电弧炉全数字脉波可控整流电源控制系统设计

安文刚，杨鹏飞，李 飞

（西部超导材料科技股份有限公司，陕西西安 710018）

0 引言

随着工业的快速发展，钛及钛合金产品广泛应用于航空航天、化工、医疗等行业。而在高端钛及钛合金的熔炼过程中，对电源输出电流的稳定性要求极高。为设计一款输出电流稳定、控制精度高、操作简单、安全可靠的整流电源系统，结合电弧炉用大功率整流电源丰富的设计经验，同时吸收德国ALD、美国CONSARC、奥地利INTECO 等世界著名公司的大功率直流电源技术的优点，西部超导材料科技股份有限公司自主开发设计了一款全数字化可控整流电源。

1 系统结构

本系统采用高压一体化结构设计理念，通过三相五柱变压器与平衡电抗器组合于一体，整流变压器一次侧安装有载调压装置，一次进线电压10 kV，二次输出分3 挡可调，整流部分采用双反星带平衡电抗器并联晶闸管整流方式（图1）。采用高压一体化设计方式，不但大大降低了连接用铜排的费用，同时降低整个系统的占地面积。

2 控制系统设计

2.1 同步环节及触发脉冲电路

通过采用光耦合器作为触发脉冲前置单元的同步环节设计，替代常规的同步变压器，大大提升了同步环节设计所带来了体积增大、损耗过大等问题。

图1 整流电源原理

2.2 调节器反馈闭环

真空自耗电弧炉工作时的工艺过程包括短路起弧、真空自耗熔炼、末端补缩等。短路起弧时，电压为输出空载电压，但真空自耗熔炼作业过程中电弧电压仅是输出空载电压的1/2，为防止起弧电压太高而击穿坩埚内壁、或起弧时电压太低无法正常起弧，采用动态双闭环调节控制，并实现了在线PID 参数设定的专用全数字化控制系统。电压与电流的检测分别使用了霍尔电压传感器与霍尔电流传感器。起弧时设定起弧电流，并配有截压截流保护单元。起弧成功后，由于电流值通常已达几千安培，电流采样值作为调节器的反馈信号送至电流闭环调节器，保证整流直流电源输出为稳定性良好的恒流电源，满足自耗熔炼过程控制精度高、稳态性能好的直流电流输出的需要，并具有动态性能好、无冲击、无突变、线性度好等优点。控制系统工作原理如图2 所示。

图2 控制系统工作原理

2.3 12 脉波可控整流

可控整流部分采用常用的带平衡电抗器的双反星并联可控整流电路，由于在2 个星形的中点接有带中间抽头的平衡电抗器，保证2 个星形整流部分每个承担1/2 负载电流。平衡电抗器末端装有霍尔电流传感器，霍尔电流传感器信号输出给闭环调节器、综合保护单元以及人机界面，运行中对电流进行实时监控和显示（出现实际值超过可控范围，迅速进行有效保护）。

2.4 PLC 监控与保护单元

PLC 监控单元通过采集变压器油温、油流，冷却系统的水压、水温，高压开关柜是否有缺相，整流部分快熔等信号，对整个电弧炉电源的运行过程进行动态实时监控和保护，确保其运行的安全性和可靠性。

3 控制系统性能特点

全数字电弧炉电源控制系统的性能特点如下：

（1）全数字化。PID 设定、电流给定与反馈、同步变压器钟点数及移相角设定等功能均实现数字化，并可在线整定。

（2）输出稳定性好。设定值与输出值实现了良好的线性化，其稳定性、线性度均为目前国内电弧炉整流电源中较好的。

（3）起弧电流小、运行平稳无冲击。测试试验电流从0 连续上升到800 A 顺利起弧，不会出现冲击电源或电击坩埚底垫的现象。

4 运行结果

（1）通过负载、短路试验，该直流电源动态稳定性能良好，具有短路起弧无冲击、稳定电流精度高、响应时间快等特点。

（2）具有综合可靠性强的PLC 监控和保护单元系统。