專利名稱：電子束熔煉爐高壓電源的控制方法及電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子束電熱設(shè)備，具體為電子束熔煉爐高壓電源的控制方法及電源裝置。
背景技術(shù)：
電子束熔煉爐是利用高速電子轟擊爐料時(shí)所產(chǎn)生的熱能來進(jìn)行熔煉和加熱的一種電熱設(shè)備，是一種綜合了真空物理、材料科學(xué)、電子技術(shù)、電子光學(xué)、高電壓技術(shù)、計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)等多種技術(shù)的高科技產(chǎn)品，與其它真空熔煉爐相比，功率密度高，可用于貴重、 稀有、難熔金屬的熔煉和精練，爐內(nèi)真空度高，容易制備各種高純材料或特殊合金以及用于熔煉優(yōu)質(zhì)特殊鋼和鈦廢屑回收等，此外還具有無耐火材料對爐料污染的優(yōu)點(diǎn)。電子束轟擊爐的發(fā)展方向是大功率、多槍，這類設(shè)備的單臺功率已達(dá)MOOkW。特別是近30年電子束冷床熔煉(EBCHM)工藝在優(yōu)質(zhì)鈦及鈦合金錠坯的生產(chǎn)中占據(jù)著重要的地位。目前電子束熔煉爐高壓電源控制方法及電源裝置的特點(diǎn)為1)電子束高壓電源為閉環(huán)穩(wěn)壓系統(tǒng)，即利用晶閘管移相交流調(diào)壓自動(dòng)控制主變壓器的輸入電壓，使加速電源輸出電壓保持穩(wěn)定。缺點(diǎn)為①晶閘管移相交流調(diào)壓，對電網(wǎng)有污染，EMC指標(biāo)難以達(dá)標(biāo)，功率因數(shù)低；②晶間管移相交流調(diào)壓加速電源的升壓變壓器輸入電壓波形為含高次諧波的非正弦波；為了保證調(diào)節(jié)量要求，變壓器的容量設(shè)計(jì)余量較大，利用率低，這些都會增加變壓器的損耗，使運(yùn)行效率下降；③晶間管移相交流調(diào)壓供電，直流高壓輸出紋波較大，對電子束聚焦不利，降低電子束流通率。2)電子束高壓電源為開環(huán)控制，即高壓電源直接由三相市電供電，經(jīng)多相全波整流獲得，可以克服以上部分缺點(diǎn)，但高壓運(yùn)行過程產(chǎn)生波動(dòng)無法抑制。另外電子束熔煉爐運(yùn)行過程產(chǎn)生放電現(xiàn)象，從而引起電網(wǎng)劇烈的電壓波動(dòng)與閃變，危及本身和其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，而且對電網(wǎng)供電質(zhì)量帶來嚴(yán)重危害。電子束熔煉爐上述兩種電源對此“危害”都缺乏有效的抑制能力。電子束熔煉爐高壓電源的設(shè)計(jì)主要考慮兩個(gè)問題1)提高電源運(yùn)行效率，降低電源運(yùn)行時(shí)對電網(wǎng)產(chǎn)生的“公害”。2)電源及其控制系統(tǒng)對運(yùn)行過程產(chǎn)生放電現(xiàn)象具有快速、有效的抑制能力。電子束熔煉爐高壓電源采用三相全波供電，而高壓整流采用12脈波整流電路，便能比較好地解決第一個(gè)問題。對于第二個(gè)問題，一般采用適當(dāng)增加高壓電源的輸出阻抗 (主要是升壓變壓器的漏阻抗)來降低高壓放電電流，這樣勢必影響到高壓電源輸出特性變軟。這樣需要增加變壓器容量，以犧牲部分效率為代價(jià)來抑制放電強(qiáng)度，另外快速抑制放電的問題仍沒有解決。電子束熔煉爐高壓電源運(yùn)行要求輸出電壓穩(wěn)定于額定電壓，一般不要求改變工作電壓值
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種電子束熔煉爐高壓電源的控制方法及電源裝置，本發(fā)明采用三相近似正弦波電流輸入，并基于可控電抗器控制，具有效率高、“公害”小、高壓電源放電時(shí)能快速地、有效地抑制放電電流的特點(diǎn)。本發(fā)明的基本構(gòu)思是電子束熔煉爐高壓電源采用輸出電壓閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，高壓電源由三相市電供電，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電抗器的工作狀態(tài)來調(diào)節(jié)輸入高壓變壓器的一次側(cè)電壓。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的電子束熔煉爐高壓電源的控制方法，所述電源采用工頻交流輸入 —三相可調(diào)電抗器調(diào)壓一三相升壓變壓器升壓一高壓整流濾波的電流變換方式輸出；將上述輸出高壓的高壓取樣信號作為負(fù)反饋信號，通過電壓調(diào)節(jié)器去控制三相可調(diào)電抗器直流控制繞組的電流，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)壓，使電子束熔煉爐高壓電源輸出電壓值保持穩(wěn)定。