10T真空自耗電弧爐用2×20kA/60V直流電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

　　一、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(shè)計(jì)是這種應(yīng)用場合的關(guān)鍵與根本，近十年來我國直流真空自耗熔煉爐的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)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(yùn)行，這三種填補(bǔ)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(jìn)口設(shè)備的許多先進(jìn)技術(shù)，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(shè)計(jì)及使用情況，熱望能推進(jìn)我國此行業(yè)的發(fā)展。

　　二、10T鈦合金熔煉真空自耗爐用2×20kA/60V直流電源系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理分析

　　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(gòu)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(jí)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(shí)際工況，主電路中增加了功率因數(shù)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，圖2給出了主電路的原理圖，圖中應(yīng)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。

　(1)降壓匹配變壓器

　　顯見，電網(wǎng)10kV先由第一級(jí)降壓變壓器降為690V，再由兩臺(tái)一次分別接為三角形與星形的整流變壓器降壓，這樣設(shè)計(jì)的目的是為了將第二級(jí)整流變壓器與可控整流部分裝于一個(gè)柜體中，構(gòu)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(gè)柜體中，因電壓太高，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來的不便，同時(shí)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(dá)到最小，更為可貴的是減小了整個(gè)電源的體積，縮小了占地面積，此結(jié)構(gòu)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(jìn)技術(shù)設(shè)計(jì)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(jìn)行690V側(cè)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(yùn)行故障的過電流保護(hù)提供電流取樣信號(hào)，二則為功率因數(shù)控制器提供對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行計(jì)算的電流取樣信號(hào)，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(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2中的下半部分，其應(yīng)用了常用的兩個(gè)雙反星形可控整流電路并聯(lián)，圖中HL1與HL2為兩個(gè)霍爾電流傳感器，用于檢測每個(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)，一則保證在同一個(gè)輸出電流設(shè)定值下，兩個(gè)雙反星形可控整流部分每個(gè)承擔(dān)負(fù)載電流的一半，另一方面在對(duì)實(shí)際運(yùn)行電流進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示的同時(shí)，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?/strong>

　　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(gè)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(yīng)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(yùn)行時(shí)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?cè)趪鴥?nèi)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)，該部分的主電路構(gòu)成如圖2中的右上角所示，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，KM3～KM5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、C1～L3、C3分別為三個(gè)支路的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(hào)，實(shí)時(shí)計(jì)算功率因數(shù)，并按計(jì)算結(jié)果與目標(biāo)值0.95的差別，按8421編碼的組合，輸出控制KM3～KM5中一個(gè)、兩個(gè)、三個(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10kA～40kA變化的整個(gè)工作范圍內(nèi)，都可以保證690V側(cè)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(hù)監(jiān)控電路，限于篇幅本文僅介紹幾個(gè)關(guān)鍵的單元電路，其余電路可參考文獻(xiàn)3。

　　(1)閉環(huán)調(diào)節(jié)器

　　由于真空電弧爐有起弧、熔煉、補(bǔ)縮等工藝過程，起弧時(shí)電壓高為空載電壓、熔煉工作時(shí)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(gòu)成穩(wěn)定度很好的恒流源，另一方面為防止起弧時(shí)電壓太低無法起弧或起弧電壓太高擊穿坩堝，我們?cè)O(shè)計(jì)了圖3所示的起弧時(shí)為穩(wěn)壓源，熔煉時(shí)恒流控制的可按負(fù)載工況自動(dòng)轉(zhuǎn)換的動(dòng)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(gòu)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(hào)，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(guān)CD4066，當(dāng)起弧前因IF幾乎為零，比較器IC3A輸出高電平，模擬開關(guān)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(gòu)成電壓閉環(huán)，當(dāng)起弧成功后，由于電流值通常已達(dá)幾千安培，比較器IC3A輸出低電平，模擬開關(guān)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(yùn)行，同時(shí)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(yùn)行，電流取樣值作為調(diào)節(jié)器的反饋信號(hào)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(yīng)用了光耦合器作為觸發(fā)脈沖形成單元前級(jí)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(gòu)成相序自適應(yīng)的觸發(fā)器奠定了很好的基礎(chǔ)，圖4中6個(gè)光耦合器VLC1～VLC6均為TLP521，由此決定了同步環(huán)節(jié)的輸出為6路相位互差60o的方波脈沖信號(hào)。

　　(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(zé)任公司應(yīng)用CPLD芯片開發(fā)的準(zhǔn)數(shù)字化觸發(fā)集成電路芯片SGK198，該觸發(fā)器利用對(duì)閉環(huán)調(diào)節(jié)器輸出電壓變換為與此電壓相適應(yīng)的頻率脈沖信號(hào)，在SGK198內(nèi)對(duì)這一脈沖信號(hào)進(jìn)行6分頻計(jì)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(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)的時(shí)刻由同步環(huán)節(jié)輸出的6路同步信號(hào)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(jì)數(shù)器計(jì)滿的時(shí)間便長，輸出觸發(fā)脈沖便距同步信號(hào)后沿距離便遠(yuǎn)，

　　相當(dāng)于控制角α減小，整流輸出直流電壓便增加，反之，當(dāng)閉環(huán)調(diào)節(jié)器輸出電壓較小時(shí)，說明用戶設(shè)定的直流電源輸出運(yùn)行參數(shù)與實(shí)際運(yùn)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(jì)數(shù)器計(jì)滿的時(shí)間便短，輸出觸發(fā)脈沖的時(shí)刻便距同步信號(hào)后沿距離便近，相當(dāng)于控制角α增大，晶閘管的導(dǎo)通角減小，輸出直流電壓降低。

