0 前言

江西新钢机械制造有限责任公司(简称新钢机制公司)的主要业务是钢件、铜件、铁件产品的铸造兼机械加工，这些产品的熔炼浇铸均依靠中频感应熔炼炉来完成。新钢机制公司的中频感应熔炼炉有7座，熔炼质量分别为5 t，3 t，1. 5 t，0. 75 t和0. 5 t，这些中频感应熔炼炉的电气控制系统大同小异，只是其关键器件如电抗器、晶闸管、电容、负载感应线圈等在体积、容量等方面的参数有所不同。笔者将本人从上世纪九十年代工作开始至今所遇到的中频感应熔炼炉的电气常见故障的现象、原因分析和处理方法进行了总结。

1 中频感应熔炼炉电气工作原理

电气工作原理图见图 1。

中频感应熔炼炉的电气工作原理如下:国家电网提供的三相工频交流电源，经过三相全控整流桥KP(器件采用晶闸管)整流形成可调的脉动直流电源，再通过直流平波电抗器L滤波成平滑的直流电源，送到单相逆变桥KK(器件采用晶闸管)进行逆变，输出高于工频几十倍至几百倍的中频单相交流电至负载，该负载是由感应线圈Lf(含加热炉料)及中频电力电容器C1和C2组成的LC串并联振荡电路，从而完成总体电气工作。该电路对负载的适应能力较强，运行稳定可靠。其额定功率可以通过调节电位器W来调节整流触发脉冲控制角，从而改变输出电压，以达到功率调节的目的。其输出频率由负载LC并联振荡器的谐振频率f决定，由于逆变桥触发脉冲控制信号取自负载回路，所以当负载回路LC参数发生变化时，逆变桥输出频率也能相应发生变化，起到自动调频作用。

2 常见电气故障分析及处理

中频感应炉的常见故障可分为以下四类:完全不能起动，起动后不能正常工作，运行中出现故障，直流平波电抗器、晶闸管等器件容易出现故障。

2.1 完全不能起动

1) 起动时直流电流大，直流电压和中频电压低，设备声音沉闷且出现过流保护。

原因分析及处理:逆变桥有一桥臂的晶闸管可能短路或开路造成逆变桥三臂桥运行。断电后，用万用表电阻档(200 Ω档)分别检测逆变桥上的晶闸管阻值，即阳极—阴极、门极—阴极电阻，测量时晶闸管不用取下来。正常情况下，阳极—阴极间电阻应为无穷大，门极—阴极间电阻应为10 ~ 50 Ω，过大或过小都表明这只晶闸管门极失效，它将不能被触发导通。更换已击穿的晶闸管，并查找晶闸管未导通的原因。

