摘要:本文介绍了填补国内空白的用于 8 0 0 k g真空自耗电极凝壳炉系统中的 2 4脉波 6 5 k A晶闸管直流电源，文中不但详细介绍了其主电路与控制电路构成，而且分析了主要单元的工作原理，更进一步介绍了其实用效果。
关键词:直流电源,800 k g 真空凝壳炉,24脉波,研制与应用
. 引言
自耗电极真空凝壳炉是贵重金属精密铸造的必用设备，它广泛的应用于我国航空航天领域及有色行业中，用以铸造精密合金或钛金属件，由于铸造金属件的特性要求极为严格，决定了其对供电电源的稳定性和供电质量要求很高，另一方面，因此类设备一般采用直空铸造及真空熔炼，对供电电源的控制和调节快速性也有极高的要求，我国真空自耗凝壳炉的研究与应用历史可以追溯到 20 世纪 70 年代，但长期以来其供电电源一直沿用整流变压器一次侧饱和电抗器调压及整流变压器二次侧整流二极管整流的方案，由于此种方案电流的闭环调节为磁性调节，调节过程长,存在着工作时电流稳定性相对较差等不足，一直困扰着这一应用技术的发展，2003 年我们在国内首次研制成功了国产第一台 25kA/70V 的凝壳炉用晶闸管直流电源，其表现出了很好的可调节性能，近 9 年来，国内在一方面取得长足的进步，国产单台凝壳炉可熔化钛的重量已从 2003 年的 260kg 提升到 800kg，本文介绍2011 年我们为国内首台 800kg 凝壳炉研制的 65kA 直流电源，该电源的研制成功填补了国内空白，将我国真空自耗电极凝壳炉用直流电源技术水平推向了一个更新及更高的阶段。
2 . 系统构成及工作原理分析
图 1 给出了用于真空自耗电极凝壳炉供电的65kA/80V 晶闸管直流电源的系统构成原理框图， 从该图可见，其系统构成可分为主整流电路、功率因数补偿与滤波、触发脉冲形成、脉冲功放与整形、信号检测与处理电路、闭环调节、给定环节、保护与继电操作电路、上位机监控与调节共 9 个单元电路，限于篇幅， 下面仅分析几个主要单元电路的构成与工作原理。
2 . 1 主整流电路
为了满足用户同一电源使用电流额定运行电流可从 12kA~65kA 任意选择， 且在任何电流之下工作都具有较高的功率因数和注入电网的谐波不超过国家标准， 并兼顾用户的 10kg、 100kg、 150kg、 350kg、 500kg、800kg 6 种自耗电极真空凝壳炉的分时都可使用要求，我们设计了图 2 所示的主电路，从图可见，系统
先以整流变压器降压，然后晶闸管可控整流，为满足6 台不同容量的凝壳炉对额定运行电流及运行电压的不同要求， 在整流变压器中增加了独立的调压变压器，整流变压器一次侧采用外延三角形接线移相,共用四台移相角度依次为+22.5º 、-7.5º 、+7.5º、-22.5º的整流变压器，在需要 12kA~15kA 输出时，三台整流变压器仅有一台运行 (10kg 凝壳炉工作) ， 当需要 20~30kA输出电流时(100kg 或 150kg 及 300kg 凝壳炉工作) ，两台整流变压器与配套两台整流柜同时运行，当需要40~65kA 输出电流时(500kg 或 800kg 凝壳炉工作) ，两台整流变压器与配套四台整流柜同时运行，每个整流柜内都使用了相同的电路结构，即整流方式为双反星形可控整流， 图中 CT1~CT6为高压侧的电流互感器，它们用来为显示每台变压器运行时，各支路及总的交流侧的际工作电流获得信号，电流互感器 CT5与 CT6同时用来为功率因数补偿与滤波环节提供一实时电流取样信号，而 VT1、VT2为显示交流侧的电压及功率因数补偿与滤波环节提供一实时电压取样信号，以利实时计算该电源运行时的功率因数，以便功率因数补偿控制器决定针对不同的实时功率因数投入合适的补偿容量，CT7~CT14为装于整流变压器一次侧的高压电流互感器，它们用来为交流侧的过流保护提供一取信号，以防直流霍尔电流传感器故障失效时，该可控电源从闭环变为开环运行引起过大的电流造成较大事故，直流霍尔电流传感器 HLI1~HLI4，一则用来为显示每个整流柜的实际输出电流提供取样信号，二则更为主要的是为各个可控整流电源提供一反馈电流值，保证几个电源并联运行时，每个可控整流电源仅承担总负载电流的 1/1~1/4(随着单电源、双电源、三电源或四个电源运行的不同而不同) ， 霍尔电流传感器 HLI5为总电流检测用传感器，它用来随时提供总输出电流
