10T真空自耗电弧炉用2×20kA/60V直流电源的设计与应用

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10kA～40kA变化的整个工作范围内，都可以保证690V侧的功率因数既不低于0.95又不高于1.0。

　　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、保护监控电路，限于篇幅本文仅介绍几个关键的单元电路，其余电路可参考文献3。

　　(1)闭环调节器

　　由于真空电弧炉有起弧、熔炼、补缩等工艺过程，起弧时电压高为空载电压、熔炼工作时电弧电压仅是直流电源输出空载电压的一半，熔炼过程中又希望构成稳定度很好的恒流源，另一方面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，我们设计了图3所示的起弧时为稳压源，熔炼时恒流控制的可按负载工况自动转换的动态双闭环调节器，图中IC4B与IC4A分别和外围元器件一起构成PI调节器，UF与IF分别为来自电压与电流检测环节的输出信号，电压与电流的检测分别使用了霍尔电压传感器与霍尔电流传感器，IC2为电子开关CD4066，当起弧前因IF几乎为零，比较器IC3A输出高电平，模拟开关IC2中的引脚6为低电平，引脚12为高电平，其内部引脚11与10接通，反馈为电压反馈，电压闭环调节器工作，构成电压闭环，当起弧成功后，由于电流值通常已达几千安培，比较器IC3A输出低电平，模拟开关IC2中的引脚12变为低电平，电压调节器输出支路因IC2的引脚11与10断开而退出运行，同时IC2的引脚6变为高电平，电流调节器输出支路因IC2的引脚8与9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。

　　(2)同步环节

　　10T钛合金熔炼真空自耗炉用2×20kA/60V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，省去了常规使用的同步变压器，使同步环节的体积及损耗都得以减小，且为构成相序自适应的触发器奠定了很好的基础，图4中6个光耦合器VLC1～VLC6均为TLP521，由此决定了同步环节的输出为6路相位互差60o的方波脉冲信号。

　　(3)触发脉冲形成

　　触发脉冲形成环节的原理电路如图4所示，其核心单元IC7为陕西高科电力电子有限责任公司应用CPLD芯片开发的准数字化触发集成电路芯片SGK198，该触发器利用对闭环调节器输出电压变换为与此电压相适应的频率脉冲信号，在SGK198内对这一脉冲信号进行6分频计数的方法来获得6路触发脉冲输出，6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6路同步信号的后沿所决定，由此可见，闭环调节器输出电压值高，说明反馈小于给定，且误差较大，图4差分器IC4C输出电压便低，压控振荡器输出的频率便低，计数器计满的时间便长，输出触发脉冲便距同步信号后沿距离便远，

　　相当于控制角α减小，整流输出直流电压便增加，反之，当闭环调节器输出电压较小时，说明用户设定的直流电源输出运行参数与实际运行参数误差较小，图4中差分器IC4C输出电压便高压控振荡器输出频率便高，计数器计满的时间便短，输出触发脉冲的时刻便距同步信号后沿距离便近，相当于控制角α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

　　10T钛合金熔炼真空自耗炉用2×20kA/60V直流电源，应用PLC完成运行状况的监控及故障时的保护工作，图5给出了监控与保护环节的软件流程框图，该软件随时监控主电路中对应与晶闸管串联的48只快速熔断器的报警开关输出及装于水冷母排上的报警用温度开关的接点闭合与否，由于两台整流电源共用了48只晶闸管元件，报警信号很多，常规的设计对应每一个故障点，需要一个PLC的输入端口，为减小PLC系统的硬件配置，本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，主电路合分闸都在脉冲封锁状态下进行，补偿与滤波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，从而有效的防止了次谐波振荡及过补偿状况的发生。

　　(5)熔速控制及自动给定

　　为了满足全自动熔炼的需要，本电源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PLC的接口接受上位计算机输出的按工艺设定输出电流指令，在PLC内转换为相应的模拟给定电压从PLC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，使控制达到了很好的效果。

　　(6)应用电流断续补偿扩大电流稳定不