专利名称：矿热炉低频供电成套装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种矿热炉上所使用的能源装置，特别是矿热炉低频供电装置。
现有的铁合金炉采用工频电源供电方式，在电性能和工艺上都存在不足，如大电流短网系统阻抗大，无功损耗大、功率因数低，使输入炉内的有功功率降低，因此，能耗高、效率低。由于工频三相交流的电弧炉，电弧不稳，无功功率的绝对值变化量的幅值大，造成电压闪烁增大，因此，对电网浪涌冲击大，常给电网造成公害。熔炼过程中，铁水在炉内流动性差，形成的冷热区差别较大，质量难以保证。耐火材料消耗高，噪音大，由于工频供电的集肤效应，自焙电极烧结由表层至芯部逐层减慢，烧结不均匀，因此质量差，电极糊耗量大。
本实用新型的目的在于克服上述现有技术中存在的缺点，提供一种耗能低、效率高、电弧稳定、电压闪烁小的矿热炉低频供电装置。
本实用新型的技术解决方案是矿热炉低频供电成套装置，包括电源线(1)、电源控制柜(2)、变压器(3)、短网(10)、自焙电极(12)、矿热炉体(11)，电极升降控制柜(9)，变压器(3)的二次输出端经低压联接母线(6)与变频器(7)联接，变频器(7)输出端通过短网(10)与自焙电极(12)联接，触发脉冲控制柜(8)输出端和变频器(7)联接。
所述的触发脉冲控制柜(8)由计算机主机(81)、单片机(82)、计数器(83)、正/负组转换开关(84)、电压过零检测电路(87)、中断请求电路(88)组成，中断请求电路(88)输出端与计算机主机(81)的输入控制端联接，计算机主机(81)输出端与单片机(82)I/O口输入端连接，单片机(82)经数据总线与计数器(83)的输入端连接，单片机(82)的输出端由计数器控制经过正/负组转换开关(84)、脉冲功放电路(85)、光电耦合器(86)与变频器(7)的触发端连接，电压过零检测电路(87)输入端连接变频器(7)，其输出电网某一线电压同步信号Ut连接单片机(82)。
本实用新型在电炉变压器二次侧加装一套变频器，它的输出频率及输出电流电压波形由触发脉冲控制，并且根据不同场合、不同负载，实施准确、可靠的控制，变频器输出的电能，直接用于电极产生电弧，产生热能，实施冶炼，三相桥式变流器为同相逆并联的联接方式，可减少磁场对控制电路和设备的干扰。本实用新型以低频三相交流装置为能源的电弧炉进行铁合金冶炼，同现有技术相比具有如下优点1.降低能源消耗由于低频三相交流的电源供电，使短网电抗值下降，能提高功率因数，降低无功损失，增加有功功率，此低频冶炼技术节能显著，并能提高产量。2.电压闪烁小自焙电极电弧稳定，闪烁减小，不会给电网造成公害。3.噪音低，可比工频冶炼降低噪音5-10dB。4.降低电极糊材料消耗低频功率供给电能冶炼，导线内的集肤效应降低，所以自焙电极烧烤温度均匀，表层与里层烧结温差小，提高了自焙电极质量，使电极糊耗量降低。5.降低耐火材料消耗本实用新型电弧稳定，减少冷热区的温差，耐火材料受热均匀，减少局部过热，延长了耐火材料的使用寿命。6.由于频率降低，减少了电抗，炉内有功功率增加，电极在最佳插深中稳定的工作，使铁水温度提高，而且由于低频三相交流搅拌作用，炉底温度显著提高，不会产生炉底上涨。
以下结合附图详细说明本实用新型实施例。
图1为本实用新型原理框图。
图2为变频器电路原理图。
图3为触发脉冲控制柜原理框图。
图4为中断请求电路连接图。
图5为过零检测电路连接图。
图6为计算机控制连接图。
图7为脉冲功放电路连接图。
图8为光电耦合器连接图。
图9为计算机控制求解延迟角α的流程图。
