10T真空電弧爐用40kA直流電源的研制與應用

　　1.引言

　　直流真空熔煉是稀貴金屬及高性能合金鋼熔煉所必須采用的工藝，因而真空電弧爐及配套電源的設計是這種應用場合的關鍵與根本，近十年來我國直流真空自耗熔煉爐的設計與制造技術水平飛速發(fā)展，國產(chǎn)真空自耗熔煉爐單爐熔煉鈦的重量已從原來常用的1T提升到10T，國產(chǎn)真空自耗凝殼爐單爐熔煉鈦的重量已從原來常用的260kg提高到800kG，至2010年末，國產(chǎn)10T鈦真空自耗熔煉爐及3T鋼真空自耗熔煉爐和800kG凝殼爐相繼投入運行，這三種填補國內(nèi)空白的熔煉系統(tǒng)之供電電源都由我們研制，其中吸收了從世界名牌真空電弧爐成套廠---德國ALd公司進口設備的許多先進技術，本文介紹用于國產(chǎn)10T鈦合金熔煉真空自耗爐的2×20kA/60V直流電源的設計及使用情況，熱望能推進我國此行業(yè)的發(fā)展。

　　2.原理與設計

　　10T鈦合金熔煉真空自耗爐工藝要求配套直流電源輸出額定參數(shù)為40kA/60V，在此之前國產(chǎn)的此類用途的電源容量最大僅30kA/50V，圖1給出了系統(tǒng)的總原理框圖，從圖顯見，其構成可分為主電路及控制電路兩大部分，下面分別分析各部分的工作原理。

　2.1 主電路

　　主電路采用10kV經(jīng)兩級變壓器直接降壓再晶閘管可控整流的方案，為降低注入電網(wǎng)的諧波含量采用12相可控整流方案，另考慮到熔煉過程中起弧電壓為60V，而熔煉電壓僅40V左右，功率因數(shù)很低的實際工況，主電路中增加了功率因數(shù)補償環(huán)節(jié)，圖2給出了主電路的原理圖，圖中應用了兩套雙反星形可控整流單元并聯(lián)，其中圖2的上半部分給出了主電路中的降壓匹配變壓器部分。可控硅

　　(1)降壓匹配變壓器

　　顯見，電網(wǎng)10kV先由第一級降壓變壓器降為690V，再由兩臺一次分別接為三角形與星形的整流變壓器降壓，這樣設計的目的是為了將第二級整流變壓器與可控整流部分裝于一個柜體中，構成一體化電源，避免10kV輸入整流變壓器與整流單元裝在一個柜體中，因電壓太高，給結構設計帶來的不便，同時從根本上解決了多年來，國產(chǎn)這類電源整流變壓器放于柜外，現(xiàn)場安裝整流變壓器與整流柜之間大截面銅母排極難安裝，工作量巨大的問題，使現(xiàn)場的安裝工作量達到最小，更為可貴的是減小了整個電源的體積，縮小了占地面積，此結構方案是吸收了世界名牌真空電弧爐成套廠---德國ALd公司的先進技術設計與研制的，圖中變壓器T1采用油浸自冷，而整流變壓器T2與T3采用干式水冷，CT1—CT5為進行690V側交流電流取樣的電流互感器，其作用表現(xiàn)在一則為直流霍爾電流

　　傳感器失效后，原電流閉環(huán)系統(tǒng)變?yōu)殚_環(huán)運行故障的過電流保護提供電流取樣信號，二則為功率因數(shù)控制器提供對功率因數(shù)進行計算的電流取樣信號，UT為電壓互感器，它用來把690V電壓變?yōu)楣β室驍?shù)控制器需要的100V標準信號，作為功率因數(shù)控制器計算功率因數(shù)的電壓依據(jù)。

