IGBT中频电源的调试与维修技巧

知识导读

一、肌肤效应的原理及应用

1.集肤效应的定义

集肤效应（又称趋肤效应）是指导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀的一种现象。随着与导体表面的距离逐渐增加，导体内的电流密度呈指数递减，即导体内的电流会集中在导体的表面。从与电流方向垂直的横截面来看，导体的中心部分电流强度基本为零，即几乎没有电流流过，只在导体边缘的部分会有电流。简单而言就是电流集中在导体的“皮肤”部分，所以称为集肤效应。

产生这种效应的原因主要是变化的电磁场在导体内部产生了涡旋电场，与原来的电流相抵消。如图4.4.1 所示，理想中电子在导体中以平均分布的方式传导流通，集肤效应则是电子集中在导体的近外肤位置上流通，使横截面的核心部位呈现空泛状态，进而使电流输送量减少。

2.集肤效应加热系统

集肤效应的原理基于交流电的“集肤效应”和“邻近效应”，加热装置是采用专门设计制造的耐腐耐热、绝缘的集肤效应导线，穿过一个被称为“热管”的碳钢管道（碳钢管道的厚度大于集肤深度），导线和热管的一端相连接，另一端则分别与交流电源相连接。当给集肤效应加热系统通电时，电流从导线的一端到达导线的另一端，在集肤效应和邻近效应的作用下，通过热管返回的电流被集中在热管的内壁表面。这种电磁感应作用，使流经热管的电流只能集中在热管的内壁表面，而实际上在热管的外表面是没有可测电压的。电流流经热管内壁表面时，通过阻抗发热，产生加热温度。如图4.4.2 所示。

图4.4.1　肌肤效应示意图

图4.4.2　肌肤效应

集肤效应加热系统产生的焦耳热主要来自三部分：

（1） 加热管上通电流时，加热管上发出的热。此热量是集肤效应加热系统的主要热量来源。

（2） 加热管内部电缆产生的热。

（3） 加热管内磁滞损耗产生的部分热。

3.集肤效应的应用

淬火是指利用高频（30～1 000 kHz）电流使工件表面局部进行加热、冷却，获得表面硬化层的热处理方法。这种方法只是对工件一定深度的表面进行强化，而心部基本上保持处理前的组织和性能，因而可获得高强度、高耐磨性和高韧性的综合。又因是局部加热，所以能显著减少淬火变形，降减能耗。正是因为高频淬火拥有上述这些特点，因而在机械加工行业中被广泛采用。

工件放到感应器内，感应器一般是输入中频或高频交流电（1 000～300 000 Hz 或更高）的空心铜管。产生的交变磁场在工件中产生出同频率的感应电流，这种感应电流在工件的分布是不均匀的，在表面强，而在内部很弱，到心部接近于零，利用这个集肤效应，可使工件表面迅速加热，在几秒钟内表面温度可上升到800～1 000 ℃，而心部温度升高很小。

二、涡流的原理及应用

1.涡流的定义

涡流即由电磁感应作用在导体内部感生的电流，又称为傅科电流。当金属导体在非匀强磁场中运动，或者导体静止但有着随时间变化的磁场，或者两种情况同时出现时，都可以造成磁力线与导体的相对切割。按照电磁感应定律，在导体中就会产生感应电动势，由于导体自身存在电阻，在导体内部便会产生电流。这种电流在导体中的分布随着导体的表面形状和磁通的分布而不同，其路径往往有如水中的旋涡，因此称为涡流。

导体在非均匀磁场中移动或处在随时间变化的磁场中时，因涡流而导致的能量损耗称为涡流损耗。涡流损耗的大小与磁场的变化方式、导体的运动、导体的几何形状、导体的磁导率和电导率等因素有关。

2.涡流的应用

（1） 真空冶炼炉。

真空冶炼炉主要用来冶炼合金钢，炉外有线圈，线圈中通入反复变化的电流，在炉内的金属中产生涡流。涡流产生的热量使金属熔化。利用涡流冶炼金属的优点是整个过程能在真空中进行，这样能防止空气中的杂质进入金属，可以冶炼高质量的合金。

（2） 电磁炉。

电磁炉是采用涡流感应加热原理，其内部通过电子线路产生交变磁场，当将含铁质锅具底部放置炉面时，锅具即切割交变磁力线而在锅具底部金属部分产生涡流，使锅具内电子运动产生热能，用来加热和烹饪食物，从而达到煮食的目的。

（3） 感应加热电源。

感应加热就是利用涡流加热金属导体，也就是将被加热金属置于高频变化的电磁场中（实际应用是在感应线圈中），强大的电磁场在其表面形成感应涡流，依靠材料本身的内阻，使之迅速发热，以改善工件的机械性能。感应加热是金属热处理必不可少的加热方式，也是工业加热的趋势，感应涡流不仅用于金属件热处理，也用于海底管道铺设、石油天然气管道预热焊接、焊后热处理、紫铜钎焊、蒸发镀膜、电动机短路环焊接等。