2) 起动时直流电流大，直流电压低且中频电压不能正常建立。

原因分析及处理:出现这种现象说明补偿电容短路。断开电容，用万用表查找短路电容并补充电容，若电容接线端对外壳阻值较小时，说明该电容短路，应将其更换。

3) 重载冷炉起动时，各电参数和声音都正常，但功率升不上去，出现过流保护。

原因分析及处理:炉体绝缘阻值低或短路，用兆欧表检测炉体阻值，排除炉体的短路点; 相对感应圈阻值低，用兆欧表检测相对感应圈的阻值; 若阻值低应重新筑炉。

4) 起动时各电参数和声音都正常，升功率时电流突然消失，电压到额定值，出现过压过流保护。

处理:负载开路，检查负载铜排接头是否可靠，水冷电缆是否完好。

5) 设备无法启动，启动时只有直流电流表有指示，直流电压表、中频电压表均无指示。

原因分析:逆变触发脉冲有缺脉冲现象; 逆变晶闸管击穿; 电容器击穿; 负载有短路、接地现象; 中频信号取样回路有开路或短路现象。

6) 启动困难，启动后中频电压高出直流电压1倍以上，且直流电流过大。

分析:逆变回路有1只晶闸管损坏; 逆变可控硅有1只不导通，即“三条腿”工作; 中频信号取样回路有开路或极性错误现象; 逆变引前角移相电路出现故障。

7) 设备启动时无任何反应，控制板上缺相灯亮。

原因分析:快熔烧断。

8) 启动设备时，打开中频启动开关、主电路开关，即出现保护跳闸或过流保护现象。

原因分析:功率调节旋钮在最高位置，瞬间电流冲击太大; 电流调节器故障，尤其是电流互感器损坏或接线开路，启动无电流反馈抑制，电流冲击太大。

2.2 起动后工作不正常

1) 设备空载能起动，但直流电压达不到额定值，直流平波电抗器有冲击声并伴随抖动。

原因分析:关掉逆变控制电源，在整流桥输出端上接上假负载，用示波器观察整流桥的输出波形，可看到整流桥输出缺相波形。缺相的原因可能是:整流触发脉冲丢失; 触发脉冲的幅值不够，导致触发功率不够，造成晶闸管时通时不通; 双脉冲触发电路的脉冲时序不对或脉冲丢失; 晶闸管的控制极开路或短路或接触不良。

2) 设备能正常顺利起动，但当功率升到某一值时出现过压或过流保护现象。

原因分析与处理:将设备空载运行，观察电压能否升到额定值。若电压不能升到额定值并且多次在电压某一值附近出现过流保护，这可能是补偿电容或晶闸管的耐压不够造成的，但也不排除是电路某部分打火造成的; 如果电压能升到额定值，可将设备转入重载运行，观察电流值是否能达到额定值，若电流不能升到额定值，并且多次在电流某一值附近过流保护，这可能是大电流干扰，要特别注意中频大电流的电磁场对控制系统和信号的干扰。

3) 设备能正常启动，但运行一段时间且电流和电压达到一定数值后，多个(3个以上) KK管同时烧坏。

原因分析与处理:首先用万用表检查可调点位器旋转过程中阻值是否均匀增加或减少，否则更换; 其次用万用表检查逆变驱动变压器是否良好; 最后用示波器检测驱动电路板给驱动变压器的波形是否为正常状态。

4) 启动困难，启动后直流电压难以到达满负荷或难以接近满负荷，且电抗器震动大，声音沉闷。

出现这种现象的可能原因如下:整流可控硅开路、击穿、软击穿或电参数性能下降; 缺少一组整流脉冲; 整流可控硅门极开路或短路。

5) 设备能启动，启动成功率比原来低很多，有时不好启动。

原因分析:负载线圈匝间有短路现象或负载电容器柱子有开路现象。

6) 能够启动，但启动后马上停机，设备处于不断重复启动状态。

原因分析:引前角太小或负载振荡频率在它激频率的边缘。

7) 设备可启动，但电压升不高，电抗器声音大且沉闷，电压升起时不稳定，有时出现过流过压保护现象，有时烧坏可控硅，但整流是好的。

原因分析:电抗器电感量大，出现磁饱和，起不到滤波作用; 电抗器绝缘不好。

8) 容易启动，但升压时电压容易过压，有时过压过流同时出现。

原因分析:逆变引前角过大，造成逆变毛刺电压过高; 电源柜内部主回路有虚接、绝缘降低、打火现象; 负载线圈或电容器有虚接、绝缘降低、打火现象; 逆变晶闸管触发有问题，连线松动或门极开路。

2.3 正常运行中出现故障

1) 设备运行正常，但在正常过流保护动作时烧毁多只KP晶闸管并出现快熔现象。

原因分析:过流保护时为了向电网释放平波电抗器的能量，整流桥由整流状态转到逆变状态，这时如果α大于120°，就有可能造成有源逆变颠覆，烧毁多只晶闸管并快熔，开关跳闸，并伴随有巨大的电流短路爆炸声，对变压器产生较大的电流和电磁力冲击，严重时会损坏变压器。