　　(2)可控整流部分

　　該部分的電路原理構成如圖2中的下半部分，其應用了常用的兩個雙反星形可控整流電路并聯(lián)，圖中HL1與HL2為兩個霍爾電流傳感器，用于檢測每個整流部分輸出的實際電流值，提供給閉環(huán)調(diào)節(jié)器及保護單元與顯示環(huán)節(jié)，一則保證在同一個輸出電流設定值下，兩個雙反星形可控整流部分每個承擔負載電流的一半，另一方面在對實際運行電流進行實時顯示的同時，監(jiān)控運行狀況，若超過實際值，則進行有效迅速的保護。

　　(3)功率因數(shù)補償?shù)闹麟娐?/p>

　　幾乎所有的真空熔煉爐(包括自耗電極熔煉爐和凝殼爐)，都存在一個共性問題，這就是空載起弧電壓高，隨單爐可熔煉金屬材料重量的不同為50～75V，熔煉過程中熔化電壓又低，一般隨單爐可熔煉金屬材料重量的不同為30～45V，由此造成不論其使用的直流電源是先應用整流變壓器降壓，后晶閘管可控整流的方案，還是先采用飽和電抗器調(diào)壓，后整流變壓器再降壓，整流管整流的方案，運行時其功率因數(shù)都很低，一般為0.45～0.7，為解決本10T鈦合金熔煉真空自耗爐用40kA直流電源系統(tǒng)功率因數(shù)太低的問題，我們在國內(nèi)首次在此領域使用的可控整流電源系統(tǒng)中，增加了按熔煉過程中實際負荷功率大小自動調(diào)節(jié)功率因數(shù)的環(huán)節(jié)，該部分的主電路構成如圖2中的右上角所示，圖中DZ1～DZ3為進行電容短路故障保護的自動空氣斷路器，KM3～KM5為用來按實際功率因數(shù)大小自動投切補償支路的接觸器，L1、C1～L3、C3分別為三個支路的防止諧波放大的電抗器和功率因數(shù)補償電容器，該功率因數(shù)補償主電路的工作原理為：裝于控制回路的功率因數(shù)控制器，根據(jù)UT與CT1的電壓與電流取樣信號，實時計算功率因數(shù)，并按計算結果與目標值0.95的差別，按8421編碼的組合，輸出控制KM3～KM5中一個、兩個、三個閉合，按功率因數(shù)的實際需要投入相應的補償電容，滿足無論是化一次錠還是化二次錠，在輸出直流電流從10kA～40kA變化的整個工作范圍內(nèi)，都可以保證690V側的功率因數(shù)既不低于0.95又不高于1.0。

　　2.2 可控整流部分的控制電路

　　可控整流部分的控制電路分為給定積分、閉環(huán)調(diào)節(jié)器、電壓電流檢測與處理、同步環(huán)節(jié)、觸發(fā)脈沖形成、保護監(jiān)控電路，限于篇幅本文僅介紹幾個關鍵的單元電路，其余電路可參考文獻3。

　　(1)閉環(huán)調(diào)節(jié)器

　　由于真空電弧爐有起弧、熔煉、補縮等工藝過程，起弧時電壓高為空載電壓、熔煉工作時電弧電壓僅是直流電源輸出空載電壓的一半，熔煉過程中又希望構成穩(wěn)定度很好的恒流源，另一方面為防止起弧時電壓太低無法起弧或起弧電壓太高擊穿坩堝，我們設計了圖3所示的起弧時為穩(wěn)壓源，熔煉時恒流控制的可按負載工況自動轉換的動態(tài)雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器，圖中IC4B與IC4A分別和外圍元器件一起構成PI調(diào)節(jié)器，UF與IF分別為來自電壓與電流檢測環(huán)節(jié)的輸出信號，電壓與電流的檢測分別使用了霍爾電壓傳感器與霍爾電流傳感器，IC2為電子開關CD4066，當起弧前因IF幾乎為零，比較器IC3A輸出高電平，模擬開關IC2中的引腳

