直流電弧爐新型整流電源的研究

摘 要： 分析了以帶中性點(diǎn)的續(xù)流二極管和相移控制兩項(xiàng)技術(shù)為基礎(chǔ)，并采取低閃變控制方式的新型整流電源的工作原理及特性。

與交流電弧爐相比，直流電弧爐對(duì)電網(wǎng)的干擾和沖擊以及給電網(wǎng)造成的閃變要小得多。但是整流器整流輸出電壓Ud是晶閘管觸發(fā)角α的函數(shù)，為了降低整流輸出電壓，必須增大α，這會(huì)增大交流電壓和交流電流之間相移因數(shù)φ，因此增加了無(wú)功功率損耗，同時(shí)也降低了功率因數(shù)，為了使無(wú)功功率損耗盡可能小，電弧爐變壓器要有抽頭切換開關(guān)。另外，由于電流控制回路作用的結(jié)果，電弧波動(dòng)引起觸發(fā)角α波動(dòng)，因而導(dǎo)致無(wú)功功率變化，引起電壓閃變。為了限制閃變不超標(biāo)，要求直流電弧爐的短路容量Scc≥50Sf。再者，由于直流電弧爐主電路中有整流裝置，必然產(chǎn)生與整流電路有關(guān)的特征諧波，使系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波（除了較低次如二次、三次諧波之外）仍然較高。

在大型超高功率直流電弧爐和弱電網(wǎng)的情況下，上述各種現(xiàn)象會(huì)表現(xiàn)的更加明顯，使系統(tǒng)在電網(wǎng)公共供電點(diǎn)所產(chǎn)生的電壓波動(dòng)和閃變常會(huì)超過GB/T12326-90《電能質(zhì)量電壓允許波動(dòng)和閃變》的規(guī)定值，仍需配備SVC（動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置）和變壓器抽頭切換開關(guān)等，使一次性投資提高。為了徹底解決直流電弧爐對(duì)電網(wǎng)的干擾，特別是閃變問題，充分發(fā)揮直流電弧爐的優(yōu)點(diǎn)。九十年代中期，法國(guó)CEGELEC公司提出了一種采用帶中性點(diǎn)的續(xù)流二極管和相移控制兩項(xiàng)技術(shù)以及特殊控制方式的直流電弧爐用新型整流電源。本文主要是對(duì)該整流電源進(jìn)行了詳細(xì)剖析，并進(jìn)一步作了計(jì)算機(jī)仿真研究。

１ 新型整流電源特性分析

與傳統(tǒng)的整流電源相比，新型整流電源的特點(diǎn)是：以帶中性點(diǎn)的續(xù)流二極管和相移控制兩項(xiàng)技術(shù)為基礎(chǔ)，同時(shí)控制電弧電流和電網(wǎng)公共聯(lián)系點(diǎn)（PCC）處的無(wú)功功率。

1.1 帶中性點(diǎn)的續(xù)流二極管技術(shù)

接線結(jié)構(gòu)如圖１所示，將一只續(xù)流二極管接到每組半橋上，中性點(diǎn)接到整流變壓器的中性點(diǎn)上。在這種情況下，晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間是變化的（對(duì)常規(guī)的三相全控整流橋，則恒為120°），當(dāng)觸發(fā)角α在π/6～５π/6之間，二極管在部分時(shí)間導(dǎo)通續(xù)流，且隨著α的增加，晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間減少，而二極管的導(dǎo)通時(shí)間增加。另外，整流器無(wú)逆變工作狀態(tài)，即無(wú)常規(guī)整流器當(dāng)α較大時(shí)有把電抗器儲(chǔ)存的能量返回電網(wǎng)的過程，這使無(wú)功功率的變化大為減少，有利于閃變的減少。P、Q曲線如圖２所示，整流器可運(yùn)行在原點(diǎn)（P=Q=0），這對(duì)經(jīng)常發(fā)生短路運(yùn)行狀態(tài)的直流電弧爐很有利。

1.2 并聯(lián)型相移控制技術(shù)

采用并聯(lián)型相移控制，就是在半橋間交*其觸發(fā)角α1和α２（α１≠α２），接線圖如圖３所示。由于給這兩組整流橋供電的兩個(gè)帶中性點(diǎn)星形連接的次級(jí)繞組位于整流變壓器的同一鐵芯上。這樣，由相移控制在整流變壓器兩個(gè)次級(jí)繞組中所產(chǎn)生的偶次諧波和直流分量在整流變壓器的原邊被完全抵消。并聯(lián)型相移控制情況下，直流輸出電壓是a1、a2的函數(shù)，參數(shù)的這種視在多余度不但可以控制直流輸出電壓，而且還可以控制無(wú)功功率。但在單并聯(lián)型相移控制情況下，不可能達(dá)到P=Q=0點(diǎn)。圖４表示了此種接線方式下的P、Q曲線。