2) 设备运行正常，但在高电压区内某点附近设备工作不稳定，直流电压表晃动，设备伴随有吱吱的声音，这种情况极容易造成逆变桥颠覆并烧毁晶闸管。

这种故障较难排除，多发生于设备的某部件高压打火:连接铜排接头螺丝松动造成打火; 断路器主接头氧化导致打火; 补偿电容接线桩螺丝松动引起打火; 补偿电容内部放电阻容吸收电打火; 水冷散热器绝缘部分太脏或炭化对地打火; 炉体感应线圈对炉壳或炉底板打火; 炉体感应线圈匝间距太近导致匝间打火或起弧; 固定炉体感应线圈的绝缘柱因高温炭化放电打火; 晶闸管内部打火等。

3) 设备运行正常但时不时可听到尖锐的“嘀、嘀”声，同时直流电压表出现轻微的摆动。

原因分析:用示波器观察逆变桥直流两端的电压波形，有一个周波失败、不定周期短暂失败、并联谐振逆变电路短暂失败、可自恢复周期性短暂失败的现象，一般周期性失败是逆变控制部分受到整流脉冲的干扰而产生的，非周期性短暂失败是由中频变压器匝间绝缘不良而产生的。

4) 设备正常运行一段时间后出现异常声音，电表读数晃动且设备工作不稳定。

原因分析与处理:主要是设备电气元器件的热特性不好，可把设备的电气部分分为弱电和强电两部分分别进行检测。先检测控制部分的可预防损坏主电路功率器件，在不合主电源开关的情况下，只接通控制部分的电源，待控制部分工作一段时间后，用示波器检测控制板的触发脉冲，看触发脉冲是否正常。在确认控制部分没有问题的前提下，开启设备，待不正常现象出现后，用示波器观察每只晶闸管的管压降波形，找出热特性不好的晶闸管; 若晶闸管的管压降波形都正常，这时就要注意其他电气部件是否有问题，要特别注意断路器、电容器、电抗器、铜排接点和主变压器是否有问题。

5) 设备工作正常但功率上不去。原因分析与处理:设备工作正常只能说明设备各部件完好，功率上不去，说明设备各参数调整不合适。

影响设备功率上不去的主要原因有:整流部分没调好，整流管未完全导通，直流电压没达到额定值影响功率输出; 中频电压值调得过高或过低而影响功率输出; 截流截压值调节不当使得功率输出低; 炉体与电源不配套严重影响功率输出; 补偿电容器配置得过多或过少都得不到电效率和热效率最佳的功率输出，即得不到最佳的经济功率输出; 输出回路的分布电感和谐振回路的附加电感过大，也会影响最大功率输出。

6) 设备运行正常但在某功率段升降功率时，设备出现异常声音并抖动，电气仪表指针摆动。

原因分析:这种故障一般发生在功率给定电位器上，功率给定电位器某段不平滑跳动造成设备工作不稳定，严重时甚至造成逆变颠覆而烧毁晶闸管。

7) 设备运行正常但旁路电抗器发热烧毁。

原因分析:造成旁路电抗器发热烧毁的主要原因是旁路电抗器自身质量不好，逆变电路存在不对称运行。造成逆变电路不对称运行的主要原因来源于信号回路。

8) 设备运行正常，但经常击穿补偿电容。

出现这种现象的原因有:中频电压和工作频率过高; 电容配置不够; 在电容升压电路中，串联电容与并联电容的容量相差太大，造成电压不均而击穿电容。处理方法:去除击穿电容。

9) 设备运行时各电参数波形、声音正常，但频繁过流。

出现这种故障的原因有:布线不当产生电磁干扰和线间寄生参数耦合干扰，如强电线与弱电线布在一起，工频线与中频线布在一起，信号线与强电线、中频线汇流排交织在一起等。

10) 设备运行正常，直流电流指示值偏高，如果将电流设在额定值，则电压太低，功率表指示值和电流、电压表的指示值相乘不一致。

这种现象通常是由于分流器和接线的污垢、氧化层使接触电阻增大，从而使分流器上产生的电压增高所致。

11) 设备运行时直流电流已达到额定值，但直流电压和中频电压低。

此现象不是中频电源故障所产生的，而是由于负载阻抗过低而引起的。此时可能出现串联电容器有损坏或感应器有匝间短路的现象。

12) 设备运行时直流电压和中频电压均已达到额定值，但直流电流小、功率低。

此现象是由于负载阻抗高引起的。此时有可能存在负载补偿电容器的补偿量不足、槽路连接节点接触电阻过大等问题。处理方法:清理积灰。

2.4 直流平波电抗器故障

设备工作不稳定，电参数波动，设备有异常声音，频繁出现过流保护和烧毁快速晶闸管现象。在中频电源维修中，直流平波电抗器故障属较难判断和处理的故障，导致直流平波电抗器易出现故障的原因如下:

