专利名称：一体化真空自耗炉整流电源系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种整流电源系统，尤其是涉及一种一体化真空自耗炉整流电源
系统。
背景技术：
近几年，有色工业随着国民经济需求得到迅猛发展，特种金属熔炼技术主要依赖 技术引进，设备主要依赖进口。 2003年国内某公司所使用的金属钛5吨真空自耗炉两套设 备，整套引进德国某公司的技术和设备。其中，真空自耗炉配套直流电源为2套20KA/45V， 一套直流电源采用饱和电抗器调压，二极管整流；另一套直流电源采用一次晶闸管调压，二 次双反星带平衡电抗器二极管整流，直流输出带限流电抗。 具体而言一套整流电源20KA/45V(饱和电抗器调压)内部结构为饱和电抗器、整 流变压器及饱和电抗器控制绕组晶闸管调压部分和整流变压器二次二极管整流部分且均 布置在全密闭一体化柜体内；另一套整流电源20KA/45V(—次晶闸管调压)内部结构为整 流变压器、平衡电抗器、限流电抗器及一次晶闸管调压和二次二极管整流部分且均布置在 全密闭一体化柜体内。两套整流电源均采用密闭整流柜结构型式(相当国标GB-IP40)，防 尘、防强磁场发热。 两套真空自耗电弧炉整流电源20KA/45V配一套真空自耗电弧炉，电源可独立稳 流运行，也可并联稳流运行；电源可本地控制，也可远程控制。实际使用时，通过后台工控机 实现真空自耗电弧炉按冶炼工艺曲线进行生产过程自动化控制。该电源在焊接时，设有专 用起弧电源，起弧容易并不断弧；熔炼时，弧流稳定并跟随给定调节不断弧。同时，电源也能 承受工作短路电流的冲击。另外，两套整流电源并列稳流运行，组成12相整流电路，并且两 套整流电源公用一套独立纯水冷却装置。 但是，上述整流电源在实际使用过程中还存在以下主要问题1、采用饱和电抗器 调压时，设备体积大(宽3000mm)，制造成本高，效率低，电流调节速度慢(几百毫秒 几 秒)；采用晶闸管调压时，设备体积较小(宽2000)，制造成本较低，效率较高，电流调节速度 快(20 100毫秒)。因此目前均采用晶闸管调压方案。 2、采用一体化整流电源要求变压器、电抗器结构紧凑、外形安装尺寸小，因而变压 器、电抗器均采用干式水冷，整流变一次、二次交叉叠绕，绝缘处理不好，长期高温运行造成 绝缘击穿短路，从而导致整流变损坏。 3、运行过程需短路，造成二次电源谐波大，二极管过电压损坏。 以上故障均造成整流电源无法正常运行，需停电检修，严重影响正常生产计划。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种一体 化真空自耗炉整流电源系统，其电路设计合理、结构一体化、操作简便且性能稳定可靠，能 避免现有真空自耗炉整流电源在实际使用过程中所出现的多种故障问题。[0010] 为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是一种一体化真空自耗炉整流电源系统，其特征在于包括接有两路三相供电线路的整流电源柜、对应安装在整流电源柜内的两套整流电源系统和布设在整流电源柜内部的散热装置，所述两套整流电源系统并联组成一个等效十二相电源整流电路；所述整流电源系统包括串接在所述三相供电线路中的智能电源投切装置和两级整流调压电路、接在所述三相供电线路上且整流调压前对所述三相供电线路中的三相交流电源进行无功功率补偿的功率补偿电路、串接在经所述两级整流调压电路两次调压整流后的直流供电线路中的限流电抗器以及对智能电源投切装置和晶闸管相控调压整流电路进行控制的综合控制系统；所述两级整流调压电路包括初级整流调压电路和次级整流调压电路，所述初级整流调压电路为整流变压器，所述次级整流调压电路为晶闸管相控调压整流电路。 所述整流变压器为带平衡电抗器的双反星形整流变压器，所述双反星形整流变压
器由一个一次绕组和两个二次绕组组成，所述两个二次绕组均为星形连接且二者的中点N1
和N2之间通过平衡电抗器进行连接，所述两个二次绕组的匝数相同且极性相反；晶闸管相
控调压整流电路由分别串接在所述两个二次绕组六相线路中的六个晶闸管组成。