所述自動(dòng)調(diào)壓的具體方法是將高壓給定信號發(fā)生器產(chǎn)生的高壓給定信號與高壓取樣信號比較得到高壓偏差信號，高壓偏差信號送入高壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行比例-積分運(yùn)算后輸出一控制信號，用高壓調(diào)節(jié)器輸出的控制信號送入驅(qū)動(dòng)電路去調(diào)節(jié)三相可調(diào)電抗器直流控制繞組的直流供電電源回路中功率管的占空比。所述三相可調(diào)電抗器由3個(gè)結(jié)構(gòu)相同的單相可調(diào)電抗器組成；每個(gè)單相可調(diào)電抗器的鐵心為三柱結(jié)構(gòu)，左右呈對稱結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)的鐵心柱截面面積與上下兩側(cè)的軛鐵心截面面積相同，但左右兩側(cè)的鐵心柱截面面積及上下兩側(cè)的軛鐵心的截面面積均小于中心的鐵心柱截面面積；單相可調(diào)電抗器的交流繞組繞在中心的鐵心柱上，單相可調(diào)電抗器的直流控制繞組對稱繞在左右兩側(cè)鐵心柱上；3個(gè)單相可調(diào)電抗器的交流繞組分別串接在工頻交流輸入的三相市電與三相升壓變壓器的一次側(cè)繞組中，3個(gè)單相可調(diào)電抗器的直流控制繞組串接后與三相可調(diào)電抗器直流控制繞組的直流供電電源相接。上述電子束熔煉爐高壓電源的控制方法還進(jìn)一步包括有故障保護(hù)控制；即對高壓電源控制過程中的高壓取樣信號進(jìn)行過壓故障判別、對電子束流取樣信號和三相升壓變壓器輸入電流取樣信號分別進(jìn)行過流故障判別，上述任一故障產(chǎn)生，立即封鎖高壓調(diào)節(jié)器的輸出，并通過電子束熔煉爐中央控制單元實(shí)現(xiàn)高壓電源的多重保護(hù)及整機(jī)邏輯連鎖控制。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的電子束熔煉爐高壓電源裝置，主要由三相可調(diào)電抗器、三相升壓變壓器、兩組高壓整流濾波電路、高壓放電扼流電路、高壓取樣電路、三相可調(diào)電抗器直流控制繞組的直流供電電源電路、以及高壓閉環(huán)控制弱電電路組成；三相可調(diào)電抗器交流繞組的輸入端與輸入的三相市電相接，三相可調(diào)電抗器交流繞組的輸出端送入三相升壓變壓器一次側(cè)繞組；三相可調(diào)電抗器直流控制繞組與三相可調(diào)電抗器直流控制繞組的直流供電電源電路相接；三相升壓變壓器有兩組二次側(cè)繞組，分別為三角形接法和星形接法，且兩組二次側(cè)繞組的線電壓相同；三相升壓變壓器的兩組二次側(cè)繞組的輸出分別接入兩組高壓整流濾波電路；每組高壓整流濾波電路由一高壓整流橋和一高壓電容組成，高壓電容并接于高壓整流橋輸出端上；兩組高壓整流濾波電路的高壓整流橋的交流輸入側(cè)分別與三相升壓變壓器的兩組二次側(cè)繞組相接，兩組高壓整流濾波電路的高壓電容串聯(lián)后輸出；高壓整流濾波電路輸出的高壓端經(jīng)由高壓放電扼流電路與電子槍的陰極相接，高壓整流濾波電路輸出的低壓端與大地及電子槍的陽極相接；高壓取樣電路并接于高壓放電扼流電路輸出端與大地之間，高壓取樣電路輸出的高壓取樣信號送入電壓閉環(huán)控制電路的輸入端；高壓閉環(huán)控制弱電電路的輸出端與三相可調(diào)電抗器直流控制繞組的直流供電電源電路相接。
所述高壓閉環(huán)控制弱電電路包括高壓給定信號發(fā)生器、比較器、高壓調(diào)節(jié)器和驅(qū)動(dòng)電路；高壓給定信號發(fā)生器的輸出由中央控制單元數(shù)字設(shè)定后經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換產(chǎn)生，高壓給定信號發(fā)生器的輸出信號作為高壓給定信號送入比較器；比較器同時(shí)接收高壓取樣電路輸出的高壓取樣信號，將高壓給定信號與高壓取樣信號比較得到的高壓偏差信號送入高壓調(diào)節(jié)器；高壓調(diào)節(jié)器為比例-積分調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，將接收的高壓偏差信號進(jìn)行比例-積分運(yùn)算后輸出控制信號至驅(qū)動(dòng)電路去調(diào)節(jié)三相可調(diào)電抗器直流控制繞組的直流供電電源電路輸出電壓波的占空比。所述三相可調(diào)電抗器由3個(gè)結(jié)構(gòu)相同的單相可調(diào)電抗器組成；每個(gè)單相可調(diào)電抗器的鐵心為三柱結(jié)構(gòu)，左右呈對稱結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)的鐵心柱截面面積與上下兩側(cè)的軛鐵心截面面積相同，但左右兩側(cè)的鐵心柱截面面積及上下兩側(cè)的軛鐵心的截面面積均小于中心的鐵心柱截面面積；單相可調(diào)電抗器的交流繞組繞在中心的鐵心柱上，單相可調(diào)電抗器的直流控制繞組對稱繞在左右兩側(cè)鐵心柱上；3個(gè)單相可調(diào)電抗器的交流繞組分別串接在工頻交流輸入的三相市電與三相升壓變壓器的一次側(cè)繞組中，3個(gè)單相可調(diào)電抗器的直流控制繞組串接后與三相可調(diào)電抗器直流控制繞組的直流供電電源相接。