直流電弧爐的高性能直流電源實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電氣直流電源及直流電弧爐冶煉技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于直流電弧爐與交流電弧爐相比，具有電弧穩(wěn)定性好、閃爍減少、電極消耗量 低、噪聲污染程度低、電能消耗低、爐壁耐火材料燒損程度輕、電弧長度長、電磁攪拌作用 好、冶煉時(shí)間短、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，以及當(dāng)時(shí)電力電子的迅猛發(fā)展，自上世紀(jì)八十年代末開 始，在冶金領(lǐng)域興起了應(yīng)用直流電弧爐的高潮，在以后的二十多年里，直流電弧爐得到了大 量應(yīng)用。
[0003] 直流電弧爐是電爐節(jié)能降耗的有效途徑，實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，與交流電弧爐相比， 直流電弧爐可獲得電極耗降低約50%、電耗降低約5?10%，閃爍減少約50%和噪音減少 約15db的綜合效果。雖然直流電弧爐具有公認(rèn)的優(yōu)勢(shì)，但近十幾年的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)程并沒有 像預(yù)期的那么順利，實(shí)際應(yīng)用結(jié)果說明直流電弧爐還存在某些制約其發(fā)展的環(huán)節(jié)，使其在 技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面還不具備完全超越交流電弧爐的實(shí)力。
[0004] 從電氣系統(tǒng)看，直流電弧爐與交流電弧爐的主要不同之處是增加了一套整流設(shè) 備，將電極輸入電源由交流變?yōu)橹绷?；爐頂石墨電極由三根減少為一根，爐底增加了一套底 電極；相應(yīng)的控制系統(tǒng)也有所變化。這些不同為直流電弧爐帶來了一系列的優(yōu)于交流電弧 爐的優(yōu)點(diǎn)，但也突出了電氣設(shè)備增加所產(chǎn)生的價(jià)格問題，這一點(diǎn)也是制約直流電弧爐應(yīng)用 的因素之一。因此，對(duì)直流電弧爐直流電源的深入研究意義重大，電氣系統(tǒng)的創(chuàng)新技術(shù)將會(huì) 大大促進(jìn)直流電弧爐的發(fā)展，將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。
[0005] 關(guān)于直流電弧爐直流電源，目前多采用6脈波或12脈波晶閘管整流裝置，其特點(diǎn) 是電源側(cè)電壓波動(dòng)小、諧波處理簡單，在短路容量小的電網(wǎng)內(nèi)亦無需像交流電弧爐那樣復(fù) 雜的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置便可運(yùn)行，有利于節(jié)約動(dòng)態(tài)補(bǔ)償設(shè)備的投資；在控制方面，直流電弧爐的 弧流由晶閘管的觸發(fā)角控制，其控制靈敏度很高，響應(yīng)時(shí)間要比交流電弧爐快得多。采用直 流電源后的這些優(yōu)點(diǎn)在某種程度上彌補(bǔ)了其初始投資高的弱點(diǎn)，但總體體現(xiàn)的實(shí)力還不夠 明顯。主要問題在于：
[0006] (1) 6脈波或12脈波晶閘管整流裝置在直流電弧爐實(shí)際運(yùn)行時(shí)仍會(huì)產(chǎn)生較大的諧 波、功率因數(shù)不高，特別是在冶煉的中后期，由于冶煉負(fù)荷的減小，晶閘管整流系統(tǒng)的功率 因數(shù)變差，諧波變大，仍需要投入一定數(shù)量的無功補(bǔ)償裝置和濾波裝置，僅僅是投入的比交 流電弧爐時(shí)少，但仍需一筆不小的投資。
[0007] (2)目前的6脈波或12脈波晶閘管整流裝置可以對(duì)直流電流進(jìn)行較快速的調(diào)節(jié)， 但對(duì)電壓的調(diào)節(jié)能力十分有限，故在電弧爐實(shí)際運(yùn)行中對(duì)弧壓的調(diào)節(jié)還是僅靠調(diào)節(jié)電極的 升降來進(jìn)行控制，即在冶煉過程的加熱功率控制方面，與交流電弧爐相比優(yōu)勢(shì)不大。
