10t真空电弧炉用40kA直流电源的研制与应用.pdfVIP

2 0 1 2年 l1月 t P o we r E l e ct r o n ics No v e mb e r 2 01 2 1 0 t 真空电弧炉用 4 0 k A直流电源的研制与应用 李 宏 ，杨 军辉 ( 1 西安石油大学， 电子工程学院，陕西西安 7 1 0 0 6 5 ； 2 宝鸡稀 有金 属装备 设计 研制所 ，陕西宝鸡7 2 1 0 1 4 ) 摘要： 介绍 了填补国内空 白的国产最大 1 0 t 真空 白耗电弧炉用 2 x 2 0 k A 6 0 V直流电源的系统构成。主电路采 用 1 2脉波双反星型可控整流， 触发脉冲有相位 自适应功能； 高性能功率因数补偿控制器与 8 4 2 1编程的分组补 偿 容 量配 置 ， 保 证 了投入 补偿 容量 跟踪 实 际功率 因数 实时值 变化 ， 输 出直流 电流 在 1 0 4 0 k A的整 个运行 范 围 内功 率 因数都 高 于 0 9 5 ； 根据 工 艺状 况起 弧 、 熔 化 、 补缩 阶 段 的差异 ， 变 结构 的 电压与 电流 调节 器状 态根 据 负 载工况 自动切换， 适应熔化重量不同锭子对输出电流大小的相异要求 ， 稳流精度高达 0 5 ； 矩阵式软件设计 简化 了 P L C监 控系 统 的硬 件 结构 ， 取得 了很好 的控 制与监 控效 果。 关键词 ： 直流电源 ；真空电弧炉；电路设计 中图分类号： T N 8 6 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 0 1 0 0 X( 2 0 1 2 ) 1 1 - 0 0 7 2 0 4 The De v e lo p me nt a n d Ap plica t io n o f 4 0 k A DC Po we r S upp ly f 0 r 1 0 t Va cuu m Co ns uma b le Ele ct r o d e Acr Fur n a ce L I Ho n g ，YANG J u n h u i ( 1 Xi a n S h i y o u U n e ， Xi a n 7 1 0 0 6 5 ，C h in a ) Ab s t r a ct ： T h is p a p e r in t r o d u ce s t h e s y s t e m s t r u ct u r e o f t h e 2 x 2 0 k A 6 0 V D C p o w e r f o r 1 0 t v a cu u m co n s u ma b le e le ct r o d e a cr f u r n a ce wh ich fi lls t h e b la n k in d o me s t ic p r o d u ct T h e 1 2 p u ls e d o u b le in v e r s e s t a r co n t r o lle d r e ct ifi e r is a d o p t e d in the ma in cir cu it ， a n d the t ri g g e r p u ls e h a s the p h a s e a d a p t iv e f u n ct io n Th e co mp e n s a t in g ca p a cit y a llo ca - t io n o f hig h pe rfo r ma nce po we r f a ct o r co mp e n s a t ion co n t r o lle r wit h 8 4 21 p r o g r a mmin g g u a r a nt e e s t he inp u t ca pa cit y ca n t r a ck the r e a l p o w e r f a ct o r ch a n g e a n d t h e p o we r f a ct o r is h ig h e r tha n 0 9 5 in t h e w h o le o p e r a t in g o f o u t p u t D C cur r e nt f r o m 1 0 40 kA Acco r d in g t o t h e diffe