　　6為低電平，引腳12為高電平，其內(nèi)部引腳11與10接通，反饋為電壓反饋，電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)器工作，構成電壓閉環(huán)，當起弧成功后，由于電流值通常已達幾千安培，比較器IC3A輸出低電平，模擬開關IC2中的引腳12變?yōu)榈碗娖?，電壓調(diào)節(jié)器輸出支路因IC2的引腳11與10斷開而退出運行，同時IC2的引腳6變?yōu)楦唠娖?，電流調(diào)節(jié)器輸出支路因IC2的引腳8與9接通而投入運行，電流取樣值作為調(diào)節(jié)器的反饋信號送入電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器，從而保證直流電源輸出為穩(wěn)定度很好的恒流源，滿足熔煉過程中高精度穩(wěn)定直流電流輸出的需要。

　　(2)同步環(huán)節(jié)

　　10T鈦合金熔煉真空自耗爐用2×20kA/60V直流電源，應用了光耦合器作為觸發(fā)脈沖形成單元前級的

　　同步環(huán)節(jié)，省去了常規(guī)使用的同步變壓器，使同步環(huán)節(jié)的體積及損耗都得以減小，且為構成相序自適應的觸發(fā)器奠定了很好的基礎，圖4中6個光耦合器VLC1～

　　(3)觸發(fā)脈沖形成

　　觸發(fā)脈沖形成環(huán)節(jié)的原理電路如圖4所示，其核心單元IC7為陜西高科電力電子有限責任公司應用CPLD芯片開發(fā)的準數(shù)字化觸發(fā)集成電路芯片SGK198，該觸發(fā)器利用對閉環(huán)調(diào)節(jié)器輸出電壓變換為與此電壓相適應的頻率脈沖信號，在SGK198內(nèi)對這一脈沖信號進行6分頻計數(shù)的方法來獲得6路觸發(fā)脈沖輸出，6路觸發(fā)脈沖形成的計數(shù)器開始計數(shù)的時刻由同步環(huán)節(jié)輸出的6路同步信號的后沿所決定，由此可見，閉環(huán)調(diào)節(jié)器輸出電壓值高，說明反饋小于給定，且誤差較大，圖4差分器IC4C輸出電壓便低，壓控振蕩器輸出的頻率便低，計數(shù)器計滿的時間便長，輸出觸發(fā)脈沖便距同步信號后沿距離便遠，相當于控制角α減小，整流輸出直流電壓便增加，反之，當閉環(huán)調(diào)節(jié)器輸出電壓較小時，說明用戶設定的直流電源輸出運行參數(shù)與實際運行參數(shù)誤差較小，圖4中差分器IC4C輸出電壓便高壓控振蕩器輸出頻率便高，計數(shù)器計滿的時間便短，輸出觸發(fā)脈沖的時刻便距同步信號后沿距離便近，相當于控制角α增大，晶閘管的導通角減小，輸出直流電壓降低。

　　(4)監(jiān)控保護單元

　　10T鈦合金熔煉真空自耗爐用2×20kA/60V直流電源，應用PLC完成運行狀況的監(jiān)控及故障時的保護工作，圖5給出了監(jiān)控與保護環(huán)節(jié)的軟件流程框圖，該軟件隨時監(jiān)控主電路中對應與晶閘管串聯(lián)的48只快速熔斷器的報警開關輸出及裝于水冷母排上的報警用溫度開關的接點閉合與否，由于兩臺整流電源共用了48只晶閘管元件，報警信號很多，常規(guī)的設計對應每一個故障點，需要一個PLC的輸入端口，為減小PLC系統(tǒng)的硬件配置，本電源系統(tǒng)采用了一種矩陣式編程方法，從而使系統(tǒng)硬件得以簡化，同時在軟件編程時根據(jù)電弧熔煉的特殊要求，增加了給定不為零不能合閘起動，主電路合分閘都在脈沖封鎖狀態(tài)下進行，補償與濾波電源輸出功率達到一定值時才投入，在切除