1) 用户随意调整电抗器的气隙和线圈匝数。如果随意调整电抗器的气隙和线圈匝数，在逆变桥直通短路时，会降低电抗器阻挡电流上升的能力，烧毁晶闸管; 随意改变电抗器的电感量还会影响设备的起动性能; 随意改变线圈匝数会导致电抗器线圈松动，电抗器的线圈若有松动，在设备工作时电磁力使线圈抖动，电感量突变，在轻载起动和小电流运行时易造成逆变失败。

2) 线圈绝缘不好。对地短路或匝间短路时，打火放电会造成电抗器的电感量突跳和强电磁干扰，使设备工作不稳定，产生异常声音频繁、过流烧毁晶闸管的现象，从而造成线圈绝缘层绝缘不好。短路的原因有:冷却不好，温度过高导致绝缘层绝缘变差打火炭化; 电抗器线圈松动，线圈绝缘层之间、线圈绝缘层与铁心之间的相对运动摩擦造成绝缘层损坏; 在处理电抗器线圈水垢时，酸液渗透到线圈内腐蚀铜管并生成铜盐而破坏绝缘层。

2.5 晶闸管故障

1) 更换晶闸管后一开机就烧毁晶闸管。

处理方法:在压装新晶闸管时一定要注意压力均衡，否则会造成晶闸管内部芯片机械损伤，导致晶闸管的耐压值大幅下降，出现一开机就烧毁晶闸管的现象。在更换新晶闸管后不要马上开机，应立即对设备进行系统检查，在确认设备无故障的情况下再开机。

2) 更换新晶闸管后开机正常，但工作一段时间后又烧毁晶闸管。

发生此类故障的原因有:控制部分的电气元器件热特性不好; 晶闸管与散热器安装错位; 散热器经多次使用造成散热器台面中心下凹，导致散热器台面与晶闸管台面接触不良而烧毁晶闸管; 热器水腔内水垢太厚，导热不好，造成元件过热烧掉; 快速晶闸管因散热不好而温度升高，同时晶闸管关断所需的时间随着温度升高而增大，最终导致元件不能关断造成逆变颠覆，烧掉晶闸管; 晶闸管工作温度过高，门极参数降低，抗干扰能力下降，易产生误触发而损坏晶闸管和设备; 阻容吸收电路可能出现问题。

3) 设备启动后，当功率升到一定值时，出现易过流保护现象，有时烧坏晶闸管原件，重新启动后，故障现象依然如故。

如果在刚启动后低电压下产生过流，则可能是逆变引前角太小使可控硅不能可靠关断; 也有可能是逆变晶闸管水冷套散热效果下降而导致的。

4) 频繁烧坏可控硅原件，更换后又烧坏。

产生这种现象的可能原因如下:晶闸管在反向关断时，承受反向电压的瞬时毛刺电压过高，检查阻容吸收; 负载对地绝缘降低即对地打火，或晶闸管两端形成高压; 脉冲触发回路故障，突然丢失触发脉冲造成晶闸管开路; 设备运行时负载开路; 设备运行时负载短路; 晶闸管冷却水系统故障; 电抗器故障，造成逆变侧电流断续，因电抗器磁饱和而失去限流作用，最终烧坏晶闸管; 换相电感电感量太大，或绝缘降低引起电流不稳定。

3 结语

维修人员应该熟悉中频感应炉的电气工作原理，了解常见故障的特点以及产生故障的原因，尽量少走弯路，尽快排除故障，保障生产的顺利进行。