信号，DLQ 为高压真空断路器，而 JZQ1 与 JZQ2 为
高压真空接触器，它们分别是为了满足速断及真空自
耗电极凝壳炉工作时间仅十几分钟，需频繁分压高压而添加的，电抗器 L1~L4既用来防止熔炼工作时负载频繁短路对晶闸管的冲击，又用来使电流连续的最小电流降低，与每个晶闸管并联的 R-C 网络(图中仅画出了 36 路中的一路)起尖峰过电压吸收作用，防止回路中感性负荷通断造成的尖峰浪涌电压击穿晶闸管，与每个晶闸管串联的快速熔断器起晶闸管击穿时使该晶闸管退出运行的保护作用，应特别注意的是图中每
个晶闸管与快速熔断器串联支路的位置应用了 3 只晶闸管与 3 只快速熔断器串联支路的并联。该主电路的工作原理可简析为：正常运行时，来自交流电网的 10kV 电压经两组整流变压器内的有载开关调压后接供给各自连接的整流变压器，由一次为外延三角形的整流变压器移相，形成彼此相位互差+7.5º 、-22.5º、-7.5º、+22.5º 的四个三相电压，该四路三相电压经整流变压器降压，由双反星形可控整流电路根据用户给定电流及霍尔电流传感器检测到的实际电流之差，接闭环调节器输出控制电压所确定的晶闸管控制角使晶闸管导通，输出相应于凝壳炉需要的电压与稳定电流，一但发生故障，则保护电路动作，图2 中的高压真空接触器柜动作，分断用户的主电路。
2 . 2 闭环调节器
为满足用户对同一电源随时要使用于不同容量真空自耗电极凝壳炉的需要，考虑到不同容量的真空自耗电极凝壳炉的负载会有不同，我们设计了图 3 所示的起弧时为恒压控制熔化时为恒电流控制，且随着使用炉体容量位置与工位不同而可自动改变闭环调节器参数的变参数闭环调节器，取得了很好的适应效果，从图 3 显见， 图中应用两只电子开关集成电路 4066 来实现了不同闭环调节器参数的选择及工作状况的选择，K 为选择不同炉体和工位的转换开关，UfI与 UfU分别为来自主电路中总霍尔电流传感器 HL5及霍尔电压传感器的输出取样信号，而 Ui为对应每个电源输出的分电流取样霍尔电流传感器的输出信号，由于该电源系统共有四个分电源，为保证每个电源输出电流的均衡， 该电源系统中每个闭环调节器应用了同一给定，而各自的反馈来自主电路中的分霍尔电流传感器的输出，该电路的工作原理可分析为：
在真空自耗凝壳炉起弧之前，因 UfI为零，比较器CP1输出低电平，接近-U，二极管 VD 不导通，晶体管 VT 截止，4066 1#引脚 13 输入高电平，引脚 2 与引脚 1 接通，引脚 5 输入低电平，引脚 4 与引脚 3 断开，移相控制电压 UK为电压闭环调节器的输出电压， 实现了起弧前为电压闭环，且为保证起弧电压相同，电压闭环调节器的给定电压为设定的固定电压，起弧后随着直流霍尔电流传感器 HLI5输出电压 UfI的增加，当大于比较器 CP1反相端设定的门槛电压(一般设定为对应直流电流 1500A)时，比较器 CP1输出高电平，二极管 VD 导通，稳压管 VS1击穿导通，晶体管 VT导通，4066 1#引脚 13 变为低电平，引脚 2 与引脚 1断开，而引脚 5 变为高电平，引脚 3 与 4 接通，移相控制电压 UK为电流闭环调节器的输出电压， 此时电流闭环调节器的比例积分时间常数(对应图 3 中的 Ri、Ci、i=1~6)根据选择开关 K 的位置，而使 4066 1#或4066 2#对应通道的输入与输出接通，使电源系统稳定工作于相应的参数上。
