8T真空自耗电弧炉12脉波2×20 kA∕50 V整流电源系统的设计.pdfVIP

2 0 1 5 年第6 期煤矿机电 3 9 范育禄 8 T 真空自耗电弧炉1 2 脉波2X2 0k A 5 0V 整流电源系统的设计 J 煤矿机电 2 0 1 5 6 3 9 4 4 d o i 1 0 1 6 5 4 5 j cn k i cm e t 2 0 1 5 0 6 0 1l 8 T 真空白耗电弧炉12 脉波2 2 0k A 5 0V 整流电源系统的设计 范育禄 中国煤炭科工集团上海有限公司 上海2 0 0 0 3 0 摘要 为提高真空自耗电弧炉整流电源系统的性能及可靠 稳定性 设计了国产化8 T 真空自耗 电弧炉2X 2 0k A 5 0V 整流电源系统 重点介绍了整流电源关键组成部分晶闸管调压系统 双反星 整流变压器 B o o s t e r 电源等设计原理 该系统经实际运行一年 满足设计要求 关键词 整流电源 晶闸管调压 双反星整流变压器 B o o s t e r 电源 中图分类号 T F l 3 2 T M 9 2 4 6 2文献标识码 B文章编号 1 0 0 1 0 8 7 4 2 0 1 5 0 6 0 0 3 9 一0 6 D e s ig no fR e ct if ie rP o w e rS u p p l yS y s t e mw it h12P u l s e2X 2 0k A 5 0V in8 TV a cu u mA r cF u r n a ce F a nY u l u C C T E GS h a n g h a iC o L t d S h a n g h a i2 0 0 0 3 0 C h in a A b s t r a ct I no r d e rt oim p r o v et h ep e r f o r m a n cea n dr e l ia b il it yo ft h ep o w e rs u p p l ys y s t e mo fv a cu u mco n s u m a b l e e l e ct r ica r cf u r n a ce d e s ig n sad o m e s t ic8 Tv a cu u ma r ef u r n a cew it h12p u l s e2 2 0k A 5 0Vr e ct if ie rp o w e rs u p p l y s y s t e m I n t r o d u ce st h ed e s ig np r in cip l eo ft h ek e yco m p o n e n t so ft h er e ct if ie rp o w e rs u p p l ys y s t e m t h ed o u b l e r e v e r s es t a rr e ct if ie rt r a n s f o r m e ra n db o o s t e rp o w e rs u p p l y T h es y s t e mh a sb e e no p e r a t e dinp r a ct icef o ray e a r t h e e f f e ctm e e t st h ed e s ig nr e q u ir e m e n t s K e y w o r d s r e ct if ie rp o w e rs u p p l y t h y r is t o rv o h a g er e g u l a t o r d o u b l er e v e r s es t a r r e ct if ie rt r a n s f o r m e r b o o s t e r p o w e rs u p p l y O 引言 随着我国经济的不断发展 特种高温合金钢的 需求也越来越大 由于该合金钢具有普通钢不可比 拟的特殊性能 故在航空 航天 国防 汽车 医疗机 器人 核电等各个领域都应用非常广阔 国际上目前高温合金钢的熔炼主要采用真空自 耗电弧炉熔炼 主要特点是熔炼速度快 能生产大型 铸锭 并可满足特种行业的要求 它是一种利用电弧 作热源 在真空条件下熔炼金属的真空熔炼技术 在无渣及真空条件下 金属电极在直流电弧的高温 作用下迅速熔化并在水冷铜结晶器内进行再凝固 当液态金属以薄层形式形成熔滴通过近50 0 0K 的 电弧区域向结晶器中过渡以及在结晶器中保持和凝 固的过程中 发生一系列的物理化学反应 使金属得 到精炼 从而达到净化金属 改善结晶结构 提高性 能的目的 由于特种钢的真空熔炼技术要求高 国内大部 分的企业都采用全进口方案 真空冶炼炉 冷却水 系统 整流电源系统 