1.导言
直流真空熔炼是稀贵金属及高性能合金钢熔炼一切必要选用的工艺，因此真空电弧炉及配套电源的规划是这种运用场合的要害与底子，近十年来我国直流真空自耗熔炼炉的规划与制作技能水平飞速开展，国产真空自耗熔炼炉单炉熔炼钛的分量已从本来常用的1T提升到10T，国产真空自耗凝壳炉单炉熔炼钛的分量已从本来常用的260kg进步到800kG，至2010年底，国产10T钛真空自耗熔炼炉及3T钢真空自耗熔炼炉和800kG凝壳炉相继投入运转，这三种填补国内空白的熔炼体系之供电电源都由咱们研发，其间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能，本文介绍用于国产10T钛合金熔炼真空自耗炉的2×20kA/60V直流电源的规划及运用状况，热望能推动我国此职业的开展。
2.原理与规划
10T钛合金熔炼真空自耗炉工艺要求配套直流电源输出额外参数为40kA/60V，在此之前国产的此类用处的电源容量最大仅30kA/50V，图1给出了体系的总原理框图，从图显见，其构成可分为主电路及操控电路两大部分，下面别离剖析各部分的作业原理。
2.1 主电路
主电路选用10kV经两级变压器直接降压再晶闸管可控整流的计划，为下降注入电网的谐波含量选用12相可控整流计划，另考虑到熔炼进程中起弧电压为60V，而熔炼电压仅40V左右，功率因数很低的实践工况，主电路中添加了功率因数补偿环节，图2给出了主电路的原理图，图中运用了两套双反星形可控整流单元并联，其间图2的上半部分给出了主电路中的降压匹配变压器部分。可控硅
(1)降压匹配变压器
显见，电网10kV先由榜首级降压变压器降为690V，再由两台一次别离接为三角形与星形的整流变压器降压，这样规划的意图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，给结构规划带来的不便利，一同从底子上处理了多年来，国产这类电源整流变压器放于柜外，现场设备整流变压器与整流柜之间大截面铜母排极难设备，作业量巨大的问题，使现场的设备作业量到达最小，更为可贵的是减小了整个电源的体积，缩小了占地面积，此结构计划是吸收了世界名牌真空电弧炉成套厂—德国ALd公司的先进技能规划与研发的，图中变压器T1选用油浸自冷，而整流变压器T2与T3选用干式水冷，CT1—CT5为进行690V侧沟通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，原电流闭环体系变为开环运转毛病的过电流维护供给电流取样信号，二则为功率因数操控器供给对功率因数进行核算的电流取样信号，UT为电压互感器，它用来把690V电压变为功率因数操控器需求的100V规范信号，作为功率因数操控器核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，其运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践电流值，供给给闭环调理器及维护单元与显现环节，一则确保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当负载电流的一半，另一方面在对实践运转电流进行实时显现的一同，监控运转状况，若超越实践值，则进行有用敏捷的维护。
(3)功率因数补偿的主电路
简直一切的真空熔炼炉(包含自耗电极熔炼炉和凝壳炉)，都存在一个共性问题，这便是空载起弧电压高，随单炉可熔炼金属材料分量的不同为50～75V，熔炼进程中熔化电压又低，一般随单炉可熔炼金属材料分量的不同为30～45V，由此构成不管其运用的直流电源是先运用整流变压器降压，后晶闸管可控整流的计划，仍是先选用饱满电抗器调压，后整流变压器再降压，整流管整流的计划，运转时其功率因数都很低，一般为0.45～0.7，为处理本10T钛合金熔炼真空自耗炉用40kA直流电源体系功率因数太低的问题，咱们在国内初次在此范畴运用的可控整流电源体系中，添加了按熔炼进程中实践负荷功率巨细主动调理功率因数的环节，该部分的主电路构成如图2中的右上角所示，图中DZ1～DZ3为进行电容短路毛病维护的主动空气断路器，KM3～KM5为用来按实践功率因数巨细主动投切补偿支路的接触器，L1、C1～L3、C3别离为三个支路的避免谐波扩展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作业原理为：装于操控回路的功率因数操控器，依据UT与CT1的电压与电流取样信号，实时核算功率因数，并按核算结果与目标值0.95的不同，按8421编码的组合，输出操控KM3～KM5中一个、两个、三个闭合，按功率因数的实践需求投入相应的补偿电容，满意无论是化一次锭仍是化二次锭，在输出直流电流从10kA～40kA改变的整个作业规模内，都可以确保690V侧的功率因数既不低于0.95又不高于1.0。
2.2 可控整流部分的操控电路
