10t真空電弧爐用40 kA直流電源的研制與應(yīng)用

摘要：介紹了填補(bǔ)國內(nèi)空白的國產(chǎn)最大10 t真空自耗電弧爐用2x20 kA／60 V直流電源的系統(tǒng)構(gòu)成。主電路采用12脈波雙反星型可控整流，觸發(fā)脈沖有相位自適應(yīng)功能；高性能功率因數(shù)補(bǔ)償控制器與8421編程的分組補(bǔ)償容量配置，保證了投入補(bǔ)償容量跟蹤實(shí)際功率因數(shù)實(shí)時(shí)值變化，輸出直流電流在10～40 kA的整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)功率因數(shù)都高于0．95；根據(jù)工藝狀況起弧、熔化、補(bǔ)縮階段的差異，變結(jié)構(gòu)的電壓與電流調(diào)節(jié)器狀態(tài)根據(jù)負(fù)載工況自動(dòng)切換，適應(yīng)熔化重量不同錠子對(duì)輸出電流大小的相異要求，穩(wěn)流精度高達(dá)0．5％；矩陣式軟件設(shè)計(jì)簡化了PLC監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，取得了很好的控制與監(jiān)控效果。
關(guān)鍵詞：直流電源；真空電弧爐；電路設(shè)計(jì)

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，真空電弧爐及配套電源是其中的關(guān)鍵設(shè)備。我國熔煉鈦的直流真空自耗熔煉爐，單爐熔煉重量已從原來常用的1 t提至10 t，這里介紹了用于國產(chǎn)10 t鈦合金熔煉真空自耗爐的2×20 kA／60 V直流電源的設(shè)計(jì)及使用情況。

2 原理與設(shè)計(jì)
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40 kA／60 V，其構(gòu)成可分為主電路及控制電路兩部分。
2．1 主電路
主電路采用10 kV經(jīng)兩級(jí)變壓器直接降壓再由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，考慮到熔煉過程中起弧電壓為60 V，而熔煉電壓僅為40 V左右，功率因數(shù)很低的實(shí)際工況，主電路中增加了功率因數(shù)補(bǔ)償環(huán)節(jié)。圖1示出主電路原理，其中應(yīng)用了兩套雙反星形可控整流單元并聯(lián)。

(1)降壓匹配變壓器 電網(wǎng)10kV先由第一級(jí)變壓器降為690 V，再由兩臺(tái)初級(jí)分別接為三角形與星形的整流變壓器降壓，這樣設(shè)計(jì)是為了將第二級(jí)整流變壓器與可控整流部分裝在一個(gè)柜體中，構(gòu)成一體化電源，從根本上解決多年來，該類國產(chǎn)電源整流變壓器放于柜外，現(xiàn)場(chǎng)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，此結(jié)構(gòu)方案吸收了世界先進(jìn)技術(shù)設(shè)計(jì)，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(jìn)行690 V側(cè)交流電流取樣的電流互感器，其作用：①在直流霍爾電流傳感器失效后，為原電流閉環(huán)系統(tǒng)變?yōu)殚_環(huán)運(yùn)行故障的過電流保護(hù)提供電流取樣信號(hào)；②為功率因數(shù)控制器提供計(jì)算功率因數(shù)的電流取樣信號(hào)，電壓互感器UT用來把690 V電壓變?yōu)楣β室驍?shù)控制器需要的100 V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，作為功率因數(shù)控制器計(jì)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(gòu)成如圖1中的下半部分，采用兩個(gè)雙反星形可控整流電路并聯(lián)，HL1與HL2為霍爾電流傳感器，用于檢測(cè)每個(gè)整流部分輸出的實(shí)際電流值，提供給閉環(huán)調(diào)節(jié)器及保護(hù)單元與顯示環(huán)節(jié)，保證在同一個(gè)輸出電流設(shè)定值下，兩個(gè)雙反星形可控整流部分各承擔(dān)負(fù)載電流的一半，另外在對(duì)實(shí)際運(yùn)行電流進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示的同時(shí)，提供給保護(hù)電路監(jiān)控運(yùn)行狀況，若超過實(shí)際值，則進(jìn)行有效迅速的保護(hù)。
(3)功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)闹麟娐?幾乎所有的真空熔煉爐都是空載起弧電壓高，隨單爐可熔煉金屬材料重量的不同為50～75 V，熔煉過程中熔化電壓一般為30～45 V，因此運(yùn)行時(shí)其功率因數(shù)都很低，一般為0．45～0．7。為解決此40 kA直流電源系統(tǒng)功率因數(shù)太低的問題，首次在此領(lǐng)域使用的可控整流電源系統(tǒng)中，增加了按熔煉過程中實(shí)際負(fù)荷功率大小自動(dòng)調(diào)節(jié)功率因數(shù)的環(huán)節(jié)，其主電路如圖1右上角所示，圖中DZ1～DZ3為進(jìn)行電容短路故障保護(hù)的自動(dòng)空氣斷路器，KM1～KM3為用來按實(shí)際功率因數(shù)大小自動(dòng)投切補(bǔ)償支路的接觸器，L1～L3，C1～C3分別為3個(gè)支路中防止諧波放大的電抗器和功率因數(shù)補(bǔ)償電容器，該功率因數(shù)補(bǔ)償主電路的工作原理為：裝設(shè)于控制回路的功率因數(shù)控制器，根據(jù)UT與CT1的電壓和電流取樣信號(hào)，實(shí)時(shí)計(jì)算功率因數(shù)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果與目標(biāo)值0．97的差別，以8421編碼的組合方式，輸出控制KM1～KM3中1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)閉合，按功率因數(shù)的實(shí)際需要投入相應(yīng)的補(bǔ)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10～40 kA變化的整個(gè)工作范圍內(nèi)，都可以保證690 V側(cè)的功率因數(shù)既不低于0．97又不高于1。