10T真空自耗电弧炉用2×20kA/60V直流电源的设计与应用

　　一、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，因而真空电弧炉及配套电源的设计是这种应用场合的关键与根本，近十年来我国直流真空自耗熔炼炉的设计与制造技术水平飞速发展，国产真空自耗熔炼炉单炉熔炼钛的重量已从原来常用的1T提升到10T，国产真空自耗凝壳炉单炉熔炼钛的重量已从原来常用的260kg提高到800kG，至2010年末，国产10T钛真空自耗熔炼炉及3T钢真空自耗熔炼炉和800kG凝壳炉相继投入运行，这三种填补国内空白的熔炼系统之供电电源都由我们研制，其中吸收了从世界名牌真空电弧炉成套厂---德国ALd公司进口设备的许多先进技术，本文介绍用于国产10T钛合金熔炼真空自耗炉的2×20kA/60V直流电源的设计及使用情况，热望能推进我国此行业的发展。

　　二、10T钛合金熔炼真空自耗炉用2×20kA/60V直流电源系统的构成及工作原理分析

　　10T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40kA/60V，在此之前国产的此类用途的电源容量最大仅30kA/50V，图1给出了系统的总原理框图，从图显见，其构成可分为主电路及控制电路两大部分，下面分别分析各部分的工作原理。

　　2.1 主电路

　　主电路采用10kV经两级变压器直接降压再晶闸管可控整流的方案，为降低注入电网的谐波含量采用12相可控整流方案，另考虑到熔炼过程中起弧电压为60V，而熔炼电压仅40V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2给出了主电路的原理图，图中应用了两套双反星形可控整流单元并联，其中图2的上半部分给出了主电路中的降压匹配变压器部分。

　(1)降压匹配变压器

　　显见，电网10kV先由第一级降压变压器降为690V，再由两台一次分别接为三角形与星形的整流变压器降压，这样设计的目的是为了将第二级整流变压器与可控整流部分装于一个柜体中，构成一体化电源，避免10kV输入整流变压器与整流单元装在一个柜体中，因电压太高，给结构设计带来的不便，同时从根本上解决了多年来，国产这类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，使现场的安装工作量达到最小，更为可贵的是减小了整个电源的体积，缩小了占地面积，此结构方案是吸收了世界名牌真空电弧炉成套厂---德国ALd公司的先进技术设计与研制的，图中变压器T1采用油浸自冷，而整流变压器T2与T3采用干式水冷，CT1—CT5为进行690V侧交流电流取样的电流互感器，其作用表现在一则为直流霍尔电流传感器失效后，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，二则为功率因数控制器提供对功率因数进行计算的电流取样信号，UT为电压互感器，它用来把690V电压变为功率因数控制器需要的100V标准信号，作为功率因数控制器计算功率因数的电压依据。

　　(2)可控整流部分

　　该部分的电路原理构成如图2中的下半部分，其应用了常用的两个双反星形可控整流电路并联，图中HL1与HL2为两个霍尔电流传感器，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，一则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每个承担负载电流的一半，另一方面在对实际运行电流进行实时显示的同时，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(包括自耗电极熔炼炉和凝壳炉)，都存在一个共性问题，这就是空载起弧电压高，随单炉可熔炼金属材料重量的不同为50-75V，熔炼过程中熔化电压又低，一般随单炉可熔炼金属材料重量的不同为30～45V，由此造成不论其使用的直流电源是先应用整流变压器降压，后晶闸管可控整流的方案，还是先采用饱和电抗器调压，后整流变压器再降压，整流管整流的方案，运行时其功率因数都很低，一般为0.45～0.7，为解决本10T钛合金熔炼真空自耗炉用40kA直流电源系统功率因数太低的问题，我们在国内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，该部分的主电路构成如图2中的右上角所示，图中DZ1～DZ3为进行电容短路故障保护的自动空气断路器，KM3～KM5为用来按实际功率因数大小自动投切补偿支路的接触器，L1、C1～L3、C3分别为三个支路的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：装于控制回路的功率因数控制器，根据UT与CT1的电压与电流取样信号，实时计算功率因数，并按计算结果与目标值0.95的差别，按8421编码的组合，输出控制KM3～KM5中一个、两个、三个闭合，按