. 3 触发脉冲形成
触发脉冲形成电路的原理图如图 4 所示，该触发脉冲形成电路具有缺相保护及脉冲相位自适应功能，图中同步电压来自图 2 中对应整流变压器的二次侧应用光耦合器 VLC1～VLC6接成推挽输出来提供三相同步电压为提高抗电扰性能，且为了解决同步电压保证移相控制角 α 的零度刚好对应相电压的 30º ，该图中应用了电阻 R105，R108 与电容 C63、R106、R109、电容 C64 和电阻 R107、R110、电容 C65 对同步电压进行 T 型滤波，差分器 IC3D 是为了满足触发脉冲产生芯片 IC7---TC787 的负逻辑工作需要而添加的，图中电位器 RP8 与 RP7 分别提供了触发脉冲的上下幅限幅。
2 . 4 功率因数补偿与滤波
由于自耗电极真空凝壳炉同样存在起弧电压高，而熔炼时电压低，功率因数不高的问题，为实现在任一输出电流下，该电源系统都有很高的功率因数，且注入电网的谐波含量不超过国家标准的要求，在充分考虑到针对不同的凝壳熔炼炉，该电源系统在使用时投入的整流变压器数量不同，输出直流电流从12kA~65kA 的大跨度和在不同凝壳炉工作时产生的无功功率有很大的不同这些诸多因素，我们设计了把补偿与滤波支路分为四组，应用专门设计的功率因数补偿与滤波控制器按运行时的不同输出直流电流和功率因数， 按 8421 编码组合的方式而匹配并入电网运行的功率因数补偿与滤波环节的实际容量，所以构成了图5 所示的功率因数补偿与滤波主电路，图中 JZQ3～JZQ6为对应四个支路中控制投切的四个真空接触器，CT15～CT22为对各支路进行过流及电容器击穿进行保护的取样电流互感器，L5～L8及 C3～C6为对应各补偿与滤波支路的电抗器及电容器， FR1～FR12为对电容进行击穿短路保护的高压熔断器， FN1～FN12为对应各支路的避雷器与每个电容器并联的 FD1～FD12为放电线圈，用来在该补偿与滤波器退出运行时泄放掉高压电容上原充电的电荷，该电路的工作原理可简析为：
接于补偿与滤波电路中的高压真空接触器，根据专门设计的功率因数补偿与滤波控制器按实际运行功率因数和谐波计算的结果，决定相应的高压真空接触器吸合，投入合适的补偿电容与电抗器的串联支路，从而使系统的功率因数达到大于 0.92，而注入电网的谐波不超过国家标准规定的值，一但发生开路三角形或图 5 中电容器击穿或过流故障，则系统控制环节设计的微机保护模块进行相应的保护。
2 . 5 上位机监控
为实现自动控制与运行，该电源系统设计了上位机监控制与保护环节，该环节与装于电源控制柜内的PLC 进行通讯，随时监测主电路与晶闸管串联的快速熔断器是否熔断，冷却水系统是否发生水温高，水流
量不足，母排温度是否过高，整流变压器是否发生油温过高，产生了轻瓦斯，重瓦斯报警等故障，整流系统是否发生缺相， 交流侧或直流侧有否过流故障发生，一但发生这些故障，则进行相应的报警或处理，同 保证合闸起动时，给定不为零不可合闸，故障分闸或停机分闸时，先封锁触发脉冲后再分主电路，且保证当电源运行的无功达到一定值时，功率因数补偿与滤波环节才投入，电源故障或正常停机运行时，先退出功率因数补偿与滤波环节，后再退出整流变压器，从而防止补偿与滤波环节空投引起次谐波振荡等问题。
2 . 6 保护电路
为保证该 24 脉波真空自耗电杉凝壳炉的长期可靠运行，在电源的控制回路中增加了三相电源缺相、交流侧过流、直流侧过流、晶闸管元件失效、冷却系统故障、变压器油温过高、变压器轻瓦斯、变压器重瓦斯、冷却水流量不足、冷却水温高、水冷母排温度过高，同一整流臂一个元件失效，整流臂两个元件失效，同一个快速熔断器熔臂一个快速熔断器熔断，两个快速熔断器熔断，三个熔断器熔断保护报警及指示功能，限于篇幅，这些保护电路的详细分析此处从略。