电容补偿系统 抽真空系统 本项目是与德国A L D 公司和欣安 上海 机电设备 有限公司合作开发的真空自耗电弧炉配套整流电源 系统 吸收了德国整流电源的先进技术 为德国 A L D 公司的8 T 真空自耗电弧炉配套了1 2 脉波的2 X 2 0k A 5 0V 整流电源系统 4 0 煤矿机电2 0 1 5 年第6 期 1 整流电源保护 1 1 系统设计方案及组成 为降低注入电网的谐波含量 经研究分析采用 1 2 脉波可控整流电源系统方案 系统主要包括 两 套整流电源柜 两套电容补偿柜 一套冷却水系统 系统最大输出电流为4 0k A 结合国内整流变压器 生产加工的工艺及系统组装难度 系统成本因素等 设计方案采用两套整流电源柜并联运行的方式 同 时考虑到熔炼过程中起弧电压为7 8V 而熔炼正常 工作电压仅4 0V 左右 功率因数很低的实际工况 系统增加了功率因数补偿环节 最终的系统技术方 案见图1 1 00 0 0v 由 5 H z 节j 厂 L A 上 1 00 0 0 6 9 0 V 二刈3 0 0 M 叼 I O p t io n lqC u s t o r l l t 2 画圃 呵 1 一一 p 旷圳 p 一 图1 真空白耗电弧炉整流电源系统方案图 系统首先经过1 0k V 6 9 0V 变压器降压至6 9 0 V 经晶闸管调压 再经过带平衡电抗器的双反星变 压器降压 最后晶闸管整流组件整流出6 脉波的直 流电 两套6 脉波的整流电源再经过平波电抗器并 联运行后 输出电源为1 2 脉波的直流输出 这样 直 流电流波形较平稳 有效值高 对1 0k V 6 9 0V 变 压器的主要要求是一次侧为D 型绕组 二次侧为Y D 型绕组 目的是为后端的整流部分输出电流是6 脉波 同时系统要求是1 2 脉波 故系统的两套整流 前级电源相位差为3 0 这样两套整流电源并联运 行后 最终输出的电源才是1 2 脉波的整流电源 1 2 主要技术参数 主回路电压 6 9 0V A C 一1 0 5 0H z 辅助回路电压 4 0 0V A C 一1 0 5 0H z 开路电压 7 8V D C 带B o o s t e r 整流系统 最大输出电压 5 0V D C 炉头电压 最大输出电流 4 0k A 电流调节精度 l 整流电源输出波形 1 2 脉波 整流电源保护 短路 缺相保护 整流电源柜 使用S I E M E N S 的P L C 7 3 0 0 系统 和通过P R O F I B U S 和S I E M E N SP R O F I B U SO L M 光 缆与上位机进行信息数据交换 电容补偿柜 保证熔炼过程功率因数不低邗 9 2 主要关键技术设计 2 1 晶闸管调压系统设计 整流电源系统的前级交流调压采用两单向晶闸 管反并联调压原理 如图2 所示 主要是实现对交 流电源正 负半周的对称控制 达到方便地调节输出 交流电压大小的目的 或实现交流电路的通 断控 制 经研究分析 在实际应用中采取相位控制的交 流调压应用最广 相对控制也简单 关键是能连续输 出控制 由于晶闸管调压与负载性质密切相关 调 节的效果各不相同 自耗电弧炉冶炼的原材料是二 次钛粉合成的特种钢 对于电源是电阻性负载 故纯 电阻负载时交流调压电路可简化如图3 所示 工作过程是 在电源电压弘正半周 移相控制 角d 时刻 触发导通晶闸管V T 使正半周的交流电 压施加到负载电阻上 电流 电压波形相同 当电压 过零时 V T 因电流为零而关断 在控制角为0 f 叮T 时触发导通V T u 负半周交流电压施加在负载 上 当电压再次过零时 V T 因电流为零而关断 完 成一个周波的对称输出 当O t 0 时 输出电压U o U 最大 当仅 竹时 V o 0 改变控制角a 大小可获得大小可调的交流 电压输出 其波形为 缺块 正弦波 正因为电压波 形有缺损 才改变了输出电压有效值 达到了调压的 目的 单相的调节过程如此 三相的调节也是一样 由于三相的相位差1 2 0 0 故触发的相位差也是 1 2 0 0 2 0 1 5 年第6 期煤矿机电 4 l A 4 4 2 B 4C 4 434 4 图2 三相晶闸管反并联调压原理图 Z 图3阻性负载晶闸管反并联简化电路示意图 2 2 双反星整流变压器设计 由于在大容量整流中 高电压就存在晶闸管串 联的均压问题 要大电流就存在晶闸管并联均流问 题 大容量可控直流还必须解决直流电压脉动和高 次谐波才能提高电压质量 减少设备对电网的危害 问题 而带平衡电抗器的双反星形可控整流电路的 特点正好满足这种低电压大电流场合的需要 通过计算 双反星变压器容量定为16 0 0k V A 详细计算略 这种平衡电抗器的双反星形整流 电路有如下优点 1 双反星形为两组三相半波整流电路的并联 而且需要平衡电抗器 