r e n ce o f a r c s t ri k in g， me lt in g， f e e d in g ph a s e， t he v a ri a b le s t r uct u r e o f v o lt a g e a n d cu r r e n t r e g u la t o r s t a t e ca n a u t o ma t ica lly s w ish in g b a s e d o n t h e lo a d， w h ich a d a p t s t o t h e me lt in g of d if - f e r e n t s p in d le we ig h t o f o u t p u t cu r r e n t s iz e d is s imila ri t y r e q u e s t a n d s t e a d y fl o w a ccu r a cy a s h ig h a s O 5 Ma t ri x s o f t wa r e d e s ig n s imp lif ie s the P L C co n t r o l s y s t e m h a r d wa r e s t r u ct u r e， a n d a ch ie v e s g o o d co n t r o l a n d mo n it o ri n g e f f e ct Ke y wo r d s： d ir e ct cu r r e n t p o we r s u p p ly；v a cu u m co n s u ma b le e le ct r o d e a r c f u rna ce；cir cu it d e s ig n 1 引 言 直流 真空熔炼是稀贵金属及 高性 能合金钢熔 炼所必须采 用的工艺 ，真空 电弧炉及配套 电源是 其 中的关键设备。我 国熔 炼钛 的直流真空 白耗熔 炼炉 ， 单炉熔炼重量 已从原来常用的 1 t 提至 1 0 t ， 这里介绍 了用于 国产 1 0 t 钛合金熔炼真 空 自耗炉 的 2 x 2 0 k A 6 0 V直流 电源 的设计及使用情况。 2 原 理 与设 计 1 0 t 钛合金熔炼真 空 自耗炉 工艺要求 配套直 流 电源输 出额定参数 为 4 0 k A 6 0 V，其构成可分 为主 电路及控制 电路两部分 。 定 稿 日期 ： 2 01 2 0 9 2 4 作 者 简 介 ： 李 宏 ( 1 9 6 0 一 ) ， 男 ， 陕西 乾 县人 ， 硕 士 ， 教 授 博 士 生副导 师 。 研 究方向 为特种 电 源、 谐 波 治理等 。 72 2 1主 电 路 主 电路采 用 1 0 k V经两 级变压器直接 降压再 由晶闸管可控整流 的方案 。为降低注入 电网的谐 波含量 采用 1 2相可控整 流方案 ， 考 虑到熔 炼过 程 中起弧 电压为 6 O V，而熔炼 电压仅 为 4 0 V左 右 功率 因数很低 的实际工况 主 电路 中增加 了功 率 因数补偿 环节 。 图 1示出主电路原理 ， 其中应用 了两套双反星形可控整流单元并联。 ( 1 ) 降压匹配变压器f 1 电网 1 0 k V先 由第一级 变压 器降为 6 9 0 V，再 由两 台初 级分别接 为三角 形与星形 的整流变压器降压 这样设计是为 了将 第二级整流变压器与可控整流部分装在一个柜体 中 ， 构成一体化 电源 ， 从根本 上解决 多年 来 ， 该类 国产 电源整流变压器放于柜外 现场安装整流变 压器与整流柜之 间大截面铜母排极难安装 ，工作 量 巨大的 问题 此 结构方案 吸收了世 界先进技术 1 0t真 空 电 弧 炉 用 4 0 k A 直 流 电 源 的研 制 与 应 用 设计 ， 变压 器 T ， 采用 油浸 自冷 ， 而整 流变 压器 T 与 T 3 采 用干 式 水冷 ， C T 1 一 C 1 r 5 为进 行 6 9 0 V侧 交 流 电流取样 的电流互感器 ， 其作用 ： 在 直流霍尔 电流传感器失效后 ，为原 电流 闭环 系统变 为开环 运行故障的过电流保护提供电流取样信号；为 功率 因数控制器提供计算功率 因数 的电流 取样 信 号 ， 电压互感器 U 用来把 6 9 0 V 电压变为 功率 因 数控制器需要 的 1 0 0 V标准信 号 ，作为功 率因数 控制器计算 功率因数的 电压依据 。 