高穩定性凝殼爐用直流電源的設計

(西安石油大學 電子工程學院，陜西 西安 710065)

真空凝殼電弧爐是以高性能合金、貴金屬為原料，在真空環境下以澆鑄工藝生產諸如飛機垂尾、發動機部件、防腐泵閥等特殊工件的必備設備[1]。這種設備從結構上分為真空凝殼爐和給其供電的電源兩大部分。早期的凝殼爐以交流供電為主，而現在，交流凝殼爐供電電源由于其不安全、電弧穩定性差等缺點已逐漸退出歷史的舞臺[2]，直流供電已逐步取代交流供電成為主流。截至目前，凝殼爐直流供電系統有四種可采取的方案[3]：首先使用飽和電抗器調壓，接著在整流變壓器二次側二極管整流；兩級變壓器降壓，次級變壓器二次側晶閘管整流；開關電源方案；一級整流變壓器降壓后二次側晶閘管整流。第一種方案存在電抗器體積大、效率低、調節速度慢等諸多不足，在新研制的直流電源中已經非常少見了。第二種方案雖比第一種方案響應速度快，但因多了一級變壓器使得整個系統效率非常低且現場安裝麻煩。第三種方案在國內剛剛起步，由于受現今主功率器件IGBT額定耐壓與電流容量的限制，使用中需要并聯數量較多，故該電源方案具有很大的不可靠與不確定性。第四種方案調節速度快、整流變壓器二次側直接接水冷整流柜，其緊湊的設計提供了最短的連接母線，節約了占地面積。雖然第四種方案有許多好處，但是現存在的該類電源輸出的直流電壓以6脈波與12脈波為主，諧波含量非常大。針對我國凝殼爐供電電源現如今存在的問題，本文提出了一種新的凝殼爐供電電源方案，該方案主電路選用24脈波雙反星同相逆并聯結構，可有效降低輸出電壓紋波系數，輸出電能質量良好。采用PID控制器可快速對輸出量進行調節，輸出電流穩定性好。電源通過現場調試驗證，運行效果良好。

1 凝殼爐電源的難點與解決方案

第一，極高的電流穩定性要求。凝殼爐在熔煉金屬過程中，常因電極桿的上升與下降導致電源正負極頻繁短路，這樣勢必會造成正負極間的負載電阻不斷變化，進而引起電流的波動。如果不對這種情況加以改善，鑄件的質量就會大打折扣。本設計中，通過引入電流閉環調節器，使輸出電流形成反饋，保證在熔煉過程中電流不會有太大的波動。

第二，晶閘管要保證不能發生擊穿。晶閘管在換相結束后，不能馬上變為阻斷狀態，這時會有較大的反向電流流過。在晶閘管阻斷能力恢復后，反向電流將迅速減少到零。這時，線路中存在電感將使得器件兩頭形成過電壓[4-5]。此時如器件選型不當，極易將器件擊穿，造成經濟損失甚至安全問題。因而在進行器件的選擇過程中，要為電力電子器件留有足夠的安全裕量，保證不發生擊穿；與此同時，要為電力電子器件設置過壓保護電路吸收工作過程中產生的過電壓。

第三，要保證通過每個晶閘管的電流盡可能保持平均。均流一直是大功率電力電子變流領域的一個難題，由于各個晶閘管的差異性導致流過每個器件的電流不能達到一致。在設計上，主要通過三個方面解決均流問題：首先是硬件裝配過程中，要將參數相同的晶閘管并聯在同一個橋臂上；其次，每一個橋臂上并聯的晶閘管中，門陰極到脈沖末級版的接線長度盡可能保持相等。如果上述措施依然無法改善均流，可考慮在與之串聯的快速熔斷器端面上增加電阻片，人為增加阻抗，從而改善電流不均衡的問題。

2 系統組成及工作原理

系統結構框圖如圖1所示。整個電源系統主要由整流變壓器、主整流電路、控制部分、電流電壓檢測電路、監控與保護五個環節組成。其工作原理如下：三相10kV交流電經過整流變壓器與主整流電路調壓整流，輸出單相80 kA/85V直流電。主控制器是系統的核心，采用DSP與CPLD相結合的方式對系統進行控制，對于電力電子器件的精準導通、故障的及時保護至關重要。PLC單元可對整個電源系統的運行狀況進行實時監控，并且配備觸摸屏使得整個系統高度自動化。

圖1 系統整體框圖

3 主電路的設計

3.1 整流變壓器及整流方案

凝殼爐是金屬冶煉領域的特殊設備，對供電電源來說，也是一種低電壓、大電流的兆瓦級負載。電源主電路如果采用三相橋式拓撲，在供給相同直流電流的前提下，其使用的可控硅元器件的數量會比雙反星形可控整流電路多得多，其經濟性得不到保證。所以本文采用帶平衡電抗器的雙反星電路作為基本單元。又由于設計直流電源電流較大，本文采用同相逆并聯結構。雙反星形同相逆并聯電路是將兩個雙反星系統組合在一起，兩個可控整流電路中的12個整流臂中相鄰的整流臂在同一時刻流過大小相等、方向相反的直流電流，所以在保證絕緣的條件下，應盡可能靠近安裝，從而解決磁場的干擾及渦流引起的整流柜鋼制柜殼發熱的問題[6-7]。