还包括对经所述两级整流调压电路两次调压整流后所得到的直流电流进行实时
检测的电流检测单元、对所述两套整流电源系统中所用各用电元件所接母线的温度进行实
时检测的温度检测单元和由所述综合控制系统进行控制的告警单元，所述电流检测单元、
温度检测单元和告警单元均与所述综合控制系统相接。 所述散热装置为水冷式散热器，所述水冷式散热器包括散热器、与所述散热器相接的冷却水管道、安装在冷却水管道出水口上的水咀和连接冷却水管道用的法兰；所述综合控制系统与安装在冷却水管道上的通断控制阀门相接。 还包括对冷却水管道内部的水温和其进水口处的水压进行实时检测的温度传感
器和压力传感器，所述温度传感器和压力传感器均接所述综合控制系统。 所述综合控制系统包括主控制器、两个均与主控制器相接且分别对两套整流电源
系统中的智能电源投切装置和晶闸管相控调压整流电路进行控制的分控制器以及与主控
制器相接的后台工控机，所述分控制器分别与智能电源投切装置和晶闸管相控调压整流电
路相接，所述主控制器和分控制器均为PLC控制器。 所述主控制器与分控制器之间通过PR0FIBUS总线进行连接。 所述整流变压器布设在整流电源柜内部前侧，平衡电抗器安装在整流变压器正上方，限流电抗器布设在整流电源柜内部右后侧，晶闸管相控调压整流电路位于整流变压器的后上方。 所述整流电源柜上设置有供冷却水管道安装的进出水口和供所述三相供电线路母线进出的进出接线孔，所述进出水口和进出接线孔均布设在整流电源柜的后壁上。[0019] 本实用新型与现有技术相比具有以下优点 1、结构简单，性能可靠且使用效果好、工作稳定，能充分满足国内电网供电质量及用户使用要求，可完全同类替代进口整流电源设备。 2、采用一体化密闭结构，从而将母线最大限度縮短，使得母线损耗大大降低，提高了整机效率具体是将整流变压器、平衡电抗器、限流电抗器及晶闸管相控调压整流电路均布置在全密闭一体化柜体内，柜内各主要功率部件均采用水冷方式进行散热，密闭整流柜结构型式相当国标GB-IP40，具有防尘、防强磁场发热功能。 3、网络化智能控制本实用新型增设PLC可编程控制器后，实现了本控/远控、合闸软启动、独立并联运行切换、纯水冷却器即冷却水管道的开停连锁等功能，并且通过PLC可编程控制器的数字通讯接口与上位工控机组网，因而通过PLC可编程控制器组成PLC监控系统，建立起良好的数字监控平台后，能大大提高现场抗干扰能力，实现本地及远程数字化操作及通讯，并实现工艺流程操作自动化。 4、采用双反星形整流变压器带平衡电抗器的整流调压电路比三相桥电路降低一半元件的损耗，因而提高了整机效率。具体而言整流变压器二次侧为两组匝数相同极性相反的绕阻，并且分别接成两组三相半波整流电路，同时整流变压器二次侧两绕组的极性相反可消除铁芯的直流磁化，变流变压器两个二次绕组的中性点Nl和N2通过平衡电抗器Lp联在一起，通过设置平衡电抗器Lp保证两组三相半波整流电路能同时导电，同时使两组三相半波电路并联工作。与三相桥式电路相比，在采用相同晶闸管的条件下，本实用新型的输出电流可增大一倍。 5、与饱和电抗器调压设备相比，晶闸管相控整流调压电路的体积较小，制造成本较低，效率较高，电流调节速度快(20 100毫秒)。 6、采用晶闸管相控整流调压电路进行二次调压，较晶闸管一次调压、二次二极管
整流的电路结构更为简洁，将晶闸管一次调压、二次二极管整流合二为一。 7、将两台整流柜即两套整流电源系统并联运行组成一个等效十二相整流电路，大
大降低了电网谐波电流，同等条件下电网谐波电流仅为六相整流电路的一半；同时，在高压
