10t真空電弧爐用40 kA直流電源的研制與應用

摘要：介紹了填補國內空白的國產(chǎn)最大10 t真空自耗電弧爐用2x20 kA／60 V直流電源的系統構成。主電路采用12脈波雙反星型可控整流，觸發(fā)脈沖有相位自適應功能；高性能功率因數補償控制器與8421編程的分組補償容量配置，保證了投入補償容量跟蹤實(shí)際功率因數實(shí)時(shí)值變化，輸出直流電流在10～40 kA的整個(gè)運行范圍內功率因數都高于0．95；根據工藝狀況起弧、熔化、補縮階段的差異，變結構的電壓與電流調節器狀態(tài)根據負載工況自動(dòng)切換，適應熔化重量不同錠子對輸出電流大小的相異要求，穩流精度高達0．5％；矩陣式軟件設計簡(jiǎn)化了PLC監控系統的硬件結構，取得了很好的控制與監控效果。
關(guān)鍵詞：直流電源；真空電弧爐；電路設計

1 引言
直流真空熔煉是稀貴金屬及高性能合金鋼熔煉所必須采用的工藝，真空電弧爐及配套電源是其中的關(guān)鍵設備。我國熔煉鈦的直流真空自耗熔煉爐，單爐熔煉重量已從原來(lái)常用的1 t提至10 t，這里介紹了用于國產(chǎn)10 t鈦合金熔煉真空自耗爐的2×20 kA／60 V直流電源的設計及使用情況。

2 原理與設計
10t鈦合金熔煉真空自耗爐工藝要求配套直流電源輸出額定參數為40 kA／60 V，其構成可分為主電路及控制電路兩部分。
2．1 主電路
主電路采用10 kV經(jīng)兩級變壓器直接降壓再由晶閘管可控整流的方案，為降低注入電網(wǎng)的諧波含量，采用12相可控整流方案，考慮到熔煉過(guò)程中起弧電壓為60 V，而熔煉電壓僅為40 V左右，功率因數很低的實(shí)際工況，主電路中增加了功率因數補償環(huán)節。圖1示出主電路原理，其中應用了兩套雙反星形可控整流單元并聯(lián)。

(1)降壓匹配變壓器 電網(wǎng)10kV先由第一級變壓器降為690 V，再由兩臺初級分別接為三角形與星形的整流變壓器降壓，這樣設計是為了將第二級整流變壓器與可控整流部分裝在一個(gè)柜體中，構成一體化電源，從根本上解決多年來(lái)，該類(lèi)國產(chǎn)電源整流變壓器放于柜外，現場(chǎng)安裝整流變壓器與整流柜之間大截面銅母排極難安裝，工作量巨大的問(wèn)題，此結構方案吸收了世界先進(jìn)技術(shù)設計，變壓器T1采用油浸自冷，而整流變壓器T2與T3采用干式水冷，CT1～CT5為進(jìn)行690 V側交流電流取樣的電流互感器，其作用：①在直流霍爾電流傳感器失效后，為原電流閉環(huán)系統變?yōu)殚_(kāi)環(huán)運行故障的過(guò)電流保護提供電流取樣信號；②為功率因數控制器提供計算功率因數的電流取樣信號，電壓互感器UT用來(lái)把690 V電壓變?yōu)楣β室驍悼刂破餍枰?00 V標準信號，作為功率因數控制器計算功率因數的電壓依據。
(2)可控整流部分 該部分的電路原理構成如圖1中的下半部分，采用兩個(gè)雙反星形可控整流電路并聯(lián)，HL1與HL2為霍爾電流傳感器，用于檢測每個(gè)整流部分輸出的實(shí)際電流值，提供給閉環(huán)調節器及保護單元與顯示環(huán)節，保證在同一個(gè)輸出電流設定值下，兩個(gè)雙反星形可控整流部分各承擔負載電流的一半，另外在對實(shí)際運行電流進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示的同時(shí)，提供給保護電路監控運行狀況，若超過(guò)實(shí)際值，則進(jìn)行有效迅速的保護。
(3)功率因數補償的主電路 幾乎所有的真空熔煉爐都是空載起弧電壓高，隨單爐可熔煉金屬材料重量的不同為50～75 V，熔煉過(guò)程中熔化電壓一般為30～45 V，因此運行時(shí)其功率因數都很低，一般為0．45～0．7。為解決此40 kA直流電源系統功率因數太低的問(wèn)題，首次在此領(lǐng)域使用的可控整流電源系統中，增加了按熔煉過(guò)程中實(shí)際負荷功率大小自動(dòng)調節功率因數的環(huán)節，其主電路如圖1右上角所示，圖中DZ1～DZ3為進(jìn)行電容短路故障保護的自動(dòng)空氣斷路器，KM1～KM3為用來(lái)按實(shí)際功率因數大小自動(dòng)投切補償支路的接觸器，L1～L3，C1～C3分別為3個(gè)支路中防止諧波放大的電抗器和功率因數補償電容器，該功率因數補償主電路的工作原理為：裝設于控制回路的功率因數控制器，根據UT與CT1的電壓和電流取樣信號，實(shí)時(shí)計算功率因數，根據計算結果與目標值0．97的差別，以8421編碼的組合方式，輸出控制KM1～KM3中1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)閉合，按功率因數的實(shí)際需要投入相應的補償電容，滿(mǎn)足無(wú)論是化一次錠還是化二次錠，在輸出直流電流從10～40 kA變化的整個(gè)工作范圍內，都可以保證690 V側的功率因數既不低于0．97又不高于1。