根據相關文獻，脈波數越多，諧波含量越少[8]。當采用12脈波整流方式時，系統中包含的諧波類型有11、13、23、25次等，而采用24脈波整流方式時，系統中的特性諧波包含23、25次等，并且各次諧波數值很小。由此可見24脈波整流方式比12脈波整流方式更有利于諧波治理[9]。12脈波及以上的整流變壓器，需要使用移相技術。移相的目的是使整流變壓器一次繞組的同名端線電壓之間有一個相位移，以此達到一個周期內出現多個電壓波頭的目的。對于24脈波整流變壓器，其一次側有4個移相組，將其依次移相15°，角度分別配置為+7.5°、-22.5°、-7.5°、+22.5°。圖2是主整流電路的原理圖。由圖2可知，電源的輸出可看作由4個分整流單元并聯得到。還需要強調的是，電源實際工作時每個橋臂往往并聯多只晶閘管才可以達到所需要的電流，而每只晶閘管需并聯阻容吸收電路、串聯快速熔斷器以防止發生過壓、過流故障[10]。

3.2 參數計算

凝殼爐用直流電源輸入為三相10 kV交流電，輸出為單相80 kA/85V直流電。相關計算如下：

1)整流變壓器容量計算

理想空載直流電壓：

圖2 主整流電路

式中：Kg為變壓器超載倍數，取1；Kx為變壓器感抗電壓降折算系數，取0.5；ex為變壓器短路電壓百分值e的漏抗分量，取6%；ΔP/Pt為變壓器銅耗百分比，取2%；αmin為最小導通角，取αmin=0°；S為串聯換相組數，取1；Ns為每臂串聯元件數，取1；UTM為晶閘管元件通態峰值壓降，取1.25V；ΣUs為附加電壓降(包括連接導線、熔斷器、母線等)，取2V；b%為電網側電壓波動對額定值的百分比，取5%。

一次側容量：

S1=1.05UdioIdn=1.05×95×80=7 980 kVA

(2)

二次側容量：

S2=1.48UdioIdn=1.48×95×80=11 248kVA

(3)

2)晶閘管元件參數計算

單個整流臂需要并聯晶閘管只數np的確定：

(3 300×0.91×0.92)=3.61≈4(只)

(4)

整流變壓器二次每相臂電流：

IVO=0.289Idn/(2×4)=0.289×
80×103/8=2 890 A

(5)

每個整流臂平均電流：

(6)

整流變壓器二次相電壓為

UVO=Udio/1.17=95/1.17=81 V

(7)

每個橋臂中晶閘管承受最大正反向電壓為

UFM=URM=2.45U2=2.45×81=198 V

(8)

根據計算結果，取3倍裕量。選用通態平均電流為IT(AV)=3 300 A，斷態和反向重復峰值電壓UDRM=URRM=800 V的晶閘管。

3)快速熔斷器參數計算

額定電壓URN、額定電流IRN的確定：

URN≥1.1UVLO=1.1×(Udio/0.68)=
1.1×140=154 V

(9)

根據快速熔斷器額定電流的選擇原則：

KiKaIR≤IRN≤1.57IT(AV)

(10)

式中:Ki為電流裕度系數，Ki=1.1～1.5，取Ki=1.5；Ka為環境溫度系數，Ka=1～1.2，取Ka=1.2；IR為實際流過快速熔斷器的電流，A。

KiKaIR=1.5×1.2×(2 890/4)=1 301 A

(11)

1.57IT(AV)=1.57×3 300=5 181 A

(12)

根據式(10)～式(12)可得快速熔斷器的額定電流IRN=3 200 A。

4 控制系統

系統控制電路是系統功能實現的核心，其作用是完美配合主電路，既要保障各可控硅器件精確導通，又要時時監控主電路各點運行情況，并在必要時進行故障保護[11]。由上述計算可得，本論文設計每個橋臂并聯4只晶閘管，要想實現功能，主控制器必須能夠同時產生多路觸發脈沖。圖3為控制系統整體設計框圖。由圖3可以看出，CPU板由DSP與CPLD共同構成，兩者協調分工，可完成采集同步信號、形成觸發脈沖等功能。可編程邏輯控制器PLC主要負責監控系統運行狀態，對隨時可能的故障及時提供邏輯保護。PLC單元亦可與上位機和觸摸屏保持通信，將系統時時運行狀況反映到顯示屏上。