　　(4)監(jiān)控保護(hù)單元

　　10T鈦合金熔煉真空自耗爐用2×20kA/60V直流電源，應(yīng)用PLC完成運(yùn)行狀況的監(jiān)控及故障時(shí)的保護(hù)工作，圖5給出了監(jiān)控與保護(hù)環(huán)節(jié)的軟件流程框圖，該軟件隨時(shí)監(jiān)控主電路中對(duì)應(yīng)與晶閘管串聯(lián)的48只快速熔斷器的報(bào)警開關(guān)輸出及裝于水冷母排上的報(bào)警用溫度開關(guān)的接點(diǎn)閉合與否，由于兩臺(tái)整流電源共用了48只晶閘管元件，報(bào)警信號(hào)很多，常規(guī)的設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)每一個(gè)故障點(diǎn)，需要一個(gè)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(shí)在軟件編程時(shí)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(dòng)，主電路合分閘都在脈沖封鎖狀態(tài)下進(jìn)行，補(bǔ)償與濾波電源輸出功率達(dá)到一定值時(shí)才投入，在切除電源功率前先切除功率因數(shù)補(bǔ)償單元，從而有效的防止了次諧波振蕩及過補(bǔ)償狀況的發(fā)生。

　　(5)熔速控制及自動(dòng)給定

　　為了滿足全自動(dòng)熔煉的需要，本電源通過與爐子工況及熔煉控制的上位計(jì)算機(jī)之間的通訊，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)熔煉時(shí)的按曲線給定，控制單元通過PLC的接口接受上位計(jì)算機(jī)輸出的按工藝設(shè)定輸出電流指令，在PLC內(nèi)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)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(dá)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(dá)到了很好的效果。

　　(6)應(yīng)用電流斷續(xù)補(bǔ)償擴(kuò)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(bǔ)縮等工藝過程，為了保證成品錠快熔化完時(shí)使錠子端口盡可能的平整，提高熔化錠子成品率，要求補(bǔ)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(dá)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(bǔ)償環(huán)節(jié)，使補(bǔ)縮時(shí)的電流連續(xù)穩(wěn)定工作范圍達(dá)到了最小電流不大于500A的良好效果。

　　(7) 功率因數(shù)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的控制

　　由于真空自耗熔煉爐工藝過程較為復(fù)雜，工作時(shí)分起弧、熔煉、補(bǔ)縮、停機(jī)等工藝流程，同時(shí)對(duì)應(yīng)不同的工作段，要求電源輸出穩(wěn)定運(yùn)行的電流與電壓值不同，由此造成電源運(yùn)行時(shí)其功率因數(shù)與注入電網(wǎng)的諧波電流含量會(huì)有很大不同，這就決定了對(duì)其功率因數(shù)補(bǔ)償和諧波治理要采取變化的參數(shù)與結(jié)構(gòu)。只有這樣才能達(dá)到在整個(gè)工藝過程中都可保證功率因數(shù)不低于國標(biāo)允許值，而注入電網(wǎng)的諧波電流不超過國標(biāo)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(jī)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(biāo)《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(bǔ)償，而未設(shè)置諧波濾波，只是功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)目刂齐娐?，既要滿足起弧、熔煉、補(bǔ)縮、停機(jī)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(duì)直流電源輸出電流的要求不同的需要，為此設(shè)計(jì)了專門的控制器，控制器內(nèi)對(duì)電源的功率因數(shù)按輸入的電壓和電流值隨時(shí)進(jìn)行計(jì)算，并按熔煉工況及錠子種類和實(shí)際使用電流的不同，按8421組合決定投入多大的補(bǔ)償容量，既嚴(yán)格保證在整個(gè)工作周期中，補(bǔ)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(dāng)電源負(fù)荷達(dá)到一定值時(shí)，功率因數(shù)補(bǔ)償支路才投入，而當(dāng)電源負(fù)荷小到一定值時(shí)，功率因數(shù)補(bǔ)償支路先切除，在直流電源停機(jī)時(shí)，先退出功率因數(shù)補(bǔ)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。

　　三、實(shí)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(tái)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(jìn)線斷路器全部裝于兩個(gè)柜體中，每個(gè)整流柜系統(tǒng)輸出20kA/60V，使用中兩柜并聯(lián)運(yùn)行，經(jīng)實(shí)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(yùn)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(biāo)允許值，補(bǔ)縮工況最小可連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)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(fù)母排和外循環(huán)水兩根水管，安裝甚為方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到了十分理想的設(shè)計(jì)與運(yùn)行效果。

　　四、結(jié) 論

　　綜上分析，我們可得下述結(jié)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(bǔ)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(hù)等單元裝于一個(gè)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(gè)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(shè)計(jì)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(dòng)切換的閉環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)，兼顧了穩(wěn)定輸出電壓與輸出電流的不同需要是個(gè)不錯(cuò)的設(shè)計(jì)方案。

　　4. 采用12脈波可控整流，同時(shí)增加動(dòng)態(tài)功率因數(shù)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，通過巧妙的控制器設(shè)計(jì)，滿足了真空自耗熔煉爐的復(fù)雜運(yùn)行工況要求，使運(yùn)行時(shí)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(hù)單元應(yīng)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(shí)用效果都證明了，上述方案的可行性，毫無疑問，其應(yīng)用前景將是十分廣闊的。

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