磁控管作工业波源的微波电路分析

【摘要】橡胶制品生产中，为提高表面光洁度及加速定型，采用微波硫化工艺。介绍用小功率民用磁控管作工业波源的微波电路结构，并针对设备连续使用中出现的故障，分析原因并提出整改措施。实践证明，改进后的微波设备工作稳定性提高，故障率明显下降。

【关键词】磁控管；微波；调功；高压

【中图分类号】TN123【文献识别码】A【文章编号】2095-3518（2016）06-63-02

复合橡胶制品从口模挤出后，采用微波硫化工艺使制品外表面快速固化定型。磁控管是产生微波的核心器件（波源），早期多采用进口的工业磁控管。工业磁控管每只功率在3-6KW不等，供货周期长，售价昂贵；另外，磁控管是高真空器件，长时间存放会导致真空度下降，影响产品的使用寿命，所以不易多备。基于以上原因，近年国内微波厂家选择民用磁控管作工业波源，以降低设备成本。某橡胶密封件公司新进的一条国产橡胶挤出线，微波硫化采用民用磁控管作波源。设备投入使用后，故障率较高，给生产造成影响，维修人员常需对微波进行检修。由于微波的启动、停止操作及输出功率调节均由触摸屏集中完成，加上采用小功率民用磁控管，其电路结构与进口微波设备存在差异。为提高维修效率，有必要对其硬件电路剖析了解。下面先介绍国产微波硫化设备的电路结构，并针对常出现的故障，分析原因并提出相应的改进和防范措施。

1电路结构

国产微波硫化设备有12只磁控管（型号：M210—900W），每只额定功率900W，总功率10.8KW。电路设计时将波源分为4组，每组3只磁控管，微波自带的触摸屏（从屏）组态有4组开关。民用磁控管功率小，发热量不高，工作时阳极不需要水冷却，轴流风机风冷即可。另外，微波输出功率调节靠改变磁控管阴极灯丝电压，与调节磁场电流的工业磁控管相比，电路结构相对简单，主要包括调功输出和灯丝高压电路两部分。

1.1调功输出

调功指令是用户通过从触摸屏设定的微波功率输出百分比信号，最小设定单位为1%，信号经处理、转换后控制主回路调功模块的输出，控制关系如图1所示。设备工作时，操作人员通过设备的从触摸屏启动微波，设定期望功率输出的百分比参数。调功指令经从触摸屏向主触摸屏传送，最后与可编程序控制器的CPU模块通信，根据触摸屏组态界面的变量链接，调功指令作为可编程序控制器（PLC）的输入信号被采样处理，PLC程序的执行结果通过输出模块控制相应组别波源的主接触器动作，输出3相380V交流电源至调功模块TM1—TM4；另外，根据设定各组微波功率输出百分比参数的不同，PLC模拟量输入通道接收设定数字量信号，程序处理后通过D/A转换从模拟量输出通道输出1-5VDC的电压信号，控制对应组别的调功模块输出。主接触器吸合前提下，调功模块输出0-380VAC可调的交流电压至高压变压器原边。调功模块部分电路见图2。

1.2灯丝高压

灯丝高压电路见图3。国产微波硫化槽的4组波源结构组成完全相同，故灯丝高压电路仅画出其中1组进行分析。以民用磁控管作工业波源的微波设备输出功率调节，靠改变磁控管的阴极灯丝高压来实现，与调节磁场电流来改变输出功率的工业磁控管电路明显不同。微波工作时，调功模块输出电压至高压变压器原边，高压变压器副边3-4经电容倍压后送入高压桥堆整流，整流后的直流高压叠加到磁控管阴极灯丝（高压变压器副边5-6电压为3.4V，接至磁控管阴极灯丝）。灯丝电路设计时，磁控管阳极接地，阴极加负高压。正常工作时，变压器原边1-2输入220V交流电压，副边3-4输出为2100VAC，经倍压、整流后灯丝电压最高可达4100VDC，调节变压器原边1-2电压，灯丝负高压随之改变，热态下阴极灯丝发射电子数目相应改变，从而起到调节微波输出功率的目的。