4.1 觸發脈沖形成單元

主控制器使用DSP與復雜可編程邏輯器件CPLD為核心，DSP可產生多路觸發脈沖。為了確保下一個晶閘管導通時，此刻導通的晶閘管仍保持可靠導通，每路觸發脈沖選用雙窄脈沖。這些雙窄脈沖的每個脈寬大于15°且小于30°，采用頻率為20 kHz調制脈沖將雙窄脈沖調制為脈沖寬度更窄的調制脈沖，以減少觸發脈沖電路中的損耗。此控制器配備有高質量的外圍設備，并形成相序自適應和相位自適應觸發控制。

圖3 控制系統整體框圖

4.2 PID控制器

凝殼爐在工作過程中，常常會有被熔化的貴金屬成連續線條狀流入坩堝中，由此造成了很頻繁的短路現象。對于經常短路的這類負載，電流是否穩定，直接決定了其熔化的金屬是否均勻，澆鑄工件的品質是否達標。電流閉環調節器的主要作用就是時刻將傳感器采集來的信號與給定值進行比較，在系統參數的共同作用下調節控制的輸出量，可以保證其起弧時有盡量低的合適空載電壓，熔煉時電流相對穩定。DSP芯片將傳感器采集來的信號與設置的值比較，如果誤差在允許范圍內，自動完成PID算法，并將處理結果送到觸摸屏顯示；當誤差給定值不在允許范圍內時，DSP將產生封鎖信號給脈沖觸發模塊，繼電操作單元動作，同時把數據返回到觸摸屏顯示報警信號。本系統選用數字式PID調節器，具體可以用式(13)表達：

(13)

式中：KP、Ti和Td分別為比例、積分和微分時間常數。這些常數在實際調試過程中，可按照系統實際情況通過計算機在運行過程中隨時設置和調節，而不像模擬式調節器那樣需要停機更換電阻與電容。

5 故障保護

凝殼爐用直流電源為低電壓、大電流的大功率變流設備，整個系統輸出電流達到了80 kA之高，所用電子器件較多。為了增強整個系統運行的可靠性、保證人身及設備安全，本系統設計了過壓、過流、缺相以及過熱保護。限于篇幅，本論文僅從過壓、過流方面作以相關介紹。

5.1 過壓保護

晶閘管的過載能力較差，短時間的過電壓就可能導致其損壞。因此，在選型晶閘管時要留出足夠的安全裕量。除此之外，還應在每個晶閘管兩端并聯一組RC吸收電路用來吸收換相產生的過電壓。對于系統可能發生的另一種過電壓——電網電壓波動引起的變壓器二次側交流尖峰過電壓，可在變壓器的二次側并聯RC阻容吸收與壓敏電阻來對交流尖峰過電壓進行保護，壓敏電阻主要用于在電路承受過壓時進行電壓鉗位，吸收多余的電流以保護阻容吸收不被破壞。

5.2 過流保護

當流過晶閘管的電流超過其額定值時會造成晶閘管的結溫過高，進而很容易造成晶閘管燒壞。為防止這種情況的發生，本電源設計了過電流保護電路。過電流保護電路一共有三級，第一級為快速熔斷器保護，其反應速度最快，只要流過晶閘管的電流超過一定值，與之串聯的快速熔斷器會馬上分斷電路。

直流側過流保護構成了第二級過流保護，其原理如圖4所示。HLI1為設置在直流側的霍爾電流傳感器，其將采樣信號輸入到比較器同向端與反向端的值進行比較。電路正常時，由于比較器同向輸入端的值小于反向端，因而比較器輸出低電平，TV1不能導通，繼電器閉合。當發生過流故障時，比較器輸出高電平，晶體管導通，繼電器動作。

交流側過流保護構成了第三級過流保護，其原理如圖5所示。采樣得到的信號首先經三相橋式整流電路將之轉變為直流信號，然后將這個直流信號輸入到比較器的反向輸入端進行比較。當交流側沒有發生過電流故障時，比較器輸出高電平，此時光耦不導通。當發生了過電流故障時，由于比較器反向端電壓大于同向端的電壓，比較器輸出低電平進而開啟光耦合器，故障信號經過V4的放大而輸出。

6 應用效果

由于實驗條件有限，對此電源進行了輕載調試。

圖4 直流側過流保護

圖5 交流側過流保護

調試過程中，輸入三相工頻50 V電壓，電流2 A，接入10 Ω的假性負載。在直流側可得到如圖6所示的電壓波形。從圖6中可以看出，一個工頻時間周期內可生成24個電壓波頭，運行效果良好。

圖6 直流電源輸出的24脈波直流電壓波形

7 結 論

(1)采用整流變壓器一次側移相構成多脈波可控整流，在降低注入電網諧波含量的同時，還可有效減少每個整流臂并聯的電力電子器件個數，提高均流效果；

(2)通過引入電流閉環比較器，使系統在運行過程中可以快速、精準地調節電流大小，保證了系統的穩流精度；

(3)主控制器采用DSP與CPLD相配合，很大程度上減輕了DSP的數據處理負擔，將系統的控制性能提高了一個檔次。