KGPS中頻技術在鋼軌焊縫熱處理中的應用研究

摘 要:隨著鐵路工業的不斷發展，伴隨著高速鐵路的飛速發展，廠內鋼軌焊縫熱處理技術也在不斷更新，鋼軌焊縫熱處理技術主要通過對焊縫進行加熱處理，使焊縫內部組織結構優化，以提高鋼軌焊縫的內部質量，更好的確保優質長鋼軌鋪設在鐵路線路上。本文通過中頻正火技術在鋼軌焊縫熱處理中的實踐應用研究，希望與業內同行共同探討中頻技術的發展應用。

關鍵詞:中頻鋼軌焊縫熱處理

中圖分類號：TD712文獻標識碼：A文章編號：1674-098X(2011)09(a)-0087-01

1 KGPS中頻技術簡介

KGPS型可控硅中頻電源是一種靜止變頻裝置，利用可控硅元件將工頻三相交流電源變換成中頻單相交流電源，主要應用于感應加熱。感應熔煉及其他需要中頻電源供電的場合。本電源裝置主電路采用“交流—— 直流—— 交流”變換系統由三相全控橋式整流電路、電感濾波電路和并聯逆變電路組成。可控硅元件用水冷卻，其控制系統由集成電路組成性能穩定、可靠。啟動采用先進的零電壓方式，安全方便、維修簡便、經濟高效，特別適用于金屬熔煉、加熱及熱處理工況。

2 KGPS中頻技術工作原理

KGPS電源的主電路框中。整流器采用三相橋式全控整流電路，逆變器采用單相橋式逆變電路，負載為并聯諧振形式，直流濾波環節為大電感濾波，以滿足并聯逆變器的輸入要求。

（1）三相橋式全控整流電路的輸出電壓為：Ud=2.34U2cosa （1）

式中：Ud—輸出直流電壓平均值，U2—電網相電壓，a—觸發移相角

（2）單相橋式并聯逆變電路中，并聯逆變器的基本線路圖中V7— V10組成了一個橋式逆變電路，Ld為直流濾波電感，Lr為感應爐等效電路，C為補償電容，由L、r、C組成一個并聯諧振電路。Ld使整流橋輸出的直流電流連續，電流紋波減小，這樣可近似地把整流橋輸出電流看成一平直電流。Ld的另一個作用是限制中頻電流進入工頻電網，起隔離作用；當逆變失敗時，它也起限制浪涌電流的作用。逆變橋由四只橋臂構成，每一臂為一只晶閘管和一個限流電抗器串聯組成。限流的作用是限制逆變晶閘管導通時的電流上升率(di/dt)，使它不超過允許的數值。如果橋臂中V7、V10和V8、V9輪流導通，便將直流Id逆變為在負載中流動的電頻電流。

為使逆變器正常工作，其工作頻率應高于負載諧振頻率。此時負載回路對輸入的中頻梯形電流中的高次諧波電流呈現低阻抗，對中頻梯形波電流中的基波電流呈現高阻抗，因而使輸出電壓接近正弦波。

由于逆變工作頻率略高于負載諧振頻率，使晶閘管獲得一定的換相關斷時間tj，從中可以看出，j也是負載功率因數角.從數學分析可知，中頻負載電壓對輸主直流電壓有如下關系:

UL=1.11Ud/cosj（2）

為了提高輸出額定功率因數角，應盡量減小tj，但tj的減小就意味著逆變晶閘管道關斷時間的減小，這不利于逆變器的可靠工作，另外通常加大換相關斷時間tf會增加晶閘管的電壓定額，因此需兩者兼顧，通常取j=30°左右。由于中頻電源負載參數(L、r)隨著工件的多少和工件溫度的變化而變化，因此負載頻率也是隨時間變化。為了獲得恒定的引前時間以保證可靠換流，逆變頻率必須隨著負載諧振頻率而變，并始終略高于負載諧振頻率，即逆變觸發電路不能采用恒定的頻率的他激方式，而必須采用自激方式，即自動跟蹤負載頻率。

逆變觸發同步信號是由中頻輸出電壓和補償電容電流的取樣信號合成，合成信號滯后于補償電容電流而超前于中頻輸出電壓，其過零時刻為逆變觸發時刻，可見逆變觸發頻率始終略高于負載諧振頻率。逆變觸發同步信號為中頻正弦信號，經高靈敏度的比較器LM311轉換為方波，在方波的上跳沿及下跳沿各送出一個寬度一定的脈沖到相應的逆變晶閘管，即可完成頻率自動跟蹤的逆變觸發。

3KGPS技術在鋼軌焊縫熱處理的實踐應用

鋼軌經焊接后，由于焊縫內部受高溫及冷卻速度不一致等因素的影響，在熱影響區中會產生焊接殘余應力、硬度分布不均和出現晶粒粗化等問題，因而使接頭沖擊韌性下降，引起馬鞍型磨耗，危及行車安全。隨著我國鐵路建設不斷發展，尤其是高速鐵路的迅猛發展，長鋼軌的焊縫質量更加關系到飛速行使的列車安全。通過對鋼軌焊接接頭焊縫進行符合技術要求的熱處理，能夠改善焊縫內晶粒結構，提高焊縫的韌性和塑性，優化應力和硬度分布，從而穩定鋼軌焊頭的質量，提高長鋼軌焊縫使用的安全性、可靠性及使用壽命。熱處理工藝是確保和鞏固鋼軌焊接作業的重要保障。KGPS技術主要為鋼軌焊縫熱處理設備的焊縫加熱線圈提供電源。

目前，KGPS型全自動溫控雙中頻電源已經成為鋼軌專用熱處理設備，該設備投入使用大幅提高了鋼軌焊縫熱處理的工藝水平，簡化了操作員的勞動強度、完全避免了人為因素對鋼軌焊縫熱處理溫度造成的誤差，使鋼軌焊縫熱處理達到了最佳效果。以下是鋼軌焊縫熱處理實際應用中KGPS型全自動溫控雙中頻電源系統的優點：

(1)穩定性。溫度控制探頭，可近距離安裝在熱處理變壓器上，抗干擾能力更強，壽命更長。測溫控制和中頻電源系統統一設計，采用集控系統，采用了可靠的集成電路代替原有的獨立元器件。由380V轉換為2kHz中頻電的過程精準，避免了因原有獨立元器件之間的細微性能差異造成的系統誤差，輸出頻率、功率穩定，將更好地保證熱處理效果。柜體內銅排全部電鍍，抗氧化，接觸性能更好，防止打火變黑影響輸出品質。

(2)安全性。將老型號柜內的空氣開關，改為面板上的電控接觸器，操作員不用打開門就可以開關主回路，更加安全，防止意外觸電。中頻柜采用了先進的PLC控制零壓啟動方式，減小了啟動對可控硅的沖擊，延長了可控硅的使用壽命，不僅使啟動性能更穩定，而且保護車間內其他用電器安全。

(3)標準化和可擴展性。重新編制了控制程序，預留了噴風控制接口，給全工序技術改造留下空間。將來可以將噴風控制接入到這臺電腦系統里，在加裝相應的傳感器以后，該控制系統可以自動記錄噴風的溫度、壓力、時間等。

參考文獻

[1]邵揚道，乜樹范，周清躍，周鎮國，周晨光，王樹青.50kg/m鋼軌接觸焊焊縫電感應正火的研究，鐵道建筑，1988（10）.