　　電源功率前先切除功率因數(shù)補償單元，從而有效的防止了次諧波振蕩及過補償狀況的發(fā)生。

　　(5)熔速控制及自動給定

　　為了滿足全自動熔煉的需要，本電源通過與爐子工況及熔煉控制的上位計算機之間的通訊，實現(xiàn)了自動熔煉時的按曲線給定，控制單元通過PLC的接口接受上位計算機輸出的按工藝設定輸出電流指令，在PLC內(nèi)轉換為相應的模擬給定電壓從PLC的模擬輸出口輸出，控制觸發(fā)脈沖的控制角相位，達到調(diào)節(jié)及穩(wěn)定輸出電流的目的，并在國內(nèi)首次使用了熔速控制，使控制達到了很好的效果。

　　(6)應用電流斷續(xù)補償擴大電流穩(wěn)定不斷弧范圍

　　由于自耗電極真空熔煉爐工藝有起弧、熔煉、補縮等工藝過程，為了保證成品錠快熔化完時使錠子端口盡可能的平整，提高熔化錠子成品率，要求補縮電流盡可能的小，盡管在主電路中直流輸出端增加了平波電抗器Lo，但也很難使輸出直流電流達到全范圍連續(xù)，因而在控制回路中增加了電流斷續(xù)的補償環(huán)節(jié)，使補縮時的電流連續(xù)穩(wěn)定工作范圍達到了最小電流不大于500A的良好效果。

　　(7) 功率因數(shù)補償環(huán)節(jié)的控制

　　由于真空自耗熔煉爐工藝過程較為復雜，工作時

　　開始初始化封脈沖有否電源冷卻水壓給定設定為零?高壓合閘合閘到位否?解封鎖按給定輸入設檢測實際電壓有否故障信號?有停機信息?封脈沖 停機有 有不正常缺相故障?水流量正常?否正常無是未到位到位無無有 電流故障報警置輸出調(diào)節(jié)大小分斷高壓給定設定為零?是否

　　圖5 PLC監(jiān)控保護單元的軟件流程框圖

　　分起弧、熔煉、補縮、停機等工藝流程，同時對應不同的工作段，要求電源輸出穩(wěn)定運行的電流與電壓值不同，由此造成電源運行時其功率因數(shù)與注入電網(wǎng)的諧波電流含量會有很大不同，這就決定了對其功率因數(shù)補償和諧波治理要采取變化的參數(shù)與結構。只有這樣才能達到在整個工藝過程中都可保證功率因數(shù)不低于國標允許值，而注入電網(wǎng)的諧波電流不超過國標允許值，因本10T真空自耗爐用直流電源采用12脈波可控整流方案，總體裝機用電容量并不大，所以其注入電網(wǎng)的諧波含量是滿足國標《GB/T 14549-93電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定的，因而在本系統(tǒng)中僅考慮功率因數(shù)補償，而未設置諧波濾波，只是功率因數(shù)補償?shù)目刂齐娐?，既要滿足起弧、熔煉、補縮、停機等工藝流程的需要，又要適合熔煉一次錠、二次錠、合金錠及錠子直徑不同對直流電源輸出電流的要求不同的需要，為此設計了專門的控制器，控制器內(nèi)對電源的功率因數(shù)按輸入的電壓和電流值隨時進行計算，并按熔煉工況及錠子種類和實際使用電流的不同，按8421組合決定投入多大的補償容量，既嚴格保證在整個工作周期中，補償后的功率因數(shù)大于0.95，且使諧波不被放大，又可靠的按當電源負荷達到一定值時，功率因數(shù)補償支路才投入，而當電源負荷小到一定值時，功率因數(shù)補償支路先切除，在直流電源停機時，先退出功率因數(shù)補償支路，再斷開圖2中的斷路器DLQ，保證不發(fā)生次諧波震蕩及諧波放大等不正常情況。