矿热炉低频供电成套装置，如图1所示，电源控制柜2输入端和电源线1联接，电源控制柜2输出端与电炉变压器3初极线圈联接，变压器3的二次输出端经低压联接母线6与变频器7联接，变频器7的输出端和短网10联接，短网10的自焙电极12产生电弧直接在炉体内实施冶炼，低压保护与计量柜4、低压动力控制柜5分别与变压器3的低压输出母线联接，用以保护计量低压侧的用电装置，低压动力柜5为电炉辅助机械设备的电源装置。电极升降控制柜9与低压动力柜5联接，电极升降控制柜9直接控制自焙电极12的自动升降。变压器3输出四组电源与变频器7连接，变频器7由六组三相桥式变流器I-VI组成，全系统中变流器采用桥式全控整流电路。其中I、III、V组变流器合用一组电源，II、IV、VI组变流器合用另一组电源。自焙电极12的三个电极A、B、C与六组桥式变流器连接，电极A与变流器I、II正端连接，与变流器IV、V负端连接，电极B与整流器III、IV正端连接，与变流器I、VI负端连接，电极C与变流器V、VI正端连接，与变流器II、III负端连接。流过A极上的电流正半周为I组电流和II组电流的迭加，负半周为IV组和V组电流的迭加，同理，B极上的电流正半周为III组和IV组电流的迭加，负半周为I组和VI组的迭加，C极上的电流正半周为V组和VI组电流的迭加，负半周为II组和III组的迭加。六组变流器按照I II-II III-III IV-IV V-V VI-VI I方式运行，改变输出频率的方法就是使各组运行切换加快，即I II-II III-III IV-IV V-V VI-VI I运行周期减小，频率就加快。铁合金电炉冶炼其短网是大电流系统，磁场很强，对控制电路和其它设备产生干扰，为减弱磁场的影响，I～VI的每组变流器由同相逆并联联接方式的正、负2个小组变流器组成，正、负2小组电源相位相差180°，变流器I1和I2形成反并联且同时工作，其直流母线的电流流向相反，磁场相互抵消，两组电源相位相差180°，组I1和I2总有同时导通的两只晶闸管，这样也就抵消了元件导通时产生的磁场，从而使整个装置由于流过大电流而产生的磁场大大减小。变频器7的输出母线即短网10为新型节能短网，该短网导电体为铜钢复合材料，空心矩形，全导体为水冷却方式。短网10的输出铜排为同相逆并联的连接方式，输出铜排接软电缆，再串接在自焙电极12铜瓦上，铜瓦和电极紧密结合，使三相低频率大电流按A、B、C相序分别导通在三根电极上，产生电弧提供热能进行铁合金冶炼。电极12为复合材料铜瓦，A、B、C三相直入电极，与老式导电铜管导体比较，结构简单，刚性好，强度大，电流密度高，运行可靠，并且电阻小，寿命长。触发脉冲控制柜8由计算机主机81、单片机82、计数器83、正/负组转换开关84、电压过零检测电路87、中断请求电路88组成，中断请求电路88输出端与计算机主机81的输入控制端联接，计算机主机81输出端与单片机82的I/O口输入端连接，单片机82经数据总线与计数器83的输入端连接，单片机82的输出端由计数器控制经过正/负组转换开关84、脉冲功效电路85、光电耦合器86与变频器7的触发端连接，电压过零检测电路87输入端连接变频器7，其输出电网某一线电压同步信号Ut连接单片机82。主机81采用PC型微型计算机，其CPU为INTEL8086，采用汇编语言进行控制及运算。主机的主要功能是根据键入的所需电压的频率及幅值，按一定规律产生延迟角α，在外部中断请求信号INT到来后，立即响应将α字送入单片机82的I/O口。主机同时产生三个不同的α字，以使三相输出电压对称。单片机82和可编程计数器83构成脉冲形成单元。计数器8253-5含三个16位计数器。单片机8749接收来自电压过零检测电路87的与电网某一线电压同步的信号Ut，计数器可产生与电网线电压同步的六倍频脉冲，其产生时刻对应晶闸管的自然换相点，即α＝0处。单片机8749由1号I/O口读入α字，经过对其判断、运算后，将得出的α计数值Nα由数据总线DB0-7送到8253-5的2#计数器。单片机的2号I/O口做为变频器工作的控制端口，只用其中的六根线P20-5分别控制变频器六个晶闸管的触发脉冲。在六根线P20-5中，每次只有两根为低电平，对应触发晶闸管。取低电平两根线的顺序为P20-1，P21-2，P22-3，P23-4，P24-5，P25-0，这样即可有规律的进行触发。2#计数器的输出OUT2#做为D触发器LS374的时钟信号。