侧采用电容无功补偿，大大提高功率因素，降低电源对电网污染。 8、使用效果好，电源可独立稳流运行，也可并联稳流运行；电源可本地控制，也可远程控制，通过后台工控机实现真空自耗电弧炉按冶炼工艺曲线进行生产过程自动化控制。焊接时，无需设置专用起弧电源，起弧容易并不断弧；熔炼时，弧流稳定并跟随给定调节不断弧；同时，电源能承受工作短路电流的冲击。 9、整流主回路具有智能电源投切装置，能防止对主电源造成电源合闸冲击。[0029] 10、晶闸管相控调压环节的触发控制系统采用全数字系统，开环、闭环手动切换，脉冲对称度高，不会产生越相，同时触发脉冲特性一致，抗干扰，抗强磁场能力强，可靠性高；并且具有整流输出电流零启动功能，并可连续平滑调节至额定电流。 11、保护功能完善，本实用新型具有过电流保护及过载报警、主回路操作过电压保护、冷却水温度过高保护及报警、冷却水水压过低保护、母线温度过高保护及异常报警、主回路电源缺相报警等故障报警功能。 12、集中显示监控系统具体通过PLC进行数据采集并进行智能化数据处理后，再通过RS485/RS232串口通讯方式上传至工控机显示，并对系统进行相关控制。[0032] 13、所采用的限流电抗器是保证电弧炉正常熔化的关键关键设备，其容量应保证在电流调节范围内，电弧电流稳定并不断弧。 14、冷却方式为水冷，所用冷却水路材料即整流柜冷却水管、水咀和法兰均采用不锈钢材料；冷却水管选用进口优质抗老化、耐腐蚀的胶管。压力及温度测视点安装在汇流管中间，并在纯水出水管处设集中监视用热电阻(装于整流柜内)。散热器采用直径为小100mm的专用散热器，其活性接头更换方便，无需拆卸散热器本体及元件便可更换，克服了因冷却水质腐蚀更换散热器而造成的元件均流度的变化，增加了设备运行的可靠性，同时降低了设备的维护费用。水冷散热器及水冷母排所有接头采用特殊工艺加工的锥形接头，在承受0. 4Mpa以上水压试验时，无任何渗漏。 综上所述，本实用新型电路设计合理、使用操作简便且使用效果好，其整流主电路的初级采用双反星型整流变压器带平衡电抗器，次级采用晶闸管相控调压整流电路，即采用双反星型6脉波整流方式，并且直流输出有平波限流电抗器，将现有的一次晶闸管调压、二次二极管整流改造为二次晶闸管调压整流；同时增加可编程控制器PLC进行控制，实现电路合闸软启动，并增加过电压吸收及保护，用大功率晶闸管替代二次二极管整流。改造后整流电源的行电流稳定，保证了生产产品质量，生产过程稳定，且整机效率> 90 % 。[0035] 下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
图l为本实用新型的电路框图。
图2为本实用新型整流主回路的电路原理图。
图3为本实用新型的结构示意图。
图4为图3的右视图。
图5为图3的俯视图。
附图标记说明
1-整流电源柜；2-智能电源投切装置；3-整流变压器；
4-晶闸管相控调压整流5-限流电抗器；6-功率补偿电路
电路；
7-2-分控制器；9_电流检测单元12-温度传感器；15-负载；
7-1-主控制器；8_平衡电抗器；11-冷却水管道；
14-温度检测单元17-进出水管。
7-3-后台工控机10-告警单元；13-压力传感器；16-正负母线；
具体实施方式如图1所示，本实用新型包括接有两路三相供电线路的整流电源柜1、对应安装在整流电源柜1内的两套整流电源系统和布设在整流电源柜1内部的散热装置，所述两套整流电源系统并联组成一个等效十二相电源整流电路。所述整流电源系统包括串接在所述三相供电线路中的智能电源投切装置2和两级整流调压电路、接在所述三相供电线路上且整流调压前对所述三相供电线路中的三相交流电源进行无功功率补偿的功率补偿电路6、串接在经所述两级整流调压电路两次调压整流后的直流供电线路中的限流电抗器5以及对智能电源投切装置2和晶闸管相控调压整流电路4进行控制的综合控制系统。所述两级整流调压电路包括初级整流调压电路和次级整流调压电路，所述初级整流调压电路为整流变压器3，所述次级整流调压电路为晶闸管相控调压整流电路4。 结合图2，本实施例中，所述整流变压器3为带平衡电抗器8的双反星形整流变压器，所述双反星形整流变压器由一个一次绕组和两个二次绕组(具体为由绕组a、 b和c组成的一个二次绕组和由绕组a' 、b'和c'组成的一个二次绕组)组成，所述两个二次绕组均为星形连接且二者的中点Nl和N2之间通过平衡电抗器8即电抗器Lp进行连接，所述两个二次绕组的匝数相同且极性相反；晶闸管相控调压整流电路4由分别串接在所述两个二次绕组六相线路中的六个晶闸管(即晶闸管VT1 VT6)组成。