　　3. 實用效果簡介

　　上述10T鈦合金熔煉真空自耗爐用2×20kA/60V直流電源，已成功的用于我們研制的國內(nèi)首臺10T電弧爐熔煉系統(tǒng)中，整流變壓器、直流平波電抗器、晶閘管整流單元、控制環(huán)節(jié)、純水冷卻器、進線斷路器全部裝于兩個柜體中，每個整流柜系統(tǒng)輸出20kA/60V，使用中兩柜并聯(lián)運行，經(jīng)實測穩(wěn)流精度高于1%，功率因數(shù)不論是在熔化一次錠還是二次錠，電源輸出電流穩(wěn)定運行范圍10kA～40kA，全范圍內(nèi)都不低于0.95，注入電網(wǎng)的諧波電流含量低于國標允許值，補縮工況最小可連續(xù)穩(wěn)定運行電流為500A,現(xiàn)場安裝僅需連接交流三相輸入690V電纜線及直流輸出正負母排和外循環(huán)水兩根水管，安裝甚為方便，運行穩(wěn)定可靠，達到了十分理想的設計與運行效果。

　　4.結 論

　　綜上分析，我們可得下述結論：

　　(1)10T鈦合金熔煉真空自耗爐用2×20kA/60V直流電源的研制成功，填補了國內(nèi)空白，它把整流變壓器、平波電抗器、純水冷卻器、整流及控制和保護等單元裝于一個柜體中，縮短了引線尺寸及占地面積，減小了現(xiàn)場安裝工作量，是個很好的方案。

　　(2)文中介紹的同步環(huán)節(jié)及觸發(fā)脈沖形成電路設

　　計的較為巧妙，可推廣到低壓可控整流系統(tǒng)。

　　(3)電壓與電流可根據(jù)工況自動切換的閉環(huán)調(diào)節(jié)器設計，兼顧了穩(wěn)定輸出電壓與輸出電流的不同需要是個不錯的設計方案。

　　(4)采用12脈波可控整流，同時增加動態(tài)功率因數(shù)補償環(huán)節(jié)，通過巧妙的控制器設計，滿足了真空自耗熔煉爐的復雜運行工況要求，使運行時的功率因數(shù)較高，并保證了注入電網(wǎng)的諧波不被放大，在該行業(yè)為首創(chuàng)，在國內(nèi)真空自耗熔煉爐及凝殼爐電源的系統(tǒng)配置中具有推廣性。

　　(5)文中介紹的PLC監(jiān)控與保護單元應用矩陣式軟件編程方法，使需要的硬件配置要求得以降低，節(jié)約了成本，具有創(chuàng)新性。

　　(6)理論分析和實用效果都證明了，上述方案的可行性，毫無疑問，其應用前景將是十分廣闊的。

　　參考文獻

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　　[5] 李 宏，常用電力電子變流設備器件及集成電路應用指南，第一分冊 電力半導體器件及驅(qū)動集成電路(M)，北京：機械出版社，2001.5

　　作者簡介：

　　李宏，男，現(xiàn)年52歲,西安石油大學電子工程學院教授，發(fā)表論文200多篇，出版專(編)著15部，獲中國人民解放軍空軍科技進步三等獎1項?，F(xiàn)兼任中國電工技術學會電力電子學會理事、中國電工技術學會電氣節(jié)能研究會理事、中國電源學會特種電源專業(yè)委員會常務委員、中國電工技術學會電力電子學會學術委員會委員、陜西省電源學會常務理事、主要研究方向為電力電子技術、電氣傳動技術、特種電源技術及專用集成電路的開發(fā)和應用技術。主持設計與電力電子有關的工程項目近110個，研制開發(fā)的電力電子成套裝置380多臺套，運行于國內(nèi)電力、冶金、化工、石油、機械、電子、核工業(yè)、軍工等行業(yè)，并已出口到東南亞，還裝備了中國人民解放軍空軍導彈部隊及陸軍科研所，開發(fā)的晶閘管、GTR、IGBT專用驅(qū)動控制板累計在全國銷售15000多塊，主編的實用電力電子技術資料在全國28個省市銷售近30000多冊。