[0008] (3)目前的6脈波或12脈波晶閘管整流裝置不具備潛在的、可為冶煉工藝提供可 挖掘產(chǎn)能的素質(zhì)，即不具備打破直流電弧爐與交流電弧爐博弈平衡的潛在能力，這種能力 具體體現(xiàn)在能否為冶煉工藝提供冶煉優(yōu)化的有效控制手段。
[0009] 綜上所述，目前直流電弧爐的直流電源存在諧波大、功率因數(shù)較差、直流輸出電壓 可控性差等性能問題，能否找到一種簡單、經(jīng)濟(jì)、有效的方法來實(shí)現(xiàn)更為理想的直流電弧爐 直流電源？這是直流電弧爐直流電源技術(shù)研究所面臨的一個(gè)重要課題，到目前為止還未見 到創(chuàng)新性的研究結(jié)果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明研究的對(duì)象是用于直流電弧爐的一種高性能直流電源，它實(shí)質(zhì)上是12脈 波晶閘管AC/DC變換器，這樣結(jié)構(gòu)的AC/DC變換器其移相變壓器繞組結(jié)構(gòu)簡單，出線容 易，而且繞組利用率高，適合各種容量的直流電弧爐直流電源應(yīng)用的需求。
[0011] 本發(fā)明的目的是深入研究用于直流電弧爐的直流電源變換機(jī)理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制 技術(shù)，在綜合現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)一種低諧波、高功率因數(shù)、直流電壓電流大范圍可調(diào) 的AC/DC變換器。
[0012] 本發(fā)明的要點(diǎn)是在變換器的諧波抑制、高功率因數(shù)以及直流電壓電流大范圍可調(diào) 方面取得了突破性的進(jìn)展。
[0013] 本發(fā)明直流電弧爐的高性能直流電源實(shí)現(xiàn)方法的特征是由一個(gè)一次側(cè)Y繞組[2] 和二個(gè)互差30度的Y和A二次側(cè)繞組[3]和[4]的移相變壓器、兩個(gè)完全相同的晶閘管6 脈波變流橋[5]和[6]構(gòu)成的12脈波變流橋以及一套多電平直流電流控制及合成單元[7] 組成的高性能直流電源，采用非對(duì)稱電流的控制策略，通過多電平直流電流控制及合成單 元[7]，按（1)式和（2)式的特定變換規(guī)律實(shí)施對(duì)兩個(gè)三相變流橋的電流波形進(jìn)行控制，使 變換器三相交流輸入電流為正弦波的理想變換，這種新型直流電源具有低諧波、高功率因 數(shù)、直流側(cè)電壓電流大范圍連續(xù)可調(diào)的特點(diǎn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 本發(fā)明直流電弧爐的高性能直流電源實(shí)現(xiàn)方法的特征是由一個(gè)一次側(cè)Y繞組[2]和 二個(gè)互差30度的Y和A二次側(cè)繞組[3]和[4]的移相變壓器、兩個(gè)完全相同的晶閘管6脈 波變流橋[5]和[6]構(gòu)成的12脈波變流橋以及一套多電平直流電流控制及合成單元[7]組 成的高性能直流電源，采用非對(duì)稱電流的控制策略，通過多電平直流電流控制及合成單元 [7]，按（1)式和（2)式的特定變換規(guī)律實(shí)施對(duì)兩個(gè)三相變流橋的電流波形進(jìn)行控制，使變 換器三相交流輸入電流為正弦波的理想變換，這種新型直流電源具有低諧波、高功率因數(shù)、 直流側(cè)電壓電流大范圍連續(xù)可調(diào)的特點(diǎn)。
式中： IBY :Y三相變流橋直流電流 IBA: △三相變流橋直流電流 Id。：直流側(cè)電流 k=l,2,…
2. 按照權(quán)利要求1所述的多電平直流電流控制及合成單元[7]具有下述功能： (1) 將直流電流均等分配到m個(gè)支路，每個(gè)支路連接到兩個(gè)可控開關(guān)，這兩個(gè)開關(guān)互補(bǔ) 動(dòng)作，構(gòu)成互補(bǔ)開關(guān)對(duì)，分別連接到Y(jié)三相變流橋和△三相變流橋，m個(gè)支路可形成m+1個(gè) 電平的等增量臺(tái)階形三角波； (2) 每隔30° /m切換一個(gè)互補(bǔ)開關(guān)對(duì)，使流入Y三相變流橋的電流增加一個(gè)支路量， 同時(shí)也使流入A三相變流橋的電流減少一個(gè)支路量，經(jīng)過m個(gè)30° /m區(qū)間，當(dāng)所有支路 電流都流入Y三相變流橋后，再使流入Y三相變流橋的電流每隔30° /m減少一個(gè)支路量， 同時(shí)也使流入△三相變流橋的電流增加一個(gè)支路量，直到流入Y三相變流橋的電流減少到 零，重復(fù)以上過程，就可以將直流電流按等增量臺(tái)階形三角波的規(guī)律分配給Y三相變流橋 和A三相變流橋。