可控整流部分的操控电路分为给定积分、闭环调理器、电压电流检测与处理、同步环节、触发脉冲构成、维护监控电路，限于篇幅本文仅介绍几个要害的单元电路，其他电路可参考文献3。
(1)闭环调理器
因为真空电弧炉有起弧、熔炼、补缩等工艺进程，起弧时电压高为空载电压、熔炼作业时电弧电压仅是直流电源输出空载电压的一半，熔炼进程中又期望构成安稳度很好的恒流源，另一方面为避免起弧时电压太低无法起弧或起弧电压太高击穿坩埚，咱们规划了图3所示的起弧时为稳压源，熔炼时恒流操控的可按负载工况主动转化的动态双闭环调理器，图中IC4B与IC4A别离和外围元器材一同构成PI调理器，UF与IF别离为来自电压与电流检测环节的输出信号，电压与电流的检测别离运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简直为零，比较器IC3A输出高电平，模仿开关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，反应为电压反应，电压闭环调理器作业，构成电压闭环，当起弧成功后，因为电流值一般已达几千安培，比较器IC3A输出低电平，模仿开关IC2中的引脚12变为低电平，电压调理器输出支路因IC2的引脚11与10断开而退出运转，一同IC2的引脚6变为高电平，电流调理器输出支路因IC2的引脚8与9接通而投入运转，电流取样值作为调理器的反应信号送入电流闭环调理器，然后确保直流电源输出为安稳度很好的恒流源，满意熔炼进程中高精度安稳直流电流输出的需求。
(2)同步环节
10T钛合金熔炼真空自耗炉用2×20kA/60V直流电源，运用了光耦合器作为触发脉冲构成单元前级的
同步环节，省去了惯例运用的同步变压器，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根底，图4中6个光耦合器VLC1～
(3)触发脉冲构成
触发脉冲构成环节的原理电路如图4所示，其中心单元IC7为陕西高科电力电子有限责任公司运用CPLD芯片开发的准数字化触发集成电路芯片SGK198，该触发器运用对闭环调理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分频计数的办法来取得6路触发脉冲输出，6路触发脉冲构成的计数器开端计数的时间由同步环节输出的6路同步信号的后沿所决议，由此可见，闭环调理器输出电压值高，阐明反应小于给定，且差错较大，图4差分器IC4C输出电压便低，压控振动器输出的频率便低，计数器计满的时间便长，输出触发脉冲便距同步信号后沿间隔便远，相当于操控角α减小，整流输出直流电压便添加，反之，当闭环调理器输出电压较小时，阐明用户设定的直流电源输出运转参数与实践运转参数差错较小，图4中差分器%&&&&&%4C输出电压便高压控振动器输出频率便高，计数器计满的时间便短，输出触发脉冲的时间便距同步信号后沿间隔便近，相当于操控角α增大，晶闸管的导通角减小，输出直流电压下降。
(4)监控维护单元
10T钛合金熔炼真空自耗炉用2×20kA/60V直流电源，运用PLC完结运转状况的监控及毛病时的维护作业，图5给出了监控与维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，因为两台整流电源共用了48只晶闸管元件，报警信号许多，惯例的规划对应每一个毛病点，需求一个PLC的输入端口，为减小PLC体系的硬件配备，本电源体系选用了一种矩阵式编程办法，然后使体系硬件得以简化，一同在软件编程时依据电弧熔炼的特殊要求，添加了给定不为零不能合闸起动，主电路合分闸都在脉冲封闭状态下进行，补偿与滤波电源输出功率到达必定值时才投入，在切除
电源功率前先切除功率因数补偿单元，然后有用的避免了次谐波振动及过补偿状况的产生。
(5)熔速操控及主动给定
为了满意全主动熔炼的需求，本电源经过与炉子工况及熔炼操控的上位核算机之间的通讯，完成了主动熔炼时的按曲线给定，操控单元经过PLC的接口承受上位核算机输出的按工艺设定输出电流指令，在PLC内转化为相应的模仿给定电压从PLC的模仿输出口输出，操控触发脉冲的操控角相位，到达调理及安稳输出电流的意图，并在国内初次运用了熔速操控，使操控到达了很好的作用。
(6)运用电流断续补偿扩展电流安稳不断弧规模
因为自耗电极真空熔炼炉工艺有起弧、熔炼、补缩等工艺进程，为了确保制品锭快熔化完时使锭子端口尽可能的平坦，进步熔化锭子制品率，要求补缩电流尽可能的小，虽然在主电路中直流输出端添加了平波电抗器Lo，但也很难使输出直流电流到达全规模接连，因此在操控回路中添加了电流断续的补偿环节，使补缩时的电流接连安稳作业规模到达了最小电流不大于500A的杰出作用。
(7) 功率因数补偿环节的操控
因为真空自耗熔炼炉工艺进程较为杂乱，作业时
开端初始化封脉冲有否电源冷却水压给定设定为零?高压合闸合闸到位否?解封闭按给定输入设检测实践电压有否毛病信号?有停机信息?封脉冲 停机有 有不正常缺相毛病?水流量正常?否正常无是未到位到位无无有 电流毛病报警置输出调理巨细分断高压给定设定为零?是否