1.3 新型整流電源

新型整流電源結(jié)合了帶中性點(diǎn)的續(xù)流二極管和相移控制兩項(xiàng)技術(shù)，同時(shí)具有了這兩項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可達(dá)到高度可*性和可用性，降低了諧波和無(wú)功功率。新型整流電源的接線結(jié)構(gòu)如圖５所示，得到的P、Q曲線如圖６所示。

新型整流電源采用低閃變的控制方式，理論上可達(dá)到閃變?yōu)榱?。圖７中①和②分別為無(wú)移位和最大移位控制的兩種極端運(yùn)行狀態(tài)，原則上整流電源可工作在①和②間的任何點(diǎn)，并由下面關(guān)系式?jīng)Q定：

其中，觸發(fā)角a1和a2起平衡作用。因此給出輔助條件：

觸發(fā)角α1、α2應(yīng)滿足上述方程式（１），并同時(shí)控制無(wú)功功率和電弧電流。變量p為電流調(diào)節(jié)器的輸出量與相應(yīng)前饋量的和；變量ｑ為無(wú)功功率調(diào)節(jié)器的輸出量與相應(yīng)前饋量的和，新型整流電源控制的基本框圖如圖８所示?？刂葡到y(tǒng)主要由電流調(diào)節(jié)器、無(wú)功功率調(diào)節(jié)器、前饋環(huán)節(jié)、功率偶（ｐ、q）環(huán)節(jié)等構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)的給定電流和直流電弧爐實(shí)際運(yùn)行時(shí)的電流，整流電源系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的給定（預(yù)算）的無(wú)功功率和實(shí)際運(yùn)行時(shí)的無(wú)功功率，以及控制系統(tǒng)的兩個(gè)前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，綜合這四方面的因素，解耦p、q的關(guān)系式（１），適時(shí)發(fā)出數(shù)字脈沖以控制晶閘管的導(dǎo)通，也即調(diào)節(jié)晶閘管的上下橋臂的觸發(fā)角α1、α2，來(lái)控制整流裝置的輸出，從而使輸出的負(fù)載電流始終穩(wěn)定于給定電流，使整個(gè)整流電源系統(tǒng)的無(wú)功功率穩(wěn)定于給定（預(yù)算）無(wú)功功率。假設(shè)電網(wǎng)波動(dòng)或爐內(nèi)工況變化引起輸出的負(fù)載電流增大（減小）時(shí)，則電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)及該環(huán)節(jié)通道中的前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)綜合使控制信號(hào)減少（增大），從而控制觸發(fā)角α1、α2的增大（減少），使整流裝置輸出電壓降低（升高），控制輸出的負(fù)載電流減少（增大），直至穩(wěn)定于給定電流。新型整流電源系統(tǒng)無(wú)功功率負(fù)反饋環(huán)節(jié)及其環(huán)節(jié)通道中的前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)也同樣，通過控制觸發(fā)角α1、α2的大小，使無(wú)

功功率穩(wěn)定于給定（預(yù)算）的無(wú)功功率。新型整流電源系統(tǒng)能做到通過調(diào)節(jié)觸發(fā)角α1和α2，同時(shí)獨(dú)立調(diào)節(jié)電弧電流和無(wú)功功率。

整流電源系統(tǒng)還設(shè)置了短路封鎖環(huán)節(jié)。在直流電弧爐的運(yùn)行中，塌料是熔化期頻繁發(fā)生的正常工況，這種工況對(duì)整流裝置來(lái)說就是直流側(cè)短路。若只有恒流控制環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)就會(huì)出現(xiàn)深控狀態(tài)下的過電流輸出，若持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，就有可能損壞整流裝置。因此，有必要設(shè)置短路封鎖環(huán)?？刂葡到y(tǒng)判斷采樣輸入的弧流和弧壓信號(hào)，根據(jù)整流裝置的輸出特性和元器件特性，以及短路運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，再結(jié)合電極位置調(diào)節(jié)器和爐子本身的情況，選定弧流、弧壓及動(dòng)作延時(shí)和信號(hào)保持時(shí)間的設(shè)定值，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀況調(diào)整設(shè)定值（仿真過程中，設(shè)定弧壓40V，弧流150kA，延時(shí)20ms）。當(dāng)弧流大于設(shè)定值，同時(shí)弧壓小于設(shè)定值時(shí)，該環(huán)即判斷運(yùn)行處于短路狀態(tài)，并延時(shí)一定時(shí)間。若短路狀態(tài)在延時(shí)設(shè)定值內(nèi)消除，則該環(huán)不動(dòng)作，并解除短路識(shí)別信號(hào)，恢復(fù)原態(tài)；反之，若短路狀態(tài)持續(xù)時(shí)間大于延時(shí)設(shè)定值，則該環(huán)發(fā)出一脈沖封鎖信號(hào)，將觸發(fā)角α1、α2增至150°，同時(shí)給電極調(diào)節(jié)器一個(gè)信號(hào)，全速提升電級(jí)，保持一定時(shí)間后（該時(shí)間足以使電極脫離短路狀態(tài)），觸發(fā)脈沖自動(dòng)前移至引弧時(shí)的相位。