3個(gè)單相可調(diào)電抗器的直流控制繞組串接后再與一個(gè)線性電抗器串聯(lián)，最后接到三相可調(diào)電抗器直流控制繞組的直流供電電源的輸出端。上述電子束熔煉爐高壓電源裝置還進(jìn)一步包括電子束流取樣電阻和電流變送器； 其中電子束流取樣電阻串接在高壓整流濾波電路輸出的低壓端與大地之間，電流變送器輸入端串接在三相可調(diào)電抗器與三相升壓變壓器之間，電子束流取樣電阻上的電子束流取樣信號、電流變送器上的三相升壓變壓器輸入電流取樣信號、以及高壓取樣電路輸出的高壓取樣信號送入高壓閉環(huán)控制弱電電路的中央控制單元內(nèi)的故障封鎖信號發(fā)生器的輸入端， 故障封鎖信號發(fā)生器的輸出端與高壓調(diào)節(jié)器相連。所述三相可調(diào)電抗器直流控制繞組的直流供電電源電路包括Buck電壓調(diào)節(jié)電路和低壓整流濾波電路；其中低壓整流濾波電路包括低壓整流橋和低壓電容；Buck電壓調(diào)節(jié)電路包括功率開關(guān)管和低壓續(xù)流二極管；三相市電接入低壓整流橋的交流輸入端，低壓整流橋的直流輸出側(cè)并接在低壓電容的兩端；經(jīng)過上述低壓整流濾波電路整流濾波后的直流電源的正端接入功率開關(guān)管的集電極，負(fù)端接入低壓續(xù)流二極管的陽極；低壓續(xù)流二極管的陰極與功率開關(guān)管的發(fā)射極相接；功率開關(guān)管的基極與高壓閉環(huán)控制弱電電路的輸出端相接；低壓續(xù)流二極管的陽極與陰極分別接在三相可調(diào)電抗器直流控制繞組的兩端上。本發(fā)明電子束熔煉爐高壓電源的特點(diǎn)為1)高壓變壓器輸入電壓為正弦波電壓，高壓整流采用12脈波整流，高壓變壓器輸入電流近似正弦波電流。具備較高的功率因數(shù)及效率，同時(shí)降低了諧波電流。2)串聯(lián)三相可調(diào)電抗器具有自然的限流特性，且響應(yīng)速度無延遲，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、 有效抑制高壓放電的能力。3)三相可調(diào)電抗器運(yùn)行過程有一定的電能損耗，但高性能鐵心材料的應(yīng)用使損耗降低了不少，加上第一個(gè)特點(diǎn)所帶來的節(jié)能將足夠抵消可調(diào)電抗器的損耗。


圖1為本發(fā)明電子束熔煉爐高壓電源裝置實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
6
圖2為圖1中三相可調(diào)電抗器結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為圖1中三相可調(diào)電抗器單相可調(diào)電抗器運(yùn)行磁通變化示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明一種電子束熔煉爐高壓電源的控制方法，其高壓電源采用輸出電壓閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，由三相市電供電，通過調(diào)節(jié)可控電抗器的工作狀態(tài)來調(diào)節(jié)輸入高壓變壓器的一次側(cè)電壓。所述電源采用工頻交流輸入一三相可調(diào)電抗器Ll調(diào)壓一三相升壓變壓器T升壓 —高壓整流濾波的電流變換方式輸出；將上述輸出高壓的高壓取樣信號作為負(fù)反饋信號， 通過電壓調(diào)節(jié)器去控制三相可調(diào)電抗器Ll直流控制繞組的電流，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)壓，使電子束熔煉爐高壓電源輸出電壓值保持穩(wěn)定。上述電子束熔煉爐高壓電源輸出電壓自動(dòng)穩(wěn)定調(diào)節(jié)的具體方法是將高壓給定信號發(fā)生器產(chǎn)生的高壓給定信號與高壓取樣信號比較得到高壓偏差信號，高壓偏差信號送入高壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行比例-積分PI運(yùn)算后輸出一控制信號，用高壓調(diào)節(jié)器輸出的控制信號送入驅(qū)動(dòng)電路去調(diào)節(jié)三相可調(diào)電抗器Ll直流控制繞組的直流供電電源回路中功率管的占空比。電子束熔煉爐高壓電源的控制方法還進(jìn)一步包括有故障保護(hù)控制；即對高壓電源控制過程中的高壓取樣信號進(jìn)行過壓故障判別、對電子束流取樣信號和三相升壓變壓器T 輸入電流取樣信號分別進(jìn)行過流故障判別，上述任一故障產(chǎn)生，立即封鎖高壓調(diào)節(jié)器的輸出，并通過電子束熔煉爐中央控制單元實(shí)現(xiàn)高壓電源的多重保護(hù)及整機(jī)邏輯連鎖控制。