j 、 p z 1 K M l t , L h t C I 。 ： Q r l ar tar t _ UT ! 口 龟 t C A 结 g D Z 2 K M 2 L 2 _ l A结 z DZ 3 KM3 L 3 C 3 K M , A 1 l B 1 K I 2 图 1 主 电路 原理 图 F ig 1 S ch e ma t ic d ia g r a m o f ma in cir cu it ( 2 ) 可控整流部分该部分的电路原理构成如 图 1中的下半部分 ，采用两个双 反星形 可控整流 电路并联 ， HL 与 HL 2 为霍尔 电流传 感器 ， 用 于检 测每个整流部分输 出的实 际电流值 。提 供给 闭环 调节器及保护单元与显示环节 ，保证在 同一个输 出电流设定值下 两个双反星形可控整 流部分各 承担负载 电流的一半 另外在对实 际运行 电流进 行 实时显示的 同时 ，提 供给保护 电路监控运行状 况 ， 若超过 实际值 ， 则进行有效迅速 的保护 。 ( 3 ) 功率因数补偿 的主 电路几乎所有 的真空 熔炼 炉都是空载起 弧 电压高 随单炉可熔炼 金属 材料 重量 的不 同为 5 0 7 5 v熔 炼过程 中熔化 电 压 一般为 3 0 4 5 v，因此运行 时其功率 因数都很 低 ， 一般为 0 4 5 0 7 。为解决此 4 0 k A直 流 电源 系 统功率 因数太低 的问题 。首次在此领域使用 的可 控整流 电源系统 中 ，增 加 了按熔炼过程 中实 际负 荷功率大 小 自动调节功 率因数的环节 ，其主 电路 如 图 1 右 上角所示 ，图中 D Z D Z 为进行 电容短 路故 障保护 的 自动 空气 断路器 ， K M K M， 为用来 按 实 际功 率 因数大 小 自动 投 切补 偿 支路 的接 触 器 ， L ， ， C C 3 分 别为 3个支路 中防止谐 波放大 的 电抗器和功 率因数补偿 电容器 ，该功率 因数补 偿 主 电路的工 作原理为 ：装设于控制 回路 的功率 因数控 制器 ， 根据 U 与 C T 的电压和 电流取样信 号 ，实时计算功率 因数 根据计算结果与 目标值 0 9 7的差 别 以 8 4 2 1编 码 的组合方式 输 出控制 K M K M 中 1 个 、 2个 、 3个 闭合 ，按功率 因数 的 实际需要投入相应 的补偿 电容 ，满足无论是化一 次锭还 是化二次锭 在 输 出直流 电流从 1 0 4 0 k A 变化 的整个工 作范 围内。都可 以保证 6 9 0 V侧 的 功率 因数既不低于 0 9 7又不高于 1 。 2 2 可 控 整 流 部 分 的 控 制 电路 可控 整流 部分 的控制 电路分 为给 定积分 、 闭 环调 节器 、 电压 电流检测 与处理 、 同步环节 、 触发 脉冲形成和保护监控 电路 ，限于篇 幅在此 仅介绍 几个关键的单元 电路。 ( 1 ) 闭环调节器 由于真空电弧 自耗炉工作有 起弧 、 熔炼 、 补缩等 工艺过程 ， 空载起 弧与熔炼 工 作时 电弧 电压相差一半 。熔炼过程 中又希 望构成 稳定度 很好 的恒流源 ，为防止起弧 时电压 太低无 法起 弧或起 弧 电压太高击穿坩埚 ，设计 了图 2所 示的动态双 闭环 调节器 ， 其起弧 时为稳压源 ， 熔炼 时为恒流控制 并可按负载工况 自动转换 。 图 2 闭 环 调 节 器 原 理 图 F ig 2 S ch e ma t ic d ia g r a m o f t h e clo s e d - lo o p r e g u la t o r 图中 I C 4 B与 I C 4 A分别和外 围元器 件一起构 成 P I 调 节器 ， U F与 I F分别为来 自电压 与 电流检 测环节 的输 出信号 ，电压 与 电流的检 测均使用 了 霍尔传感器 。 I C 2为 电子开关 C D 4 0 6 6， 在起弧前 因 I F 几乎为零 ， 比较器 I C 3 A输 出高 电平 ， I C 2中引脚 6为低 电平 引脚 1 2与 5为高 电平 ， 其 内部引脚 1 1 与 1 O接通 反馈为 电压 反馈 。 电压 闭环 调节器 工 作 ， 构成 电压 闭环 ； 引脚 3与 4相接 ， 对 电流 调节 器锁零。 