10t真空电弧炉用40 kA直流电源的研制与应用

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，电压与电流的检测均使用了
霍尔传感器，IC2为电子开关CD4066，在起弧前因IF几乎为零，比较器IC3A输出高电平，IC2中引脚6为低电平，引脚12与5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；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，IC3A输出低电平，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2x20 kA／60 V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6个光耦合器均为TLP521，由此决定了同步环节的输出为6路相位互差60°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3所示，其核心单元IC7为应用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，当差分器IC2A输出电压低时，压控振荡器IC4C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，IC2A输出电压便高，IC4C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2x20 kA／60 V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48只晶闸管元件，报警信号很多，为减小PLC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。

(5)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PLC接口接收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后从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，满足全自动熔炼的需要，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断弧范围 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Lo，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500 A的良好效果。
(7)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构。在该系统中，根据系统最小短路容量计算的注入电网谐波满足国标要求，仅考虑功率因数补偿，这就决定了其控制电路既要满足起弧、熔炼、补缩、停机等工艺流程的需要，又要适合熔炼一次锭、二次锭、合金锭及锭子直径不同对直流电源输出电流的要求不同的需要，为此设计了专门的控制器，电源运行的实时功率因数按输入的电压和电流值随时进行计算，并按熔炼工况及所熔化锭子种类和实际使用电流的不同，按8421组合决定投入多大的补偿容量，既严格保证在整个工作周期中补偿后的功率因数大于0．97，且使谐波不被放大，又可靠地按当电源负荷达到一定值时，功率因数补偿支路才投入，而当电源负荷小到一定值时，功率因数补偿支路先切除，在直流电源停机时，先退出功率因数补偿支路，再断开图1中的断路器DLQ，保证不发生次谐波振荡及使谐波放大等不正常情况。

3 实用效果简介
上述10 t钛合金熔炼真空自耗炉用2x20 kA／60V直流电源，已成功在国内首台10t电弧炉熔炼系统中使用，随坩埚尺寸的不同，单炉可熔化锭子重量为6 t，8 t，10 t，最大锭子直径为1 020mm，整流变压器、直流平波电抗器、晶闸管整流单元、控制环节、纯水冷却器、进线断路器全部装于两个柜体中，每个整流柜系统输出20 kA／60 V，使用中两柜并联运行，经实测稳流精度高于0．5％，功率因数不论是在熔化一次锭还是二次锭，电源输出电流稳定运行范围10～40 kA，全范围内都不低于0．95，注入电网的谐波电流含量低于国标允许值，补缩工况最小可连续稳定运行电流为500 A，现场安装仅需连接交流三相输入690 V电缆线及直流输出正负母排和外循环水两根水管，安装甚为方便，运行稳定可靠，达到了十分理想的设计与运行效果，图5给出了熔化时输出的直流电压波形。