所述三相可調(diào)電抗器Ll由3個(gè)結(jié)構(gòu)相同的單相可調(diào)電抗器組成。每個(gè)單相可調(diào)電抗器的鐵心為三柱結(jié)構(gòu)，左右呈對稱結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)的鐵心柱截面面積與上下兩側(cè)的軛鐵心截面面積相同，但左右兩側(cè)的鐵心柱截面面積及上下兩側(cè)的軛鐵心的截面面積均小于中心的鐵心柱截面面積。單相可調(diào)電抗器的交流繞組繞在中心的鐵心柱上，單相可調(diào)電抗器的直流控制繞組對稱繞在左右兩側(cè)鐵心柱上。單相可調(diào)電抗器直流控制繞組通入電流后產(chǎn)生的磁通由左右兩側(cè)的鐵心柱及上下兩側(cè)扼鐵心形成回路，不通過中心的鐵心柱。單相可調(diào)電抗器交流繞組通入電流后產(chǎn)生的磁通從中心的鐵心柱由上下兩側(cè)扼鐵心分別與左右兩側(cè)的鐵心柱形成2個(gè)回路。單相可調(diào)電抗器的交流繞組通入交流電流后，在正負(fù)半周各有一側(cè)鐵心柱的磁通得到加強(qiáng)，而另一側(cè)鐵心柱的磁通將被減弱，兩直流控制繞組中將分別感應(yīng)中極性相反的感應(yīng)電動(dòng)勢，但由于磁路的非線性兩感應(yīng)電動(dòng)勢幅值有差別，疊加后仍存在部分感應(yīng)電動(dòng)勢。3個(gè)單相可調(diào)電抗器的交流繞組分別串接在工頻交流輸入的三相市電與三相升壓變壓器T的一次側(cè)繞組中，3個(gè)單相可調(diào)電抗器的直流控制繞組串接后與三相可調(diào)電抗器 Ll直流控制繞組的直流供電電源相接。三相可調(diào)電抗器Ll通過對稱電流時(shí)，根據(jù)對稱三相電路特性，三相可調(diào)電抗器Ll的直流控制繞組總的感應(yīng)電動(dòng)勢為0，因此三相可調(diào)電抗器 Ll中交流繞組的電流不會影響直流控制繞組的電流變化。改變?nèi)嗫烧{(diào)電抗器Ll中直流控制繞組的電流，使得三相交流繞組每相等效電抗按同樣的規(guī)律變化。額定運(yùn)行時(shí)，直流控制繞組產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的直流磁場，使左右兩側(cè)鐵心柱及上下兩側(cè)扼鐵芯深度飽和，交流繞組流過的額定交流電流，通過交流繞組所產(chǎn)生的交流磁場不足以使鐵芯退出飽和，磁路呈現(xiàn)出很大的磁阻，穿過交流繞組的磁通量及交流繞組兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢都很小，電網(wǎng)電壓幾乎全加在升壓變壓器的一次側(cè)繞組上。電子束熔煉爐在運(yùn)行過程中，一旦產(chǎn)生放電現(xiàn)象，相當(dāng)于高壓電源發(fā)生短路故障， 則較大的短路電流流過三相可調(diào)電抗器Ll交流繞組，使得每個(gè)單相可調(diào)電抗器的兩側(cè)鐵芯柱在正負(fù)半周交替退出飽和區(qū)，三相可調(diào)電抗器Ll呈現(xiàn)出很大的電抗，從而限制短路電流，使得三相可調(diào)電抗器Ll具有限流特性；如果三相電路不對稱，在三相可調(diào)電抗器Ll直流控制繞組中將會感應(yīng)出交流電，產(chǎn)生變壓器效應(yīng)，從而降低三相可調(diào)電抗器Ll的閃變抑制效果，為了彌補(bǔ)這個(gè)缺陷，本發(fā)明還在三相可調(diào)電抗器Ll的直流控制繞組回路中串聯(lián)一個(gè)線性電抗器L2。空載或輕載運(yùn)行時(shí)，三相可調(diào)電抗器Ll的控制直流較小，鐵芯淺度飽和或工作于線性區(qū)，交流繞組流過的交流電流較小，通過交流繞組所產(chǎn)生的交流磁場不足以使鐵芯進(jìn)入深度飽和，磁路呈現(xiàn)出較小的磁阻，穿過交流繞組的磁通量及交流繞組兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢都較大，電網(wǎng)電壓有部分消耗在三相可調(diào)電抗器Ll的交流繞組上。根據(jù)上述方法所設(shè)計(jì)的電子束熔煉爐高壓電源裝置如圖1所示，其主要由三相可調(diào)電抗器Li、電流變送器TA、三相升壓變壓器T、兩組高壓整流濾波電路、高壓放電扼流電路、高壓取樣電路、電子束流取樣電阻R3、三相可調(diào)電抗器Ll直流控制繞組的直流供電電源電路、以及高壓閉環(huán)控制弱電電路組成。所述三相可調(diào)電抗器Ll如圖2所示，由3個(gè)結(jié)構(gòu)相同的單相可調(diào)電抗器組成。每個(gè)單相可調(diào)電抗器的鐵心為三柱結(jié)構(gòu)，左右呈對稱結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)的鐵心柱截面面積與上下兩側(cè)的軛鐵心截面面積相同，但左右兩側(cè)的鐵心柱截面面積及上下兩側(cè)的軛鐵心的截面面積均小于中心的鐵心柱截面面積。