3. 按照權(quán)利要求1所述的基于直流電弧爐的高性能直流電源實(shí)現(xiàn)方法具有下述特性： >高變換質(zhì)量，三相交流輸入電流諧波含量隨電平級(jí)數(shù)m增多而減小，AC/DC變換器 交流輸入THD與電平級(jí)數(shù)m的關(guān)系示于表1 ; 表1.THD與電平級(jí)數(shù)m的關(guān)系表
根據(jù)表1，由于用等增量臺(tái)階形三角波近似替代三角波，所以其諧波含量與等增量臺(tái)階 形三角波的電平級(jí)數(shù)相關(guān)，級(jí)數(shù)越多，諧波含量越低，當(dāng)m3 6時(shí)，AC/DC變換器的諧波值 被限制在< 3%范圍內(nèi)，直流電弧爐供配電系統(tǒng)不必專門設(shè)置濾波裝置； >晶閘管全控化，按等增量臺(tái)階形三角波電流施加給Y三相變流橋和△三相變流橋， 導(dǎo)致了Y三相變流橋和△三相變流橋內(nèi)開關(guān)器件的電流按設(shè)定的等增量臺(tái)階形三角波電 流規(guī)律變化，如果構(gòu)成Y三相變流橋和△三相變流橋的開關(guān)器件為晶閘管，施加等增量臺(tái) 階形三角波電流開始時(shí)給晶閘管門極觸發(fā)信號(hào)，晶閘管開通，在等增量臺(tái)階形三角波電流 為零期間，晶閘管電流為零被強(qiáng)迫關(guān)斷，即晶閘管開通受門極控制，電流為零關(guān)斷控制由等 增量臺(tái)階形三角波電流提供，在這種條件下，晶閘管完成了全控型開關(guān)器件的功能，晶閘管 的全控化使觸發(fā)角移相范圍變?yōu)?180°?180°，這樣很容易的就可實(shí)現(xiàn)以往使用全控型 開關(guān)器件才能實(shí)現(xiàn)的功率因數(shù)可超前或滯后連續(xù)調(diào)節(jié)、功率因數(shù)為"1"的控制功能； >高效率，晶閘管在電流為零時(shí)關(guān)斷，在電壓為零時(shí)開通，實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)控制方式，無 開關(guān)損耗，其工作頻率為50Hz，開關(guān)頻率低，因而總效率高； >通過對(duì)Y三相變流橋和△三相變流橋的等增量臺(tái)階形三角波幅值[34]和[35]的 控制，實(shí)現(xiàn)了直流側(cè)電壓電流大范圍可控。
【專利摘要】本發(fā)明直流電弧爐的高性能直流電源實(shí)現(xiàn)方法屬于電氣直流電源及直流電弧爐冶煉技術(shù)，目的是研發(fā)低諧波、高功率因數(shù)、直流電壓電流大范圍可調(diào)的AC／DC變換器，其特征是由一個(gè)移相變壓器、兩個(gè)完全相同的晶閘管6脈波變流橋[5]和[6]構(gòu)成的12脈波變流橋以及一套多電平直流電流控制及合成單元[7]組成的高性能直流電源，采用非對(duì)稱電流的控制策略，通過多電平直流電流控制及合成單元[7]，按(1)式和(2)式的特定變換規(guī)律實(shí)施對(duì)兩個(gè)三相變流橋的電流波形進(jìn)行控制，使變換器三相交流輸入電流為正弦波電流，這種新型直流電源具有低諧波、高功率因數(shù)、直流側(cè)電壓電流大范圍連續(xù)可調(diào)的特點(diǎn)，可用于新建的和改造的直流電弧爐高性能直流電源系統(tǒng)。
【IPC分類】H02M1-12, H02M1-42, H02M7-155
【公開號(hào)】CN104578834
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310479818
【發(fā)明人】高毅夫, 陳琳琳, 劉昆
【申請(qǐng)人】高毅夫
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2013年10月15日