Durag高壓脈沖點(diǎn)火器在凈化廠的應(yīng)用

劉海泉 張熙川 李良倫 顧勝前

(重慶天然氣凈化總廠，重慶 408324)

Durag高壓脈沖點(diǎn)火器在凈化廠的應(yīng)用

劉海泉 張熙川 李良倫 顧勝前

(重慶天然氣凈化總廠，重慶 408324)

介紹Durag高壓脈沖點(diǎn)火器的電路和點(diǎn)火原理，并總結(jié)了在天然氣凈化領(lǐng)域應(yīng)用中日常維護(hù)和故障檢修的要點(diǎn)。

高壓脈沖點(diǎn)火器 原理 維護(hù)與檢修

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的高度重視，高壓脈沖點(diǎn)火器在污水處理、廢氣處理、天然氣凈化處理及硫磺回收等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在天然氣凈化廠的硫磺回收工藝中，高壓脈沖點(diǎn)火器常用于主燃燒爐、廢氣焚燒爐及火炬等。

高壓點(diǎn)火裝置由整流電路、振蕩電路、升壓部件和放電電極組成[1]。目前，重慶天然氣凈化廠的Durag高壓脈沖點(diǎn)火器，點(diǎn)火性能穩(wěn)定、控制簡(jiǎn)單、點(diǎn)火能量大。在此，介紹Durag高壓脈沖點(diǎn)火器的電路和點(diǎn)火原理，并總結(jié)在天然氣凈化領(lǐng)域應(yīng)用中日常維護(hù)和故障檢修的要點(diǎn)。

1.1 交直流變換

交直流變換是把220V/50Hz的交流電經(jīng)橋式整流濾波轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電。

1.1.1單相橋式整流原理

單相橋式整流電路是最基本的將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路，如圖1所示，其波形如圖2所示。

圖1 單相橋式交流轉(zhuǎn)直流電路

圖2 波形圖

根據(jù)圖2，輸出是單相脈動(dòng)電壓，通常用它的平均值與直流電壓等效。輸出平均電壓為：

(1)

流過(guò)負(fù)載的平均電流為：

(2)

流過(guò)二極管的平均電流為：

(3)

二極管所承受的最大反向電壓為：

(4)

1.1.2電容濾波原理

現(xiàn)以在單相橋式整流電路中并聯(lián)一只電容濾波為例來(lái)說(shuō)明。電容濾波電路如圖3所示。若電路處于正半周，二極管D1、D3導(dǎo)通，變壓器次端電壓V2給電容器C充電。此時(shí)電容C相當(dāng)于并聯(lián)在V2上，所以輸出波形同V2，是正弦形。所以，在t1～t2時(shí)刻，二極管導(dǎo)電，電容C充電，VC=VL按正弦規(guī)律變化；t2～t3時(shí)刻，二極管關(guān)斷，VC=VL按指數(shù)曲線下降，放電時(shí)間常數(shù)為RLC。從圖4所示的波形可以看出，經(jīng)過(guò)濾波后的輸出電壓不僅變得平滑，而且平均值也得以提高。

圖3 電容濾波電路

圖4 電容濾波波形

電容濾波的計(jì)算比較麻煩，因?yàn)闆Q定輸出電壓的因素較多，工程上有詳細(xì)的曲線可供查閱。一般采用近似估算法[2]，即用鋸齒波近似表示為：

(5)

天然氣凈化廠所用Durag高壓脈沖點(diǎn)火器的交直流變換電路，如圖5所示。

圖5 Durag高壓脈沖點(diǎn)火器交直流變換電路

220V交流電由中心控制室控制現(xiàn)場(chǎng)的接觸器K1使觸點(diǎn)閉合，電流流過(guò)電源熔斷絲F1后，由電容C1和C2進(jìn)行高頻濾波，電感L1和L2濾除電網(wǎng)中的噪聲干擾(同時(shí)也防止其電源工作時(shí)產(chǎn)生的諧波干擾竄入其他電網(wǎng)形成污染)，C3再次進(jìn)行高頻濾波，得到較純凈的正弦波電壓，加到橋式整流濾波電路，經(jīng)整流橋進(jìn)行單向橋式整流，電容C4濾波后獲得平滑的約300V的直流電壓。

1.2直交流變換

直交流變換(即高壓點(diǎn)火變換器的作用)是將直流電變換成一定頻率的交流電，按照驅(qū)動(dòng)類型的不同，變換器分為它激式驅(qū)動(dòng)和自激式驅(qū)動(dòng)[3]。它激式驅(qū)動(dòng)就是通過(guò)外加IC集成芯片為主電路提供驅(qū)動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是電路工作原理簡(jiǎn)單，電路參數(shù)易于設(shè)計(jì)，工作性能可靠；而自激式驅(qū)動(dòng)不需要外部IC，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)自內(nèi)部[4]。