單相可調(diào)電抗器的交流繞組繞在中心的鐵心柱上，單相可調(diào)電抗器的直流控制繞組對稱繞在左右兩側(cè)鐵心柱上。單相可調(diào)電抗器直流控制繞組通入電流后產(chǎn)生的磁通由左右兩側(cè)的鐵心柱及上下兩側(cè)扼鐵心形成回路，不通過中心的鐵心柱。單相可調(diào)電抗器交流繞組通入電流后產(chǎn)生的磁通從中心的鐵心柱由上下兩側(cè)扼鐵心分別與兩側(cè)的鐵心柱形成2個(gè)回路。單相可調(diào)電抗器的交流繞組通入交流電流后，在正負(fù)半周各有一側(cè)鐵心柱的磁通得到加強(qiáng)，而另一側(cè)鐵心柱的磁通將被減弱，兩直流控制繞組中將分別感應(yīng)中極性相反的感應(yīng)電動(dòng)勢，但由于磁路的非線性兩感應(yīng)電動(dòng)勢幅值有差別， 疊加后仍存在部分感應(yīng)電動(dòng)勢。3個(gè)單相可調(diào)電抗器的交流繞組分別串接在工頻交流輸入的三相市電與三相升壓變壓器T的一次側(cè)繞組中，3個(gè)單相可調(diào)電抗器的直流控制繞組串接后與三相可調(diào)電抗器 Ll直流控制繞組的直流供電電源相接。三相可調(diào)電抗器Ll通過對稱電流時(shí)，根據(jù)對稱三相電路特性，三相可調(diào)電抗器Ll的直流控制繞組總的感應(yīng)電動(dòng)勢為0，因此三相可調(diào)電抗器 Ll中交流繞組的電流不會影響直流控制繞組的電流變化。改變?nèi)嗫烧{(diào)電抗器Ll中直流控制繞組的電流，使得三相交流繞組每相等效電抗按同樣的規(guī)律變化。額定運(yùn)行時(shí)，直流控制繞組產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的直流磁場，使鐵芯深度飽和(圖3中Q點(diǎn))，交流繞組流過的額定交流電流，通過交流繞組所產(chǎn)生的交流磁場不足以使鐵芯退出飽和，磁路呈現(xiàn)出很大的磁阻， 穿過交流繞組的磁通量及交流繞組兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢都很小，電網(wǎng)電壓幾乎全加在升壓變壓器的一次側(cè)繞組上。電子束熔煉爐在運(yùn)行過程中，一旦產(chǎn)生放電現(xiàn)象，相當(dāng)于高壓電源發(fā)生短路故障， 則較大的短路電流流過三相可調(diào)電抗器Ll交流繞組，使得每個(gè)單相可調(diào)電抗器的兩側(cè)鐵芯柱在正負(fù)半周交替退出飽和區(qū)，三相可調(diào)電抗器Ll呈現(xiàn)出很大的電抗，從而限制短路電流，使得三相可調(diào)電抗器Ll具有限流特性；如果三相電路不對稱，在三相可調(diào)電抗器Ll直流控制繞組中將會感應(yīng)出交流電，產(chǎn)生變壓器效應(yīng)，從而降低三相可調(diào)電抗器Ll的閃變抑制效果，為了彌補(bǔ)這個(gè)缺陷，本發(fā)明還在三相可調(diào)電抗器Ll的直流控制繞組回路中串聯(lián)一個(gè)線性電抗器L2?？蛰d或輕載運(yùn)行時(shí)，三相可調(diào)電抗器Ll的控制直流較小，鐵芯淺度飽和或工作于線性區(qū)(圖3中S點(diǎn))，交流繞組流過的交流電流較小，通過交流繞組所產(chǎn)生的交流磁場不足以使鐵芯進(jìn)入深度飽和，磁路呈現(xiàn)出較小的磁阻，穿過交流繞組的磁通量及交流繞組兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢都較大，電網(wǎng)電壓有部分消耗在三相可調(diào)電抗器Ll的交流繞組上。電流變送器TA的輸入端串接在三相可調(diào)電抗器與三相升壓變壓器之間，用于檢測三相升壓變壓器T輸入電流，其輸出的直流電壓信號I 即三相升壓變壓器輸入電流取樣信號正比于三相升壓變壓器T輸入電流，檢測直流電壓信號I 送入高壓閉環(huán)控制弱電電路的中央控制單元的輸入端，中央控制單元把直流電壓信號I 與其限幅設(shè)定值進(jìn)行比較，如果超過限幅設(shè)定值，中央控制單元判斷產(chǎn)生輸入過流故障。三相升壓變壓器T有兩組二次側(cè)繞組，分別為三角形接法和星形接法，且兩組二次側(cè)繞組的線電壓相同，兩組二次側(cè)繞組的輸出分別接入第一高壓整流濾波電路和第二高壓整流濾波電路中高壓整流橋ZL3和ZL4的交流輸入側(cè)；兩組高壓整流橋ZL3和ZL4輸出分別經(jīng)高壓電容Cl和C2濾波后再串聯(lián)輸出，輸出的負(fù)高壓端接至高壓放電扼流電路的輸入端，低壓端經(jīng)電子束流取樣電阻R3與大地相接，電子槍的陽極亦與大地相接。扼流電抗器L3和高壓續(xù)流二極管D2并聯(lián)組成高壓放電扼流電路。高壓續(xù)流二極管D2的陽極為輸入端，高壓續(xù)流二極管D2的陰極為輸出端，該輸出端接至電子槍的陰極。 扼流電抗器L3的作用是限制高壓電容Cl和C2的放電瞬間電流。