電弧爐全數(shù)字脈波可控整流電源控制系統(tǒng)設(shè)計

安文剛，楊鵬飛，李 飛

（西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司，陜西西安 710018）

0 引言

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，鈦及鈦合金產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、醫(yī)療等行業(yè)。而在高端鈦及鈦合金的熔煉過程中，對電源輸出電流的穩(wěn)定性要求極高。為設(shè)計一款輸出電流穩(wěn)定、控制精度高、操作簡單、安全可靠的整流電源系統(tǒng)，結(jié)合電弧爐用大功率整流電源豐富的設(shè)計經(jīng)驗，同時吸收德國ALD、美國CONSARC、奧地利INTECO 等世界著名公司的大功率直流電源技術(shù)的優(yōu)點，西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司自主開發(fā)設(shè)計了一款全數(shù)字化可控整流電源。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用高壓一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，通過三相五柱變壓器與平衡電抗器組合于一體，整流變壓器一次側(cè)安裝有載調(diào)壓裝置，一次進線電壓10 kV，二次輸出分3 擋可調(diào)，整流部分采用雙反星帶平衡電抗器并聯(lián)晶閘管整流方式（圖1）。采用高壓一體化設(shè)計方式，不但大大降低了連接用銅排的費用，同時降低整個系統(tǒng)的占地面積。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 同步環(huán)節(jié)及觸發(fā)脈沖電路

通過采用光耦合器作為觸發(fā)脈沖前置單元的同步環(huán)節(jié)設(shè)計，替代常規(guī)的同步變壓器，大大提升了同步環(huán)節(jié)設(shè)計所帶來了體積增大、損耗過大等問題。

圖1 整流電源原理

2.2 調(diào)節(jié)器反饋閉環(huán)

真空自耗電弧爐工作時的工藝過程包括短路起弧、真空自耗熔煉、末端補縮等。短路起弧時，電壓為輸出空載電壓，但真空自耗熔煉作業(yè)過程中電弧電壓僅是輸出空載電壓的1/2，為防止起弧電壓太高而擊穿坩堝內(nèi)壁、或起弧時電壓太低無法正常起弧，采用動態(tài)雙閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，并實現(xiàn)了在線PID 參數(shù)設(shè)定的專用全數(shù)字化控制系統(tǒng)。電壓與電流的檢測分別使用了霍爾電壓傳感器與霍爾電流傳感器。起弧時設(shè)定起弧電流，并配有截壓截流保護單元。起弧成功后，由于電流值通常已達(dá)幾千安培，電流采樣值作為調(diào)節(jié)器的反饋信號送至電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器，保證整流直流電源輸出為穩(wěn)定性良好的恒流電源，滿足自耗熔煉過程控制精度高、穩(wěn)態(tài)性能好的直流電流輸出的需要，并具有動態(tài)性能好、無沖擊、無突變、線性度好等優(yōu)點。控制系統(tǒng)工作原理如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)工作原理

2.3 12 脈波可控整流

可控整流部分采用常用的帶平衡電抗器的雙反星并聯(lián)可控整流電路，由于在2 個星形的中點接有帶中間抽頭的平衡電抗器，保證2 個星形整流部分每個承擔(dān)1/2 負(fù)載電流。平衡電抗器末端裝有霍爾電流傳感器，霍爾電流傳感器信號輸出給閉環(huán)調(diào)節(jié)器、綜合保護單元以及人機界面，運行中對電流進行實時監(jiān)控和顯示（出現(xiàn)實際值超過可控范圍，迅速進行有效保護）。

2.4 PLC 監(jiān)控與保護單元

PLC 監(jiān)控單元通過采集變壓器油溫、油流，冷卻系統(tǒng)的水壓、水溫，高壓開關(guān)柜是否有缺相，整流部分快熔等信號，對整個電弧爐電源的運行過程進行動態(tài)實時監(jiān)控和保護，確保其運行的安全性和可靠性。

3 控制系統(tǒng)性能特點

全數(shù)字電弧爐電源控制系統(tǒng)的性能特點如下：

（1）全數(shù)字化。PID 設(shè)定、電流給定與反饋、同步變壓器鐘點數(shù)及移相角設(shè)定等功能均實現(xiàn)數(shù)字化，并可在線整定。

（2）輸出穩(wěn)定性好。設(shè)定值與輸出值實現(xiàn)了良好的線性化，其穩(wěn)定性、線性度均為目前國內(nèi)電弧爐整流電源中較好的。

（3）起弧電流小、運行平穩(wěn)無沖擊。測試試驗電流從0 連續(xù)上升到800 A 順利起弧，不會出現(xiàn)沖擊電源或電擊坩堝底墊的現(xiàn)象。

4 運行結(jié)果

（1）通過負(fù)載、短路試驗，該直流電源動態(tài)穩(wěn)定性能良好，具有短路起弧無沖擊、穩(wěn)定電流精度高、響應(yīng)時間快等特點。

（2）具有綜合可靠性強的PLC 監(jiān)控和保護單元系統(tǒng)。