此部分的變換就是典型的開關(guān)電源中的集成電路它激式開關(guān)部分(圖5)。

整流濾波得到的約300V的直流電，再次經(jīng)電感L3濾波加至脈沖升壓器(即BV.73665 19 DT61 NK型開關(guān)變壓器)的初級(jí)線圈的一端。另一端接至大功率NPN型開關(guān)管的集電極上。開關(guān)管基極連接的V1是由集成塊MC14060B、電阻和電容組成的脈寬控制器(圖5)，由脈寬控制器推動(dòng)開關(guān)管的導(dǎo)通與截止，這樣在升壓變壓器中形成交變磁場(chǎng)，通過(guò)升壓器的次級(jí)線圈感應(yīng)出交變電流，以約1kV的高壓輸出。圖5中的R1、C8、D7組成的是尖峰吸收回路，可避免開關(guān)管在截止時(shí)因其集電極的尖峰電壓過(guò)高而損壞[5]。

電路中的NPN型開關(guān)管型號(hào)為BUX48A，具有高電壓性能、大電流輸入輸出和轉(zhuǎn)換速度快的特點(diǎn)，被廣泛用于開關(guān)電源模式，其主要參數(shù)如圖6所示。

圖6 開關(guān)管的主要參數(shù)

驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的脈寬控制芯片為MC14060B，是14位二進(jìn)制移位計(jì)數(shù)器芯片，攜帶有振蕩器緩沖區(qū)，可配置RC或晶體振蕩器電路。該芯片具有復(fù)位功能，被應(yīng)用于延時(shí)電路、計(jì)數(shù)器控制和分頻電路。MC14060B的外形如圖7所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖7 MC14060B的外形

圖8 MC14060B的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

利用MC14060B很方便地配置成RC振蕩電路(圖9)，電路中元器件選擇的要求與振蕩頻率的計(jì)算式為：

(6)

if 1Hz≤f≤1kHz then 2Rtc

圖9 RC振蕩電路

改變振蕩頻率可以通過(guò)調(diào)節(jié)電容Ctc的參數(shù)，

要求電阻Rtc的阻值不超過(guò)1MΩ。

2 點(diǎn)火系統(tǒng)組成與工作原理

經(jīng)過(guò)脈沖升壓變壓器升壓后，進(jìn)行高壓半波整流、RC濾波、電感濾波并由一定頻率的脈沖發(fā)生器控制可控硅的通斷加至主燃燒爐中的點(diǎn)火槍，放電產(chǎn)生火花實(shí)現(xiàn)高能點(diǎn)火的目的，其結(jié)構(gòu)框圖[2]如圖10所示，電路如圖11所示。

圖10 點(diǎn)火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖11 點(diǎn)火電路

脈沖變壓器升壓后分兩路輸出，一路為點(diǎn)火用的高壓，另一路經(jīng)半波整流濾波并由三端集成穩(wěn)壓器LM7812穩(wěn)壓12V后向輔助電路供電。產(chǎn)生的接近1kV的高壓支路由5只高壓整流管整流，這5只高壓整流管相當(dāng)于組成一支高壓硅堆。

高壓硅堆由多只高壓整流二極管(硅粒)串聯(lián)組成，是高壓整流中將交流電變成直流電必不可少的器件，具有耐壓高、耐沖擊和可靠性高的特點(diǎn)，性能良好的高壓硅堆的正向電阻在200kΩ以上，反向電阻達(dá)數(shù)百兆歐，其外形與結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖11中，C6為高壓濾波電容，此電容容量為4μF，承受額定直流電壓為1 200V。Q2為單相可控硅，陽(yáng)極與陰極正向連接，控制極與陰極被V2控制，V2是脈沖控制器，控制可控硅的通斷，因此可控硅為無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)控制高壓的輸出。D8為續(xù)流二極管，與濾波電感、負(fù)載(點(diǎn)火槍)形成閉合回路，當(dāng)可控硅截止時(shí)電感產(chǎn)生的高壓電動(dòng)勢(shì)以續(xù)電流方式消耗，從而保護(hù)電路中元件不被損壞。Durag脈沖產(chǎn)品中用的單相可控硅與續(xù)流二極管為一體，其內(nèi)部電路[2]如圖13所示。

圖12 高壓硅堆的外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖13 Durag脈沖可控硅模塊內(nèi)部電路

單相可控硅的特性：當(dāng)陽(yáng)極接正向電壓，陰極接反向電壓，控制極與陰極之間接正向電壓時(shí)(即控制電壓)就會(huì)變成導(dǎo)通狀態(tài)。一旦導(dǎo)通，控制電壓便失去了對(duì)它的控制作用，不論有沒有控制電壓，也不論控制電壓的極性如何，將一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。要想關(guān)斷，只有把陽(yáng)極電壓降低到某一臨界值或者反向。