使整流输出电压脉动比三相 半波小 与6 相半波一样 2 解决了半波整流电路中的直流磁化问题 3 与三相半波相比 变压器利用率提高了一 倍 4 管子导电时间比6 相半波增加了一倍 2 3 B o o s t e r 整流电源设计 原进口的B o o s t e r 整流电源系统的技术方案如 图4 所示 从图中看出 该系统的开路电压很难保证 到7 8V 如需调节输出电压的比较困难 同时它是 用硒堆作为短路保护的功能元件 其硒堆是老式电 子设备中的交直流整流器 工作能耗稍大 击穿后不 一定可以恢复 需要一定的时间恢复 而且需要定期 更换 目前已经被二极管取代 由此可见 长时间使 用B o o s t e r 整流电源的系统参数会产生偏差 短路保 护动作值会随着使用次数增多 短路保护动作值减 小 系统的可逆性的精度降低 针对以上进口B o o s t e r 整流电源系统的缺点 特 别设计了一种开路电压及短路保护可调功能的 B o o s t e r 整流电源 系统方案如图5 所示 该B o o s t e r 整流系统由T 2 6 9 0 V 9 0V 单相变压器 V 9 0 晶 4 2 煤矿机电2 0 1 5 年第6 期 T 9 0 广 词 l H E A TS I N K 叫9 0 r 产珥 一 R V 9 0 2 一 西面 2 一一I 厂口 卜 R V 9 0 3 一C V 9 0 3 R V 9 0 4 一C V 9 0 4 厂口 1厂口 1 一 一一一 r I L q 0 1 u O L C 一 图4B o o s t e r 整流电源系统方案图 Z L Z L 1 6 56 5 1 2 一单向变压器6 9 0V 9 0V F a n l F a n 2 一散热风扇 V 9 0 一晶闸管和二极管组件 F L 2 一采集电流的分流器 Z L 一输出电压正极 Z L 一输出电压负极 图5 可调节的开路电压及短路电流的B o o s t e r 整流电源系统方案图 闸管 二极管整流元件组件 前置电源保护板 F L 2 8 7 5m V O 1 0 0A 直流分流器等组成 电压的调 节可通过调节晶闸管的导通角大小控制输出电压的 大小 晶闸管导通角的给定可由前置电源保护板给 2 0 1 5 年第6 期煤矿机电 4 3 定输出控制 由此输出电压V z k 9 0V k 1 输出电压耽的调节范围0 9 0V 电流的保护 动作值可调则是通过分流器采集回路的电流 一旦 反馈的电流大于设定的1 0 0A 前置电源保护板的 拨码开关设定 其前置电源保护板就马上输出晶 闸管的导通角开度为0 的命令 切断回路运行 回路 的电流瞬间为零 前置电源保护板又控制晶闸管导 通 使之回路闭合 由此可见开路电压及短路电流 都可调 而且可重复性极好 不会因为使用次数增 加 降低系统控制的精度和可逆性 该B o o s t e r 电源 方案可以根据不同的冶炼炉而自由设定 可重复性 好 控制精度高 3 前置电源保护板电路设计 3 1V C C 工作电源 它由交流高压经降压斩波变换成 2 4V 1 5 V 1 0V 三组电源 该电源具有很高的稳压功能 很小的交流分量 纹波系数好 由于二级稳压 稳压 精度高 采用二级电容滤波 其纹波好 见图6 图6V C C 工作电源电路图 3 2 控制部分 采用高精度 放大倍数特高的运算放大器组成 P I 调节环节 见图7 并为了防止电流冲击 在控 制中加入了软启动环节 为了抗干抚 信号采集部分 采用了高精度隔离的信号变送器 3 3 锯齿波移相触发器 它由进口集成电路T C A 7 8 5 组成 每片T C A 7 8 5 可以发出两个相差1 8 0 的方波信号 单相交流信 号经T B 2 降压后再经由N 5 组成整形环节使其输入 的5 0H z 交流正弦波信号变成5 0H z 方波信号 其 前沿非常陡 这样可以更可靠的触发 使T C A 7 8 5 产生的方波信号得到调制 脉冲信号频率为7k H z u 6 的1 4 脚 1 5 脚输出2 个相位相差1 8 0 的频率为 7k H z 的脉冲列信号 该信号控制推动功放三极管 T 1 0 1 T 1 0 2 的关断和开通 然后再由T 1 0 1 T 1 0 2 推 动脉冲变压器M B l M B 2 的输出 再输出给功率管 的G 1 K l 及G 2 怼达到关断和开通 由U 3 D 组成 调节控制信号大小的环节 输出控制信号至U 6 集 成触发器的1 1 脚 见图8 T 1 为输入的控制信号 当输入信号T 1 0 时 直流输出 0 当输入信号T 1 1 0 V 时直流输出 最大 4 结语 8 T 真空白耗电弧炉1 2 脉波2 2 0k A 国产整 流电源系统 经近一年的实际运行 在电流控制精 度 电压调节灵活度 系统保护等方