实际使用过程中，两套整流电源系统中由三相供电电路所提供的交流电经两级整流调压电路后均整流为直流电，且所获得的直流电再经限流电抗器5即电抗器L后，均并接在负载15的正负电源端上。[0052] 由于两套整流电源系统相并联，并根据两个直流电源并联时，只有当电压平均值和瞬时值均相等时，才能使负载15即电阻R均流。本实施例中，两套整流电源系统的两个双反星形整流变压器对应的两组整流电压平均值相等，但瞬时值不等，每个双反星形整流变压器两个二次绕组的中点Nl和N2间的电压差加在电抗器Lp上后，则产生电流ip，电流ip通过双反星形整流变压器的两个均为星形连接的二次绕组自成回路，而不会流到负载15中去，则此电流ip称为环流或平衡电流。考虑到ip后，每组二次绕组即三相半波整流绕组所承担的电流分别为id/2士ip，其中id为经所述两级整流调压电路两次调压整流后所得到的直流电流，为了使两组整流电源系统的电流尽可能平均分配， 一般使Lp值足够大，以便将所述环流ip限制在负载15额定电流的1% 2%以内。 所述散热装置为水冷式散热器，所述水冷式散热器包括散热器、与所述散热器相接的冷却水管道11 、安装在冷却水管道11出水口上的水咀和连接冷却水管道11用的法兰；所述综合控制系统与安装在冷却水管道11上的通断控制阀门相接。也就是说，通过冷却水管道11实现对两套整流电源系统中所用主要功率元件的冷却降温，而所述冷却水管道11的开停由所述综合控制系统进行自动控制。 同时，本实用新型还包括对经所述两级整流调压电路两次调压整流后所得到的直流电流进行实时检测的电流检测单元9、对所述两套整流电源系统中所用各用电元件所接母线的温度进行实时检测的温度检测单元14和由所述综合控制系统进行控制的告警单元IO，所述电流检测单元9、温度检测单元14和告警单元10均与所述综合控制系统相接。另外，还包括对冷却水管道11内部的水温和其进水口处的水压进行实时检测的温度传感器12和压力传感器13，所述温度传感器12和压力传感器13均接所述综合控制系统。[0055] 所述综合控制系统包括主控制器7-l、两个均与主控制器7-1相接且分别对两套整流电源系统中的智能电源投切装置2和晶闸管相控调压整流电路4进行控制的分控制器7-2以及与主控制器7-1相接的后台工控机7-3，所述分控制器7-2分别与智能电源投切装置2和晶闸管相控调压整流电路4相接，所述主控制器7-1和分控制器7-2均为PLC控制器。 本实施例中，所述主控制器7-1与分控制器7-2之间通过PR0FIBUS总线进行连接，所述主控制器7-1与后台工控机7-3之间通过RS485或RS232串口通讯方式进行双向通信。 结合图3、图4及图5，所述整流电源柜1为立方体箱体，整流变压器3布设在整流电源柜1内部前侧，平衡电抗器8安装在整流变压器3正上方，限流电抗器5布设在整流电源柜1内部右后侧，晶闸管相控调压整流电路4位于整流变压器3的后上方。所述整流电源柜1上设置有供冷却水管道11安装的进出水口和供所述三相供电线路母线进出的进出接线孔，所述进出水口和进出接线孔均布设在整流电源柜l的后壁上。相应地，冷却水管道11的进出水管16和与所述整流电源系统相接且分别接至负载15的正负母线17分别安装 在进出水口和进出接线孔上。 以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根 据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍 属于本实用新型技术方案的保护范围内。
权利要求一种一体化真空自耗炉整流电源系统，其特征在于包括接有两路三相供电线路的整流电源柜(1)、对应安装在整流电源柜(1)内的两套整流电源系统和布设在整流电源柜(1)内部的散热装置，所述两套整流电源系统并联组成一个等效十二相电源整流电路；所述整流电源系统包括串接在所述三相供电线路中的智能电源投切装置(2)和两级整流调压电路、接在所述三相供电线路上且整流调压前对所述三相供电线路中的三相交流电源进行无功功率补偿的功率补偿电路(6)、串接在经所述两级整流调压电路两次调压整流后的直流供电线路中的限流电抗器(5)以及对智能电源投切装置(2)和晶闸管相控调压整流电路(4)进行控制的综合控制系统；所述两级整流调压电路包括初级整流调压电路和次级整流调压电路，所述初级整流调压电路为整流变压器(3)，所述次级整流调压电路为晶闸管相控调压整流电路(4)。