2常见故障的防范改进

2.1常见故障

国产微波硫化槽常见故障有：磁控管损坏、同一组波源输出功率不平衡、高压元件击穿、高压熔断器熔断、调功模块损坏等。

2.2防范及改进措施

2.2.1增加热保护功能国产微波的民用磁控管，单管售价不足300元，设计寿命为4000小时，与报价动辄数万元的工业磁控管相比，有明显的价格优势。设备最初使用时，一些磁控管工作不足500小时就损坏，除了磁控管自身质量问题以及长期连续工作状态导致寿命缩减外，磁控管冷却是一个非常重要的因素。前面介绍了民用磁控管冷却主要靠轴流风机散热，当轴流风机发生故障或磁控管积尘影响散热时，工作状态的磁控管温度会迅速升高，导致过热损坏。针对此情况，在使用中除定期清尘外，可将微波电路作相应改动，增加热保护功能。具体做法是在每只磁控管及高压变压器上贴附安装热敏温控元件，温控元件的常闭触点串联接入高压变压器的原边回路（详见图2中的1-12TJ及TJ1-12）。经向微波生产厂家咨询，磁控管温控元件的的动作温度选为140℃，高压变压器上温控元件的的动作温度选为120℃，均低于工作器件的额定温升。当某波源磁控管或高压变压器的温度超过温控元件的动作温度时，温控元件常闭触点断开，切断该波源的高压变压器输入电压，使磁控管停止工作。上述方法简单实用，通过加装热敏温控元件，有效延长了磁控管使用寿命。2.2.2增加压敏保护功能高压元件的击穿是微波设备的又一常见故障。在灯丝高压电路中，整流桥堆及倍压电容是易损件，高压击穿较多。针对这一现象，订购备件时有针对性的提高了整流桥堆反向耐压值，由6000V上升到8200V，并在灯丝高压电路的倍压电容两端并接吸收浪涌的硒堆，可有效增长高压元件的平均无故障时间。压敏保护硒堆SV详见图3。2.2.3接线端子排处理微波调功模块输出端用瓷接线端子排接至高压变压器原边绕组1-2，变压器副边高压绕组3-4输出的高压又经该端子排接至相关器件。高、低压绕组在端子排上的间距非常近（约10mm）、加上接线不易稳固，端子排背面的接线螺丝、与固定金属支架的距离近等问题，在使用中曾发生对地短路，高压熔断器熔丝熔断故障。对存在安全隐患的接线端子排作如下改进：加大端子排高、低压绕组间的接线间距（25mm以上），增加端子排与支架高度，紧固接线并对端子排背面的螺丝进行绝缘处理，以提高设备的安全性。2.2.4输出功率不平衡问题微波工作时输出功率与控制信号无线性关系，输出功率过高或过低都会导致磁控管工作不稳定，并对其使用寿命造成影响。国产微波硫化设备的电路设计时，高压变压器原边的理想工作电压为150-200V，当原边电压低于150V时微波输出功率小或不输出，磁控管在额定功率的70-85%范围内工作时状态最佳。当用户设定的功率输出百分比过大，会导致三相调功模块稳定性变差，内部振荡频率升高，热耗增大，长期工作过热损坏；同时，调功模块输出至高压变压器原边的电压出现不平衡，由于负载差异、变压器绕组差异等综合因素影响，同一组波源的高压变压器原边电压不平衡加剧，当设定输出功率百分比参数增大时，电压的差距拉大，造成电流表指示高的越高，低的越低。要解决输出功率不平衡问题，一个可行的办法是改用单相调功模块。单相调功模块在控制信号作用下输出可调单相交流电压，该电压并联接入同一组波源的3个高压变压器原边，确保同一组变压器原边电压相等，可在一定程度上消除因功率增大而导致的输出不平衡、调功模块损坏等故障。采用单相调功模块后，同一组波源的输出功率设定为95%时，仍可实现稳定平衡输出。

3结语

国产微波硫化设备整改后，工作稳定性提高，磁控管寿命延长至1500小时左右，维修人员的工作量大大减小。实践证明，微波电路改造的思路正确，整改措施有力、可行。

参考文献

[1]马世宁,孙晓峰,朱乃姝.微波修复技术研究与发展[J].中国表面工程,2010,(4):12-13.

[2]廖常初.PLC基础及应用[M].北京:机械工业出版社,2007.

作者：于生 单位：广西机电职业技术学院