图5 PLC监控维护单元的软件流程框图
分起弧、熔炼、补缩、停机等工艺流程，一同对应不同的作业段，要求电源输出安稳运转的电流与电压值不同，由此构成电源运转时其功率因数与注入电网的谐波电流含量会有很大不同，这就决议了对其功率因数补偿和谐波管理要采纳改变的参数与结构。只要这样才干到达在整个工艺进程中都可确保功率因数不低于国标答应值，而注入电网的谐波电流不超越国标答应值，因本10T真空自耗炉用直流电源选用12脉波可控整流计划，整体装机用%&&&&&%量并不大，所以其注入电网的谐波含量是满意国标《GB/T 14549-93电能质量 共用电网谐波》规则的，因此在本体系中仅考虑功率因数补偿，而未设置谐波滤波，仅仅功率因数补偿的操控电路，既要满意起弧、熔炼、补缩、停机等工艺流程的需求，又要合适熔炼一次锭、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求，为此规划了专门的操控器，操控器内对电源的功率因数按输入的电压和电流值随时进行核算，并按熔炼工况及锭子品种和实践运用电流的不同，按8421组合决议投入多大的补偿容量，既严厉确保在整个作业周期中，补偿后的功率因数大于0.95，且使谐波不被扩展，又牢靠的按当电源负荷到达必定值时，功率因数补偿支路才投入，而当电源负荷小到必定值时，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2中的断路器DLQ，确保不产生次谐波震动及谐波扩展等不正常状况。
3. 有用作用简介
上述10T钛合金熔炼真空自耗炉用2×20kA/60V直流电源，已成功的用于咱们研发的国内首台10T电弧炉熔炼体系中，整流变压器、直流平波电抗器、晶闸管整流单元、操控环节、纯水冷却器、进线断路器悉数装于两个柜体中，每个整流柜体系输出20kA/60V，运用中两柜并联运转，经实测稳流精度高于1%，功率因数不管是在熔化一次锭仍是二次锭，电源输出电流安稳运转规模10kA～40kA，全规模内都不低于0.95，注入电网的谐波电流含量低于国标答应值，补缩工况最小可接连安稳运转电流为500A,现场设备仅需衔接沟通三相输入690V电缆线及直流输出正负母排和外循环水两根水管，设备甚为便利，运转安稳牢靠，到达了非常抱负的规划与运转作用。
4.结 论
综上剖析，咱们可得下述定论：
(1)10T钛合金熔炼真空自耗炉用2×20kA/60V直流电源的研发成功，填补了国内空白，它把整流变压器、平波电抗器、纯水冷却器、整流及操控和维护等单元装于一个柜体中，缩短了引线尺度及占地面积，减小了现场设备作业量，是个很好的计划。
(2)文中介绍的同步环节及触发脉冲构成电路设
计的较为奇妙，可推行到低压可控整流体系。
(3)电压与电流可依据工况主动切换的闭环调理器规划，统筹了安稳输出电压与输出电流的不同需求是个不错的规划计划。
(4)选用12脉波可控整流，一同添加动态功率因数补偿环节，经过奇妙的操控器规划，满意了真空自耗熔炼炉的杂乱运转工况要求，使运转时的功率因数较高，并确保了注入电网的谐波不被扩展，在该职业为创始，在国内真空自耗熔炼炉及凝壳炉电源的体系配备中具有推行性。
(5)文中介绍的PLC监控与维护单元运用矩阵式软件编程办法，使需求的硬件配备要求得以下降，节省了本钱，具有立异性。
(6)理论剖析和有用作用都证明了，上述计划的可行性，毫无疑问，其运用远景将是非常宽广的。
参考文献
[1] 王兆安 电力电子技能(M)(第四版)，北京：机械工业出书社，2006，12
[2] 李 宏 浅谈直流电弧炉用电源的开展，电源技能运用(J)，2010.2
[3] 李 宏著，常用电力电子变流设备的调试与修理根底(M)，北京:科学出书社，2011
[4] 李 宏著，常用电力电子变流设备的调试与修理实例(M)，北京:科学出书社，2011
[5] 李 宏，常用电力电子变流设备器材及集成电路运用攻略，榜首分册 电力半导体器材及驱动集成电路(M)，北京：机械出书社，2001.5
作者简介：
李宏，男，现年52岁,西安石油大学电子工程学院教授，宣布论文200多篇，出书专(编)著15部，获我国人民解放军空军科技进步三等奖1项。现兼任我国电工技能学会电力电子学会理事、我国电工技能学会电气节能研讨会理事、我国电源学会特种电源专业委员会常务委员、我国电工技能学会电力电子学会学术委员会委员、陕西省电源学会常务理事、首要研讨方向为电力电子技能、电气传动技能、特种电源技能及专用%&&&&&%的开发和运用技能。掌管规划与电力电子有关的工程项目近110个，研发开发的电力电子成套设备380多台套，运转于国内电力、冶金、化工、石油、机械、电子、核工业、军工等职业，并已出口到东南亚，还配备了我国人民解放军空军导弹部队及陆军科研所，开发的晶闸管、GTR、IGBT专用驱动操控板累计在全国出售15000多块，主编的有用电力电子技能资料在全国28个省市出售近30000多册。