高壓續(xù)流二極管D2的作用是防止放電電流截止在扼流電抗器L3兩端產(chǎn)生過電壓。高壓降壓電阻Rl和高壓取樣電阻R2串聯(lián)組成高壓取樣電路。高壓取樣電路并接于高壓放電扼流電路輸出端與大地之間。高壓取樣電阻R2輸出的高壓取樣信號U分別送入高壓電壓閉環(huán)控制弱電電路的比較器及中央控制單元；中央控制單元把高壓取樣信號U 與其限幅設(shè)定值進(jìn)行比較，如果超過限幅設(shè)定值，中央控制單元判斷產(chǎn)生高壓過壓故障。電子束流取樣電阻R3上電子束流取樣信號I分別送入電子束流調(diào)節(jié)信號及中央控制單元；中央控制單元把電子束流取樣信號I與其限幅設(shè)定值進(jìn)行比較，如果超過限幅設(shè)定值，中央控制單元判斷產(chǎn)生電子束流過流故障。高壓閉環(huán)控制弱電電路包括中央控制單元、比較器、高壓調(diào)節(jié)器和驅(qū)動(dòng)電路。中央控制單元能夠形成高壓給定信號發(fā)生器和故障封鎖信號發(fā)生器。中央控制單元通過以下方式形成高壓給定信號發(fā)生器高壓給定信號發(fā)生器的輸出由中央控制單元數(shù)字設(shè)定后經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換產(chǎn)生，高壓給定信號發(fā)生器的輸出信號作為高壓給定信號送入比較器。中央控制單元通過以下方式形成故障封鎖信號發(fā)生器電子束流取樣電阻R3上的電子束流取樣信號和電流變送器TA上的三相升壓變壓器T輸入電流取樣信號送入中央控制單元進(jìn)行過流故障判別，高壓取樣電路輸出的高壓取樣信號送入中央控制單元進(jìn)行過壓故障判別。上述任一故障產(chǎn)生，中央控制單元立即輸出故障信號Uer至高壓調(diào)節(jié)器，立即封鎖高壓調(diào)節(jié)器的輸出，并通過電子束熔煉爐中央控制單元實(shí)現(xiàn)高壓電源的多重保護(hù)及整機(jī)邏輯連鎖控制。
比較器接收中央控制單元輸出的高壓給定信號『和高壓取樣信號U，進(jìn)行比較運(yùn)算，輸出高壓偏差信號AU =『-U，高壓偏差信號ΔU送入高壓調(diào)節(jié)器的輸入端。高壓調(diào)節(jié)器為比例-積分調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，高壓調(diào)節(jié)器對偏差信號Δ U進(jìn)行比例-積分(PI)運(yùn)算，輸出一控制信號U。送入驅(qū)動(dòng)單元的輸入端；高壓調(diào)節(jié)器同時(shí)接收中央控制單元輸出的故障封鎖信號Uer，一旦Uer有效，高壓調(diào)節(jié)器的輸出將被封鎖。驅(qū)動(dòng)單元用于把直流控制信號Uc轉(zhuǎn)換成占空比與U。成正比的脈沖信號，并把脈沖信號放大隔離后接至三相可調(diào)電抗器Ll直流控制繞組的直流供電電源電路功率開關(guān)管V 的控制極。功率開關(guān)管V和低壓續(xù)流二極管Dl組成Buck電壓調(diào)節(jié)電路。低壓整流橋ZLl和低壓電容C3組成低壓整流濾波電路。Buck電壓調(diào)節(jié)電路和低壓整流濾波電路組成三相可調(diào)電抗器Ll直流控制繞組的直流供電電源電路。三相市電電源經(jīng)低壓整流濾波電路整形濾波后，輸出平直不可控的直流電源。Buck電壓調(diào)節(jié)電路輸出占空比可控的直流脈沖電源。三相市電接入低壓整流橋ZLl的交流輸入端，低壓整流橋ZLl的直流輸出側(cè)并接在低壓電容C3的兩端。經(jīng)過上述低壓整流濾波電路整流濾波后的直流電源的正端接入功率開關(guān)管V的集電極，負(fù)端接入低壓續(xù)流二極管Dl的陽極。低壓續(xù)流二極管Dl的陽極再與三相可調(diào)電抗器Ll直流控制繞組一輸入端相接。功率開關(guān)管V的發(fā)射極與低壓續(xù)流二極管Dl的陰極相接，低壓續(xù)流二極管Dl的陰極再與線性電抗器L2的輸入端相接。線性電抗器L2的輸出端與三相可調(diào)電抗器Ll直流控制繞組另一輸入端相接。低壓續(xù)流二極管Dl 兩端的電壓波形為占空比可控的直流脈沖電壓波，脈沖頻率IOkHz以上，由于線性電抗器 L2和三相可調(diào)電抗器Ll直流控制繞組的濾波作用，三相可調(diào)電抗器Ll直流控制繞組中的電流波為近似平直電流波。上述實(shí)施例中三相可調(diào)電抗器Ll由三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的單相可調(diào)電抗器組成，但本發(fā)明的保護(hù)不限于上述三相可調(diào)電抗器Ll，只要電子束熔煉爐高壓電源裝置采用串聯(lián)可調(diào)電抗器調(diào)壓方式，即屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.