直流电源在真空自耗电弧炉中的应用

摘要：本文介绍了国产z *大型10T真空自耗电弧炉的国产2 *倍20kA / 60V直流电源的系统配置，填补了国内空白。不仅详细介绍了主电路和关键控制电路的原理和工作过程，还详细介绍了控制思想和应用效果。一，引言直流真空冶炼是一种稀有，贵金属和高性能合金钢的冶炼工艺。因此，真空电弧炉和辅助电源的设计是该应用的关键和基础。在过去的十年中，中国的直流真空消耗熔炼炉的设计和制造技术水平得到了飞速发展。家用真空消耗熔炼炉的单炉重量从1T增加到10T，家用真空消耗熔炼炉的单炉重量从260kg降低。它已增加到800kG。到2010年底，国内已建成10T钛真空自耗熔炉，3T钢真空自耗熔炉和800kG冷凝炉。我们开发了用于填充家用毛坯熔化系统的三种电源。它吸收了来自世界m *真空电弧炉成套设备---德国ALd公司的许多进口设备的先进技术。本文介绍了家用10T钛合金熔炼真空自耗炉的2次20kA / 60V直流电源的设计和使用。情势浓厚，渴望推动中国这一产业的发展。 2.分析了10T钛合金熔炼真空自耗炉2次20kA / 60V直流电源系统的组成和工作原理。 10T钛合金熔炼真空消耗炉的工艺要求。额定直流电源输出参数为40kA / 60V。此类应用的电源容量z *仅为30kA / 50V。图1显示了该系统的一般原理框图。从图中可以看出，其组成可分为两部分：主电路和控制电路。工作准则。 2.1主电路主电路采用10kV直流降压和两相可控硅可控整流方案。为了减少注入电网的谐波含量，使用了12相可控整流方案。另外，熔化过程中的电弧电压为60V。冶炼电压仅为40V左右，功率因数的实际工作条件很低。功率因数补偿链接已添加到主电路。图2显示了主电路的原理图，图中使用了两组双反向星形可控整流器。这些单元并联连接。图2的上半部分显示了主电路的降压匹配变压器部分。 （1）显然，降压匹配变压器是通过降压变压器将10kV电网降低到690V，然后由同时连接到三角形和星形的两个整流变压器降压。此设计的目的是对第二级进行整流。将变压器和可控整流部分安装在机柜中以形成集成电源，避免将10kV输入整流变压器和整流器单元安装在机柜中。电压过高，给结构设计带来不便，同时从根本上解决了国产功率整流变压器放置在柜体外多年的问题。现场在整流变压器和整流柜之间安装大截面铜排非常困难，工作量巨大，现场安装工作量达到z *小。减小整个电源的尺寸并减小面积甚至更有价值。该结构解决方案是由世界m *真空电弧炉成套设备-德国ALd公司的先进技术设计和开发的。变压器T1使用油浸式自冷却，而整流变压器T2和T3使用干水冷却，CT1mdash和CT5是电流互感器，用于在690V侧进行交流电流采样。其功能如下所示：首先，它提供电流直流霍尔电流传感器故障后，用于将原始电流闭环系统过流保护用于开环操作故障的采样信号，其次，它为功率因数控制器提供电流以计算功率因数采样信号，UT是变压器，用于将690V电压更改为功率因数控制器所需的100V标准信号，作为功率因数控制器计算功率因数的电压基础。 （2）可控整流部分该部分的电路原理如图2的下半部分所示。该电路并联使用两个常用的双反星形可控整流电路。图中的HL1和HL2是两个霍尔电流。传感器用于检测每个整流器部分输出的实际电流值，并提供给闭环调节器，保护单元和显示链接。一个保证在相同的输出电流设定值下，两个双反星形可控整流器部分各自承担一半的负载电流。另一方面，在实时显示实际工作电流的同时，监视工作状态。如果超过实际值，则会执行有效且快速的保护。 （3）功率因数补偿的主电路几乎所有的真空熔炉（包括易耗电极熔炉和冷凝炉）都有一个共同的问题。这是高的空载电弧电压，可用于单炉熔化金属。材料重量的差为50-75V，并且在熔炼过程中熔炼电压低。通常，可以在单个熔炉中熔炼的金属材料的重量为30-45V。因此，无论使用何种直流电源，均使用整流变压器来降低电压。后晶闸管的可控整流方案仍然采用饱和电抗器先调节电压，再降低整流变压器的电压。整流器整流器方案在运行期间具有低功率因数，通常为0.45至0.7。为了解决此10T钛的问题，用于合金冶炼真空消耗炉的40kA直流电源系统的功率因数太低。在中国该领域使用的可控整流器电源系统中，我们已根据熔化过程中的实际负载功率自动调整了功率因数。该部分的主要电路结构如图2的右上角所示。图中的DZ1至DZ3是用于电容器短路故障保护的自保护。空气断路器KM3至KM5是用于根据实际功率因数自动切换补偿支路的接触器，而L1，C1至L3和C3是防止谐波放大电抗器和功率因数补偿的三个支路。电容器，功率因数补偿主电路的工作原理是：将功率因数控制器安装在控制回路中，根据UT和CT1的电压和电流采样信号，实时计算功率因数，并根据差值在计算结果和0.95的目标值之间，根据8421码的组合，输出控件KM3至KM5中的一个，两个和三个闭合。