当Nα计数到，OUT2#产生一正脉冲，则D触发器的输出PC1-6的状态与其输入P20-5的状态一致，再经脉冲形成及功放电路产生晶闸管的触发脉冲。P26控制正/负组变流器的转换。正/负组转换开关84的作用是只能将脉冲送入到一组晶闸管(正组或负组)。主机送出的α字由八位二进制数构成，其中最高位为正/负组变流器的标志位。0表示应触发正组，1则表示应触发负组。单片机83正是通过检测该位的值去控制转换开关的。电压过零检测电路87由零压开关集成电路CA3059及部分分立元件构成。CA3059不需另设工作电源，它直接从被测电压中获取工作电源。其输入为三相线电压，输出为与某一线电压过零点同步并经隔离的脉冲。如图5所示，其输出是在Ucb大于零时的Uab过零点产生一个正脉冲。中断请求电路88是为了充分利用主机的有效时间进行其它的控制与运算。主机根据某种规则，产生α，经过一些逻辑判断，最后将α字送到I/O口。对三相交-交变频器，这样送出三个α字的时间不大于1ms。单片机每次是在负脉冲出现的时刻读入α字。利用此电路产生一个与单片机可读入α字时刻同频，在时间上略为超前的外部中断请求信号INT。主机接受到INT信号后立即响应，执行中断服务程序，产生α字，并由I/O口输出到单片机，此刻单片机正好可读入α字。这样，主机在每3.33ms中占用约1ms用于与单片机通讯，其余时间可用于其它目的控制与运算。为产生INT信号而设置的中断请求电路88由锁相环C4046、计数器C4040以及门电路构成。输入信号Ut经锁相环及计数器后，产生二十四倍频的同步脉冲，再经计数器适当的分频并利用计数器的“清零”端进行控制，可产生INT信号。适当的选择不同的倍频比及分频比，可得到不同相位及频率的与Ut同步的输出脉冲。脉冲功放电路85将8253-5的2#计数器的脉冲信号利用光电耦合器86进行电隔离，再放大去触发晶闸管。脉冲功放电路85其中二极管列阵中的每一个二极管对应GATE回路中每个光电耦合器的输入端。
单相交-交变频器包括两组变流器，正组即P组变流器，负组即N组变流器。交-交变频器的基本控制方法是连续调制每组变流器的触发角α，使得两组变流器在各自的输出端有相等的正弦输出电压。在无环流情况下运行时，每组变流器在其输出端形成一个电压波形，并且只在各组变流器担负负载电流的半个周波中才允许导通。在变流器处于无载状态的半个周波期间，通过对触发角α的适当控制，而将该组变流器完全阻断。这样在任一时刻只有一组变流器导通，在两变流器之间无环流通过。由于触发角α与基准电压之间存在余弦关系，因此对变频器可进行“余弦波交截”控制，以产生与基准电压对应的波形。余弦波交截控制法具有输出电压畸变因数低以及谐波含量少的优点，但是模拟方案很难实现。利用计算机求取余弦波与其基准电压波交截时刻获得为数众多的α值，则需解三角方程，而对于三角方程的解可能多值的，可见这样的方案也存在问题。本装置的计算机控制方案是以余弦波交截控制法做为标准，采用改进的采样法(IPSM)用直线方程去近似三角方程，再对直线方程的解进行修正，以此求得根据要求的不同频率所需的多个α值。余弦波交截控制法求解延迟角α的流程图如图9所示。对于三角方程所得的解可能是多值的。所得的解取决于迭代时所选的初值，为了得到所需的“真解”，本程序中选取两个初始值π/3和2π/3进行迭代，把所得的解进行判断，可得到全部真解。程序中设置了两个标志α角区域标志CON和正、负组变流器标志SIGN。含义如下CON＝0表示60°≤α≤120°CON＝1表示0°≤α≤60°SIGN＝0表示对应负组变流器的延迟角SIGN＝1表示对应正组变流器的延迟角程序中各符号的含义如下si为迭代初始值ti对应第I个α值的时刻SA(I)为存放ti的数组m为输出电压在一个周波内最多的换相次数RP当0°≤ωti≤60°时，脉冲应送至正组变流器RN当0°≤ωti≤60°时，脉冲应送至负组变流器LRP当60°≤ωti≤120°时，脉冲应送至正组变流器LRN当60°≤ωti≤120°时，脉冲应送至负组变流器通过此程序，再根据线性化修改后，求得的众多ti对应的α值，将脉冲送至正、负组变流器的各晶闸管。