電子束熔煉爐高壓電源的控制方法，其特征在于所述電源采用工頻交流輸入一三相可調(diào)電抗器(Li)調(diào)壓一三相升壓變壓器(T)升壓一高壓整流濾波的電流變換方式輸出； 將上述輸出高壓的高壓取樣信號作為負(fù)反饋信號，通過電壓調(diào)節(jié)器去控制三相可調(diào)電抗器 (Li)直流控制繞組的電流，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)壓，使電子束熔煉爐高壓電源輸出電壓值保持穩(wěn)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束熔煉爐高壓電源的控制方法，其特征在于上述自動(dòng)調(diào)壓的具體方法是將高壓給定信號發(fā)生器產(chǎn)生的高壓給定信號與高壓取樣信號比較得到高壓偏差信號，高壓偏差信號送入高壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行比例-積分運(yùn)算后輸出一控制信號，用高壓調(diào)節(jié)器輸出的控制信號送入驅(qū)動(dòng)電路去調(diào)節(jié)三相可調(diào)電抗器(Li)直流控制繞組的直流供電電源回路中功率管的占空比。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束熔煉爐高壓電源的控制方法，其特征在于所述三相可調(diào)電抗器(Li)由3個(gè)結(jié)構(gòu)相同的單相可調(diào)電抗器組成；每個(gè)單相可調(diào)電抗器的鐵心為三柱結(jié)構(gòu)，左右呈對稱結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)的鐵心柱截面面積與上下側(cè)的軛鐵心截面面積相同，但左右兩側(cè)的鐵心柱截面面積及上下兩側(cè)的軛鐵心的截面面積均小于中心的鐵心柱截面面積；單相可調(diào)電抗器的交流繞組繞在中心的鐵心柱上，單相可調(diào)電抗器的直流控制繞組對稱繞在左右兩側(cè)鐵心柱上；3個(gè)單相可調(diào)電抗器的交流繞組分別串接在工頻交流輸入的三相市電與三相升壓變壓器(T)的一次側(cè)繞組中，3個(gè)單相可調(diào)電抗器的直流控制繞組串接后與三相可調(diào)電抗器(Li)直流控制繞組的直流供電電源相接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束熔煉爐高壓電源的控制方法，其特征在于還進(jìn)一步包括有故障保護(hù)控制；即對高壓電源控制過程中的高壓取樣信號進(jìn)行過壓故障判別、對電子束流取樣信號和三相升壓變壓器(T)輸入電流取樣信號分別進(jìn)行過流故障判別，上述任一故障產(chǎn)生，立即封鎖高壓調(diào)節(jié)器的輸出，并通過電子束熔煉爐中央控制單元實(shí)現(xiàn)高壓電源的多重保護(hù)及整機(jī)邏輯連鎖控制。
5.電子束熔煉爐高壓電源裝置，其特征在于主要由三相可調(diào)電抗器(Li)、三相升壓變壓器(T)、兩組高壓整流濾波電路、高壓放電扼流電路、高壓取樣電路、三相可調(diào)電抗器 (Li)直流控制繞組的直流供電電源電路、以及高壓閉環(huán)控制弱電電路組成；三相可調(diào)電抗器(Li)交流繞組的輸入端與輸入的三相市電相接，三相可調(diào)電抗器 (Li)交流繞組的輸出端送入三相升壓變壓器(T) 一次側(cè)繞組；三相可調(diào)電抗器(Li)直流控制繞組與三相可調(diào)電抗器(Li)直流控制繞組的直流供電電源電路相接；三相升壓變壓器(T)有兩組二次側(cè)繞組，分別為三角形接法和星形接法，且兩組二次側(cè)繞組的線電壓相同；三相升壓變壓器(T)的兩組二次側(cè)繞組的輸出分別接入兩組高壓整流濾波電路；每組高壓整流濾波電路由一高壓整流橋(ZL3和ZL4)和一高壓電容(以和以)組成，高壓電容(Cl和以)并接于高壓整流橋(ZL3和ZL4)輸出端上；兩組高壓整流濾波電路的高壓整流橋(ZL3和ZL4)的交流輸入側(cè)分別與三相升壓變壓器(T)的兩組二次側(cè)繞組相接， 兩組高壓整流濾波電路的高壓電容(Cl和C2)串聯(lián)后輸出；高壓整流濾波電路輸出的高壓端經(jīng)由高壓放電扼流電路與電子槍的陰極相接，高壓整流濾波電路輸出的低壓端與大地及電子槍的陽極相接；高壓取樣電路并接于高壓放電扼流電路輸出端與大地之間，高壓取樣電路輸出的高壓取樣信號送入電壓閉環(huán)控制弱電電路的輸入端；高壓閉環(huán)控制弱電電路的輸出端與三相可調(diào)電抗器(Li)直流控制繞組的直流供電電源電路相接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電子束熔煉爐高壓電源裝置，其特征在于高壓閉環(huán)控制弱電電路包括高壓給定信號發(fā)生器、比較器、高壓調(diào)節(jié)器和驅(qū)動(dòng)電路；高壓給定信號發(fā)生器的輸出由中央控制單元數(shù)字設(shè)定后經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換產(chǎn)生，高壓給定信號發(fā)生器的輸出信號作為高壓給定信號送入比較器；比較器同時(shí)接收高壓取樣電路輸出的高壓取樣信號，將高壓給定信號與高壓取樣信號比較得到的高壓偏差信號送入高壓調(diào)節(jié)器；高壓調(diào)節(jié)器為比例-積分調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，將接收的高壓偏差信號進(jìn)行比例-積分運(yùn)算后輸出控制信號至驅(qū)動(dòng)電路去調(diào)節(jié)三相可調(diào)電抗器(Li)直流控制繞組的直流供電電源電路輸出電壓波的占空比。