根据功率因数的实际需要，输入相应的补偿电容，以满足输出主锭或副锭的要求。在10kA〜40kA的整个工作范围内，可以保证690V侧的功率因数不小于0.95且不大于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，电压和电流检测与处理，同步环节，触发脉冲形成，保护监控电路，其空间有限。本文仅介绍几个关键点。单元电路，其余电路可参考参考文献3。（1）由于真空电弧炉的起弧，熔炼和收缩过程，起弧电压为空载电压，且熔化过程中的电弧电压仅为直流电源输出的空载电压的一半。中国的熔化过程也希望形成稳定的恒流源。另一方面，在orde为了防止电弧放电期间电弧电压过低或电弧电压过高导致坩埚损坏，我们设计了电弧稳定性，如图3所示。电压源，恒流控制动态双闭环稳压器在熔化过程中可以根据负载条件自动切换。在图中，IC4B和IC4A与外围组件一起构成PI调节器。 UF和IF来自电压和电流检测链路。霍尔电压传感器和霍尔电流传感器分别检测输出信号，电压和电流。 IC2是电子开关CD4066。当电弧在电弧之前IF几乎为零时，比较器IC3A输出高电平。引脚6为低电平，引脚12为高电平。内部引脚11和10已连接。反馈是电压反馈。电压闭环调节器用于形成电压闭环。成功之后，由于电流值通常达到几千安培，比较器IC3A输出低电平，模拟开关IC2中的引脚12变为低电平，并且电压调节器输出分支由于引脚11和12而断开。 IC2的10。打开并退出操作，同时，IC2的引脚6变为高电平，因为IC2的引脚8和9接通，电流调节器输出分支投入运行，并且电流采样值发送到电流闭合状态环路作为调节器的反馈信号。调节器确保直流电源输出是具有良好稳定性的恒定电流源，并满足冶炼过程中高精度和稳定直流输出的需求。 （2）同步环节10T钛合金冶炼真空消耗炉使用2倍20kA / 60V直流电源，光电耦合器作为触发脉冲形成单元的预同步环节，省去了传统的同步变压器，实现了同步链接减小了体积和损耗，并且为形成相序自适应触发器奠定了良好的基础。图4中的六个光电耦合器VLC1至VLC6均为TLP521，它将同步链路的输出确定为相位差为60ordm的六个方波脉冲信号。 （3）触发脉冲形成的原理触发脉冲形成环节的原理电路如图4所示。其核心单元IC7是由陕西高科电力电子有限公司开发的CPLD芯片开发的准数字触发集成电路芯片SGK198。该触发器使用闭环。调节器输出电压被转换为适合该电压的频率脉冲信号。该脉冲信号在SGK198中被6计数以获得6个触发脉冲输出。由6个触发脉冲形成的计数器开始计数的时间由同步链接输出的6个同步信号的下降沿确定。可以看出，闭环调节器输出电压较高，表明反馈小于给定值，误差较大。图4差分IC4C的输出电压很低，并且电压控制振荡器输出的频率很低，并且计数器需要很长时间才能完成。输出触发脉冲将远离同步信号的后沿。等效于控制角α减小，控制角α减小，整流输出DC电压增加。反之，当进行闭环调节时当变频器的输出电压较小时，表示用户设定的直流电源输出运行参数。实际运行参数误差较小。在图4中，差分电路IC4C的输出电压较高，而高压控制振荡器的输出频率较高。计数器的全时间很短，并且输出触发脉冲的时间接近同步信号的后沿，这等效于：随着控制角α的增加，晶闸管的导通角减小，并且输出DC电压减小。 （4）监控保护装置10T钛合金冶炼真空消耗炉使用2次20kA / 60V直流电源，PLC用于完成对运行状态的监控和故障时的保护。图5显示了监视和保护链接的软件流程图。该软件可随时监视报警和警报输出。e与主电路中的晶闸管串联的48个快速熔断器，以及安装在水冷母线上的报警温度开关的触点是否闭合。因为两个整流器电源共享48个晶闸管，所以有许多组件和警报信号。传统设计要求每个故障点都有一个PLC输入端口。为了减少PLC系统的硬件配置，此电源系统使用矩阵编程方法来简化系统硬件。同时，根据软件编程过程中电弧熔炼的特殊要求，添加了给定的非零非闭合启动。主电路的闭合和断开在脉冲阻断状态下进行。补偿滤波功率输出功率只有在达到一定值时才输入。在切断电源之前先切断功率因数补偿单元，从而有效地防止了和补偿谐波发生振荡。 （5）熔炼速度控制和自动设定为了满足自动熔炼的需要，电源通过与熔炉工作状态的上位机通讯和熔炼控制来实现自动熔炼过程中的曲线设定，控制单元通过PLC的接口根据该过程接受计算机设置的输出电流指令，将其转换为PLC中相应的模拟给定电压，并从PLC的模拟输出端口输出，控制触发脉冲的控制角度相位，达到稳压稳定的输出电流。目的，与国内使用的熔化速度控制s *倍，使控制取得了良好的效果。 （6）应用电流不连续补偿来扩大电流稳定性和连续电弧范围。由于消耗电极真空熔炉工艺中的起弧，熔炼，收缩等工艺，当成品锭几乎完成熔化时，为了确保锭口尽可能平坦。为了增加熔融主轴的产量，尽管主电路中的直流输出端子增加了，但仍要求收缩电流尽可能小。