当起弧成功后， 由于电流值通常已达几千安 培 ， I C 3 A输 出低 电平 ， I C 2中的引脚 1 2变 为低 电 平 电压调节 器输 出支 路 因 I C 2的引脚 1 1与 1 0 断开而退 出运行 同时 I C 2的引脚 6变 为高 电平 ， 7 3 弟4巷 弟l 删 年 月 吧 刀 吧 寸 覆 不 | O O I 电流调节器 输 出支路 因 的引脚 8与 接通 而 投入运行 电流取样值作 为调节器 的反馈 信号送 入 电流 闭环调节器 ，从而保 证直流 电源输 出为稳 定度很好 的恒流源 。满足熔 炼过程 中高精度稳定 直 流 电流输 出的需要 。 ( ) 同步环 节【 2 J 钛合金熔炼真 空 自耗炉 用 直 流 电源 应用 了光耦合器作 为 触发脉冲形成单元前级 的同步环节 使 同步环节 的体积及损耗都得 以减小 而且 为构成相序 自适 应 的触发器奠定 了很好 的基础 ，图 3中 个 光耦 合器 均为 ， 由此决定 了 同步环节 的输 出为 路相位 互差 6 O 。 的方波脉冲信号。 图 触 发脉冲 形成 与 同步 环节 ( 3 ) 触发脉冲形成触发脉冲形成环节 的原理 电路 如 图 3所示 其核 心单元 为应 用 芯片开发 的准数字化触发集成 电路芯片 。 该触发器将 闭环调节器输 出的电压信 号变换 为与 此 电压 相适应 的频 率脉冲信 号 。在 内对 这一脉冲信号进行分频计数 的方法来获得路 触发 脉冲 输 出 路 触发 脉冲 形成 的计数 器开 始 计数 的时刻 由同步环节输 出的 路 同步信 号的后 沿所 决定 ， 当差 分器 输 出电压低 时 。 压控 振 荡器 输 出的频率便低 ， 计数器计满 的时间便 长 ， 输 出触发脉冲距 同步信号后沿距离便远 。 输 出 电压便 高 ， 输 出频 率便高 ，计数器 计满 的时间便短 ，输出触发脉冲的时刻距同步信号后 沿距 离便近 相 当于控制角 增大 ， 晶闸管 的导通 角减 小 ， 输 出直流 电压 降低 。 ( 4 ) 监控保护单元 钛合金熔炼真空 自耗 炉用 直流 电源 。 应用 完成运行 状况 的监控及故 障时的保 护工作 图 4给 出了监 控与保护环 节的软件流程框 图。 由于两 台整 流 电 源共用 了 4 8只 晶 闸管元件 ， 报 警信 号很多 ， 为减 小 系统 的硬件配 置 电源系统采 用 了一种 矩 阵式编程方法 。 从而使系统硬件得 以简化 同时在 软件编程时根据 电弧熔炼 的特殊要求 ，增加 了给 定不为零不能合 闸起动环节 ，主 电路合分 闸都在 脉冲封锁状态下进行 ，功率 因数补偿环节在 电源 输出功率达到一定值 时才投入 ，在切 除电源功率 前先切 除功率 因数补偿单元 ，从而有效地 防止 了 次谐波振荡及过补偿状况的发生。 ( 塑 ) 匝 叫 Y N 兰 l 解封锁 l 匦豳 l输 出 调 节 大 小 l _ _ _。_ H 匝巫耍童囹 图 监控 保护 单元 的软件 流程 框 图 ( ) 熔速控制及 自动给定通过与炉子工况及 熔 炼控制 的上位计算机之 间的通讯 实现 了 自动 熔 炼时 的按 曲线给 定 。 控制 单元通过 接 口接 收上位计算 机输 出的按工艺 设定输 出 电流 指令 ， 在 内转 换 为相应 的模拟 给 定 电压 后从 的模拟输 出 口输 出 ， 控制触发脉冲 的控制角相位 ， 达到调节及稳定输 出电流 的 目的 并在 国内首次 使用 了熔速控制 ， 满足全 自动熔炼 的需要 ， 使控制 达到 了很好 的效 果。 ( ) 应 用 电流 断 续补 偿 扩 大 电流 稳 定不 断 孤 范 围3 由于真空 自耗炉工艺有起弧、 熔炼 、 补缩等 工 艺过程 。为保证 成品锭快熔 化完 时使锭子端 口尽 可能 的平整 提高熔化锭子成 品率 要求补缩 电流 尽可能小。尽管在主 电路 中直流输 出端增加 了平 波 电抗器 。 ，但也很难使输 出直流 电流达到全 范 围连续 。因而在控制回路 中增加 了电流 断续的补 偿环节 。使补缩时 的电流连续稳 定工作范 围达到 了最 小电流不大于 的 良好效果 。 ( ) 功率因数补偿环节的控制 由于真空 自耗 熔炼 炉工艺过程较为复杂 ， 对应 不 同的工作段 ， 要 求输 出稳定运行 的电流 与电压值 不 同，由此造成 电源运行 时其功率 因数会有很 大不 同。这就决定 了对其 功率 因数补偿环节要采取 变化 的参数与结 1 0t真 空 电 弧 炉 用 4 0 k A 直 流 电 源 的研 制 与 构 。 在 该系统