根據(jù)可控硅特性與系統(tǒng)框圖，當(dāng)交流接觸器使用220V交流電輸入時(shí)，可控硅處于正向連接狀態(tài)，當(dāng)一個(gè)控制信號(hào)觸發(fā)脈沖發(fā)生器使之產(chǎn)生高低電頻的脈沖，脈沖的高電平加到可控硅的控制極，從而使之導(dǎo)通，高壓就輸出到主爐里的點(diǎn)火槍，可控硅就不再受脈沖發(fā)生器的控制。若要關(guān)斷可控硅則使交流接觸器切斷220V交流輸入。

圖11中的R11是高壓濾波電容泄放電阻，當(dāng)220V交流電被切斷時(shí)，高壓電容通過(guò)泄放電阻R11放掉高壓濾波電容中的剩余電荷，可控硅就被截止。實(shí)際電路板上是將泄放電阻直接并接到高壓濾波電容的兩個(gè)引腳上，其阻值較大。R3～R8串聯(lián)達(dá)到一定的阻值進(jìn)行分流起到電路保護(hù)的作用。R2是可控硅的限流電阻，因?yàn)楫?dāng)可控硅導(dǎo)通時(shí)，必定產(chǎn)生很大的沖擊電流或是變壓器的半個(gè)周期尖峰到來(lái)時(shí)有可能損壞整流管和可控硅，所以此電阻起限流作用，同時(shí)它與濾波電容組成了RC濾波器，是為了提高濾波效果。點(diǎn)火電路中的L4為濾波電感，濾除電路中的高頻成分。

3 主要故障檢修要點(diǎn)和方法

首先判斷點(diǎn)火槍是否良好，接線是否牢固可靠。如果已檢查點(diǎn)火槍是良好的，則故障在點(diǎn)火器上；如果點(diǎn)火器因某種原因燒壞，在沒有新的點(diǎn)火器替換時(shí)，或是已有配件的情況下，可以按照下述方法進(jìn)行檢維修。

3.1交直流變換部分的檢查

首先檢查接觸器上是否有220V交流電，由中控室給出輸出控制信號(hào)，檢查接觸器上的220V交流電是否輸入到點(diǎn)火器的交直流變換接線端，若無(wú)，則檢查交流接觸器的線圈是否燒斷；若有則檢查熔斷絲是否熔斷。若已斷，說(shuō)明電路中有嚴(yán)重短路現(xiàn)象，應(yīng)拆下點(diǎn)火器單獨(dú)供電，檢查開關(guān)管集電極的300V直流電是否正常，若無(wú)300V直流電壓，應(yīng)檢查開關(guān)管是否被擊穿、濾波電容是否漏電或擊穿、整流橋里的二極管是否被擊穿。如果熔斷絲沒有斷且無(wú)300V直流電壓，說(shuō)明整流濾波前級(jí)電路有開路故障，如整流橋被燒壞、電網(wǎng)濾波線圈被燒斷。若整流電路有300V直流電，則說(shuō)明整流濾波電路無(wú)問(wèn)題。如果脈沖變壓器次級(jí)無(wú)電壓輸出，則故障應(yīng)在開關(guān)振蕩電路，如開關(guān)管開路、振蕩器的供電電路故障或被燒壞等。

3.2高壓輸出部分的檢查

這部分電路器件不多，很容易檢查元器件的好壞。如檢查脈沖變壓器次級(jí)線圈是否良好、用機(jī)械萬(wàn)用表檢查高壓濾波電容是否漏電或擊穿及濾波線圈是否燒斷、檢查晶閘管是否良好、高壓整流管是否燒斷或擊穿及電阻有無(wú)黑斑現(xiàn)象等。

4 結(jié)束語(yǔ)

Durag脈沖點(diǎn)火器在天然氣凈化廠使用時(shí)間比較長(zhǎng)，故障率很低，由于產(chǎn)品都是進(jìn)口的，其技術(shù)資料幾乎沒有。如果產(chǎn)品被燒壞，多數(shù)情況下是不計(jì)成本地?fù)Q成新的設(shè)備。如果沒有或來(lái)不及更換新的產(chǎn)品，或是有備用配件情況下，只要掌握其電路原理和故障檢測(cè)方法，找到故障點(diǎn)，換上相應(yīng)的配件點(diǎn)火器即可恢復(fù)正常工作，既提高了檢修技能，又節(jié)約了新產(chǎn)品購(gòu)置費(fèi)。

[1] 張曉鵬,胡紅利,周玉銘.幾種進(jìn)口燃燒機(jī)高壓點(diǎn)火裝置的比較[J].高壓電器,2001,37(2):36～40.

[2] 童詩(shī)白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[J].北京:高等教育出版社,2001.

[3] 劉晨陽(yáng).氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].杭州:浙江大學(xué),2005.

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1000-3932(2016)01-0100-05

2015-11-05(修改稿)