起動應該是很容易的。再著就是檢查一下逆變晶閘管是否有損壞的。

12.3.3整定逆引前角（W3  W4）

逆變起振后，可做整定逆變引前然的工作，把DIP開關均打在OFF位置，用示波器觀察電壓互感器100V繞組的波形，調節主控板上W4微調電位器，使逆變換相引前角在22°左右，此時中頻輸出電壓與直流電壓的比為1.2左右（若換相重疊角較大，可適當增大逆變換相引前角），此步整定的是最小逆變引前角，一般期望它盡可能的小，當然，過小的逆變換相此前角會使逆變換相失敗，表現為中頻電壓升高時，會出現重復起動。

再把DIP-2開關打在ON位置，調節主控板上W3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的要求，最大逆變換相引前角亦不同，如中頻裝置三相輸入電壓為380V，額定中頻輸出電壓為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。一般期望它盡可能的大些，這在系統輸入電壓偏低時，仍可保證中頻輸出電壓到額定值，當系統輸入電壓偏高時，由于有電壓調節器的作用，中頻輸出仍然不會出現過電壓。

此項調試工作應在50%額定中頻輸出電壓下進行。注意，必須先調1.2倍關系，再調1.5倍關系，否則順序反了，會出現互相牽扯的問題。有時由于電壓表不準，給調試帶來錯誤的結論，所以應以示波器測得的引前角為準。

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。

12.3.4額定輸出電壓的整定（W2）

在輕負荷的情況下整定額定輸出電壓，把主控板上的DIP開關均撥在OFF位置、W2微調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，逆時針調節W2微調電位器，使輸出的中頻電壓達到額定值。

在這項調試中，可見到這樣的現象，即直流電壓升到最大值后，中頻輸出電壓卻還能繼續隨“給定”電位器的旋大而上升。

在整定額定輸出電壓時，應在直流電流低于額定電流的條件下進行，否則會由于電流限幅的作用，使中頻輸出電壓調不上去。

至此，6只微調電位器全部調完，調試告結束。

13、注意事項

13.1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。

13.2內部電路及參數的更改，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損壞，本公司概不負責。

13.4 MPU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。

13.5當控制板接入主回路后，控制板上有高壓電，請注意，以免觸電。

14. 問題討論

14.1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倍上，當進行定額電壓整定時，過壓保護就自動整定好了。若覺得1.2倍不合適，可改變控制板上的R28電阻值，減小R28，過壓保護電平增高；反之減小。

14.2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1.5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1.5倍不合適可改變控制板上的R27電阻值，增大R27，過流保護電平增高，反之減小。

14.3額定電流整定

當12.2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，逆時針調節控制板上的W1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。

14.4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”而不能正常運行。它激頻率高于槽路可能的最大諧振頻率1.2倍是合適的。

14.5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。