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電子束熔煉爐高壓電源裝置，其特征在于所述三相可調(diào)電抗器(Li)由3個(gè)結(jié)構(gòu)相同的單相可調(diào)電抗器組成；每個(gè)單相可調(diào)電抗器的鐵心為三柱結(jié)構(gòu)，左右呈對稱結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)的鐵心柱截面面積與上下兩側(cè)的軛鐵心截面面積相同，但左右兩側(cè)的鐵心柱截面面積及上下兩側(cè)的軛鐵心的截面面積均小于中心的鐵心柱截面面積； 單相可調(diào)電抗器的交流繞組繞在中心的鐵心柱上，單相可調(diào)電抗器的直流控制繞組對稱繞在左右兩側(cè)鐵心柱上；3個(gè)單相可調(diào)電抗器的交流繞組分別串接在工頻交流輸入的三相市電與三相升壓變壓器(T)的一次側(cè)繞組中，3個(gè)單相可調(diào)電抗器的直流控制繞組串接后與三相可調(diào)電抗器(Li)直流控制繞組的直流供電電源相接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電子束熔煉爐高壓電源裝置，其特征在于3個(gè)單相可調(diào)電抗器的直流控制繞組串接后再與一個(gè)線性電抗器(U)串聯(lián)，最后接到三相可調(diào)電抗器(Li) 直流控制繞組的直流供電電源的輸出端。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電子束熔煉爐高壓電源裝置，其特征在于還進(jìn)一步包括電子束流取樣電阻0 )和電流變送器(TA)；其中電子束流取樣電阻0 )串接在高壓整流濾波電路輸出的低壓端與大地之間，電流變送器(TA)輸入端串接在三相可調(diào)電抗器(Li) 與三相升壓變壓器(T)之間，電子束流取樣電阻(舊)上的電子束流取樣信號、電流變送器 (TA)上的三相升壓變壓器(T)輸入電流取樣信號、以及高壓取樣電路輸出的高壓取樣信號送入高壓閉環(huán)控制弱電電路的中央控制單元內(nèi)的故障封鎖信號發(fā)生器的輸入端，故障封鎖信號發(fā)生器的輸出端與高壓調(diào)節(jié)器相連。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電子束熔煉爐高壓電源裝置，其特征在于所述三相可調(diào)電抗器(Li)直流控制繞組的直流供電電源電路包括Buck電壓調(diào)節(jié)電路和低壓整流濾波電路；其中低壓整流濾波電路包括低壓整流橋(ZLl)和低壓電容(O) ；Buck電壓調(diào)節(jié)電路包括功率開關(guān)管(V)和低壓續(xù)流二極管(Dl)；三相市電接入低壓整流橋(ZLl)的交流輸入端，低壓整流橋(ZLl)的直流輸出側(cè)并接在低壓電容(O)的兩端；經(jīng)過上述低壓整流濾波電路整流濾波后的直流電源的正端接入功率開關(guān)管(V)的集電極，負(fù)端接入低壓續(xù)流二極管(Dl)的陽極；低壓續(xù)流二極管(Dl)的陰極與功率開關(guān)管(V)的發(fā)射極相接；功率開關(guān)管 (V)的基極與高壓閉環(huán)控制弱電電路的輸出端相接；低壓續(xù)流二極管(Dl)的陽極與陰極分別接在三相可調(diào)電抗器(Li)直流控制繞組的兩端上。
全文摘要
本發(fā)明公開一種電子束熔煉爐高壓電源的控制方法及電源裝置，其電源采用工頻交流輸入→三相可調(diào)電抗器調(diào)壓→三相升壓變壓器升壓→高壓整流濾波的電流變換方式輸出；將上述輸出高壓的高壓取樣信號作為負(fù)反饋信號，通過電壓調(diào)節(jié)器去控制三相可調(diào)電抗器直流控制繞組的電流，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)壓，使電子束熔煉爐高壓電源輸出電壓值保持穩(wěn)定。本發(fā)明基于可控電抗器控制，具有效率高、“公害”小、高壓電源放電時(shí)能快速地、有效地抑制放電電流的特點(diǎn)。
文檔編號H05B7/148GK102573163SQ20121001581
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月18日
發(fā)明者何磊, 李震, 王斌, 韋壽祺 申請人:桂林電子科技大學(xué)