任务实施

一、准备阶段

（1） 实训室IGBT 中频电源一台，数字万用表或指针万用表、20 M 以上双踪示波器、500 V 摇表、25W 电烙铁、螺丝刀、扳手等电工工具及仪器仪表，安全用具。(www.xing528.com)

（2） 设备有关电气图、说明书等技术资料。

（3） 了解设备的故障现象以及出现故障时所发生的情况，查看设备的记录资料。

（4） 维修前有必要对设备进行全面检查，紧固所有连接线和端子，看一下有无出现发黑、打火、短接、虚接等。

（5） 中频电源原理图，如图4.4.3 所示。

图4.4.3　中频电源原理图

二、操作过程

1.中频电源的原理分析调试

三相工频交流电经主交流接触器KM 接通后输送到整流电路，通过VT1～VT6 晶闸管三相全控桥整流和电抗器LD 滤波后，输出电压可调的平滑直流电供给逆变电路。逆变电路由2个结构完全相同的IGBT 逆变器并联组成，这种结构形式能使中频电源负载能力增大1 倍。每个逆变器由4 只IGBT（VT7～VT10 或VT11～VT14）及相随的4 个整流二极管（D1～D4 或D5～D8）组成，它与负载中的加热头（感应线圈）L1～L4、电热电容C 一起，组成单相LC并联谐振式逆变器。从逆变电路输出的中频交流电通过加热头，在垂直于感应线圈轴线表面内产生强烈的感应电流（又称涡流），使紧贴加热头的金属制品快速发热。

2.中频电源的调试

（1） 通电启动使IGBT 中频电源运行在小功率状态，用双踪示波器测量并记录关键点波形。

（2） 用示波器测量逆变输出主波形。波形应稳定正确、整齐一致，若波形异常，则应用控制电源检测法重点检查逆变电路。

（3） 让IGBT 中频电源运行在较大功率状态，测量整流输出主波形、电抗器平波后的主波形。

主波形必须稳定正确、整齐一致。用示波器测得的IGBT 中频电源空载时的整流输出、电抗器平波后和逆变输出三大主波形如图4.4.4 所示。

图4.4.4　IGBT 中频电源整流、平波和输出三大主波形图

IGBT 中频电源功率的调整，是通过调节功率电位器改变整流触发脉冲控制角，从而改变整流电路输出直流电压来实现的。输出中频频率由负载LC 并联振荡器的谐振频率决定，这是因为逆变触发脉冲控制信号取自负载回路，当负载LC 参数发生变化时，逆变器输出频率也相应发生变化，起到自动调整频率的作用。

3.IGBT 中频电源的检修

IGBT 中频电源的检修方式一般包括断电状态检查、控制电源检测IGBT 逆变器、假负载检查整流电路、通电工作测量关键点波形以及报警保护的检修。下面介绍前三种方式。

（1） 断电状态下系统检查。

断开电源开关，观察是否有脱落、烧焦、打火等故障现象，然后再用数字万用表对IGBT中频电源装置做进一步检查判断。

① 用万用表电阻挡R × 200 Ω检查并判断熔断器和主交流接触器是否存在异常。

② 检测整流晶闸管是否损坏。除控制极G 与阴极K 间的阻值约为33 Ω外（受驱动变压器线圈影响），阳极A、阴极K 和控制极G 间的阻值均应为无穷大，否则整流晶闸管已损坏。

③ 用万用表R × 2 kΩ挡在路检测IGBT 各引脚间的电阻，除集电极C 到发射极E 间的阻值约为1.6 kΩ外，栅极G、集电极C 和发射极E 间的阻值均应为无穷大，否则IGBT 已损坏。如果用万用表测量不出来，需应用控制电源检测法通过测量波形才能断定。

④ 断开安装电热电容组铜排的前后连接，检测电热电容组两极间的阻值是否为无穷大，若不是则表明电容漏电或击穿短路。

（2） 控制电源检测IGBT 逆变器。

① 在IGBT 中频电源装置中，若某块逆变驱动板输出波形异常，则可通过更换上正常驱动板来检测该块驱动板是否损坏，若输出波形正常，则该驱动板损坏，否则IGBT 损坏。

② 用双踪示波器的2 个探头同时进行测量检查，探头CH1 逐个测量VT7、VT9、VT11、VT13 的驱动板输出波形，探头CH2 逐个测量VT8、VT10、VT12、VT14 的驱动板输出波形，在两条角线桥臂波形的全部交汇点一致的情况下，才可以判断全部IGBT 工作基本正常。

（3） 假负载检查整流电路。

断开逆变主回路，在整流输出端接上由3 只100W/220 V 白炽灯串联而成的假负载。接通电源后调节功率电位器，观察整流输出的直流电压能否达到额定最大电压（约500 V），整流输出的波形是否稳定、正确，移相范围及线性度是否良好。若出现异常，则测量整流触发脉冲波形，以判断是否为整流触发电路或晶闸管故障。