2. 按照权利要求1所述的一体化真空自耗炉整流电源系统，其特征在于所述整流变 压器(3)为带平衡电抗器(8)的双反星形整流变压器，所述双反星形整流变压器由一个一 次绕组和两个二次绕组组成，所述两个二次绕组均为星形连接且二者的中点Nl和N2之间 通过平衡电抗器(8)进行连接，所述两个二次绕组的匝数相同且极性相反；晶闸管相控调 压整流电路(4)由分别串接在所述两个二次绕组六相线路中的六个晶闸管组成。
3. 按照权利要求1或2所述的一体化真空自耗炉整流电源系统，其特征在于还包 括对经所述两级整流调压电路两次调压整流后所得到的直流电流进行实时检测的电流检 测单元(9)、对所述两套整流电源系统中所用各用电元件所接母线的温度进行实时检测的 温度检测单元(14)和由所述综合控制系统进行控制的告警单元(IO)，所述电流检测单元 (9)、温度检测单元(14)和告警单元(10)均与所述综合控制系统相接。
4. 按照权利要求3所述的一体化真空自耗炉整流电源系统，其特征在于所述散热装 置为水冷式散热器，所述水冷式散热器包括散热器、与所述散热器相接的冷却水管道(11)、 安装在冷却水管道(11)出水口上的水咀和连接冷却水管道(11)用的法兰；所述综合控制系统与安装在冷却水管道(11)上的通断控制阀门相接。
5. 按照权利要求4所述的一体化真空自耗炉整流电源系统，其特征在于还包括对冷却水管道(11)内部的水温和其进水口处的水压进行实时检测的温度传感器(12)和压力传 感器(13)，所述温度传感器(12)和压力传感器(13)均接所述综合控制系统(7)。
6. 按照权利要求1或2所述的一体化真空自耗炉整流电源系统，其特征在于所述综 合控制系统(7)包括主控制器(7-l)、两个均与主控制器(7-1)相接且分别对两套整流电 源系统中的智能电源投切装置(2)和晶闸管相控调压整流电路(4)进行控制的分控制器 (7-2)以及与主控制器(7-1)相接的后台工控机(7-3)，所述分控制器(7-2)分别与智能 电源投切装置(2)和晶闸管相控调压整流电路(4)相接，所述主控制器(7-1)和分控制器 (7-2)均为PLC控制器。
7. 按照权利要求6所述的一体化真空自耗炉整流电源系统，其特征在于所述主控制 器(7-1)与分控制器(7-2)之间通过PROFIBUS总线进行连接。
8. 按照权利要求1或2所述的一体化真空自耗炉整流电源系统，其特征在于所述整 流变压器(3)布设在整流电源柜(1)内部前侧，平衡电抗器(8)安装在整流变压器(3)正 上方，限流电抗器(5)布设在整流电源柜(1)内部右后侧，晶闸管相控调压整流电路(4)位 于整流变压器(3)的后上方。
9.按照权利要求4所述的一体化真空自耗炉整流电源系统，其特征在于所述整流电 源柜(1)上设置有供冷却水管道(11)安装的进出水口和供所述三相供电线路母线进出的 进出接线孔，所述进出水口和进出接线孔均布设在整流电源柜(1)的后壁上。
专利摘要本实用新型公开了一种一体化真空自耗炉整流电源系统，包括整流电源柜、两套整流电源系统和散热装置，两套整流电源系统并联组成一个等效十二相电源整流电路；整流电源系统包括串接在三相供电线路中的智能电源投切装置和两级整流调压电路、功率补偿电路、限流电抗器及对智能电源投切装置和晶闸管相控调压整流电路进行控制的综合控制系统；两级整流调压电路包括初级整流调压电路和次级整流调压电路，初级整流调压电路为整流变压器，次级整流调压电路为晶闸管相控调压整流电路。本实用新型电路设计合理、结构一体化、操作简便且性能稳定可靠，能避免现有真空自耗炉整流电源在实际使用过程中所出现的多种故障问题。
文档编号H02J9/06GK201450451SQ20092003414
公开日2010年5月5日 申请日期2009年8月7日 优先权日2009年8月7日
发明者张普教, 王东, 王镇, 邹国新 申请人:陕西昌晖电气自动化系统有限公司