2 . 7 远程计算机给定
为了实现各真空自耗电极凝壳炉控制台位的独立互锁，计算机按工艺要求的曲线给定，在远程各真空自耗电极凝壳炉的分控制台位上设置了计算机终端，应用系统的 Profibus 总线，实现了计算机给定，用户可在各分操作台上的计算机键盘上直接输入设定曲线编号，该直流电源便可按曲线设定的电流给定输出运行，极大的方便了使用。
3 . 实用效果简介
上述电源系统已成功的应用于我们为国内某航空材料研究院研制的凝壳炉配套电源系统中，该系统中共有 10kg、100kg、150kg、350kg、500kg、800kg 6台凝壳炉分时工作，用于为航空国防及医疗民用产品铸造精密钛合金件，使用中需要该直流电源输出电流最小为 12kA，最大为 65kA，输入交流电压为 10kV，按上述设计选用两套容量为 3000kVA 的整流变压器组， 每个整流变压器组内由独立的带有 19 级有载调压开关的自耦调压变压器与两台彼此相移 30º (一组+22.5º 、-7.5º ，一组+7.5º 、-22.5º ) ，每个整流变压器内部二次结构为双反星形带平衡电抗器，其输出直接接双反星形晶闸管可控整流柜，整流柜内每个整流臂上采用 3 只额定容量为 3000A/600V 晶闸管并联，整流柜采用水-水冷却，而整流变压器采用油浸自冷，调试运行结果表明，稳流精度达到了 1%，每个整流柜分担了负载电流的 1/n(n=1、2、3、4) ，并联整流柜输出电流的稳流精度优于 1%， 变压器及整流柜的发热都很小，另补偿滤波环节四路电容器的分组容量为360kVar、720kVar、960kVar 与 1420kVar，补偿前最低运行功率因数 0.42，随具体应用真空凝壳熔炉容量及使用功率的不同，投入补偿后最高功率因数 0.98，最低 0.95，整个电路系统的工作逻辑完全与设计流程相符，保护电路动作灵敏迅速，达到了十分令人满意的效果。
4 . 结论
综上所述，我们可得下述结论：
1) 对大功率大电流输出的晶闸管整流电源采用整流变压器一次移相构成多相可控整流可极大的降低注入电网的谐波含量。
2) 对多个负载对象的同一电力电子变流设备，采用变调节器参数可使其适用不同的负载，取得很好的闭环控制效果。
3) 对晶闸管可控整流设备在高压侧设计随负载改变补偿与滤波参数的高压补偿与滤波网络，既使注入电网谐波满足国标，又实现了不同负载都有很高的功率因数。
4) 应用光耦合器隔离构成同步环节，可以省去常用的同步变压器，使同步环节的体积和尺寸减小，在交流线电压低于几百伏的场合具有通用性。
5 ) 理论分析和实用效果都证明了， 上述电源方案的可行性，毫无疑问，其推广应用前景将是十分广阔的。
参考文献
[1] 王兆安 电力电子技术( M ) (第四版). 北京：
机械工业出版社，2 0 0 6 ，1 2
[2] 李 宏 浅谈直流电弧炉用电源的发展， 电源技
术应用(J ) ，2 0 1 0 . 2
[3] 李 宏著， 常用电力电子变流设备的调试与维修基
础( M ) . 北京，科学出版社，2 0 1 0
[4] 李 宏著， 常用电力电子变流设备的调试与维修实
例( M ) . 北京，科学出版社，2 0 1 1
[5] 李 宏，常用电力电子变流设备器件及集成电路应
用指南，第一分册 电力半导体器件及驱动集成电路( M ) . 北
京：机械出版社，2 0 0 1 . 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，发表论文 200 多篇，出版专(编)著 15 部，获中
国人民解放军空军科技进步三等奖 1 项。 现兼任中国电工技
术学会电力电子学会理事、 中国电工技术学会电气节能研究
会理事、中国电源学会特种电源专业委员会常务委员、中国