在应用本方案的控制中主机的操作也比较简单，首先设置初值I＝0，主机第一次响应中断请求信号后，经运算、判断可求出第一个触发时刻，经修正并能转换成对应的延迟角α数值，由I/O口输出，再将I+1，为下次中断服务做准备……。随着I的不同，当I＝m执行完后，将I再置为0，如此循环往复。以*RP输入、*RN输出为例来说明程序框图的过程，主机内先设置迭代初始置si＝60°，计算机算出对应的第1个α值的时刻ti，经过主机判断0°≤ωti≤60°，如果在此范围内输出信号给*LRP，如果不在此0°≤ωti≤60°范围内则验证是否在60°≤ωti≤120°范围内，如果是，则将信号送至正组变流器并不断输出下一个α数值，如果不是则另设置迭代初始置si＝120°，计算机算出对应的第1个α值的时刻ti，如果在60°≤ωti≤120°范围内，则送至正组变流器并不断输出一个α数值，如果不是，则送反组变流器*RN。本方案通过简单的运算，即可确定在输出电压的一个周波内所有的延迟角α，使输出电压的谐波含量及畸变因数明显减少，本控制方案不仅输出电压频率在0.05～12.5HZ以内的范围中任意可调(频率选择尽可能选用电源频率的1/3倍频率，如50/3、50/6、50/90……等)还能使输出电压幅值(功率)任意可调，本控制方案所得输出电压波形接近理想的余弦波交截控制法所获得的波形，本控制方案的运算表达式为线性表达式，因此易于计算机的实时运算。
权利要求1.矿热炉低频供电成套装置，包括电源线(1)、电源控制柜(2)、变压器(3)、短网(10)、自焙电极(12)、矿热炉体(11)、电极升降控制柜(9)，其特征在于变压器(3)的二次输出端经低压联接母线(6)与变频器(7)联接，变频器(7)输出端通过短网(10)与自焙电极(12)联接，触发脉冲控制柜(8)输出端和变频器(7)联接。
2.如权利要求1所述的矿热炉低频供电成套装置，其特征在于所述的触发脉冲控制柜(8)由计算机主机(81)、单片机(82)、计数器(83)、正/负组转换开关(84)、电压过零检测电路(87)、中断请求电路(88)组成，中断请求电路(88)输出端与计算机主机(81)的输入控制端联接，计算机主机(81)输出端与单片机(82)I/O口输入端连接，单片机(82)经数据总线与计数器(83)的输入端连接，单片机(82)的输出端由计数器(83)控制经过正/负组转换开关(84)、脉冲功放电路(85)、光电耦合器(86)与变频器(7)的触发端连接，电压过零检测电路(87)输入端连接变频器(7)，其输出电网某一线电压同步信号Ut连接单片机(82)。
3.如权利要求2所述的矿热炉低频供电成套装置，其特征在于所述的计算机控制求解变流器晶闸管触发角α的流程如下置初值I＝0 CON＝0 SIGN＝1主机第一次响应中断请求信号后，经运算、判断求出第一个触发时刻ti，经修正并转换成对应的延迟角α数值，由I/O口输出，再将I+1，为下次中断服务做准备……，随着I的不同，当I＝m执行完后，将I再置为0，如此循环往复，其中设置α角区域标志CON和正、负组变流器标志SIGN，含义如下CON＝0表示60°≤α≤120°，SIGN＝1表示对应负组变流器的延迟角，m为输出电压在一个周波内最多的换相次数。
专利摘要矿热炉低频供电成套装置,包括电源线、电源控制柜、变压器、短网、自焙电极、矿热炉体、电极升降控制柜,本实用新型在电炉变压器二次侧加装一套变频器,它的输出频率及输出电流电压波形由触发脉冲控制,并且根据不同场合、不同负载,实施准确、可靠的控制,变频器输出的电能,直接用于电极产生电弧,产生热能,实施冶炼,三相桥式变流器为同相逆并联的联接方式,可减少磁场对控制电路和设备的干扰。
文档编号H02M5/02GK2298617SQ9720831
公开日1998年11月25日 申请日期1997年2月14日 优先权日1997年2月14日
发明者李鸿才, 魏永禄 申请人:西安山秦冶金机电设备厂