直流电弧炉的高性能直流电源实现方法

摘要

本发明直流电弧炉的高性能直流电源实现方法属于电气直流电源及直流电弧炉冶炼技术，目的是研发低谐波、高功率因数、直流电压电流大范围可调的AC／DC变换器，其特征是由一个移相变压器、两个完全相同的晶闸管6脉波变流桥[5]和[6]构成的12脉波变流桥以及一套多电平直流电流控制及合成单元[7]组成的高性能直流电源，采用非对称电流的控制策略，通过多电平直流电流控制及合成单元[7]，按(1)式和(2)式的特定变换规律实施对两个三相变流桥的电流波形进行控制，使变换器三相交流输入电流为正弦波电流，这种新型直流电源具有低谐波、高功率因数、直流侧电压电流大范围连续可调的特点，可用于新建的和改造的直流电弧炉高性能直流电源系统。

说明书

技术领域

本发明属于电气直流电源及直流电弧炉冶炼技术。

背景技术

由于直流电弧炉与交流电弧炉相比，具有电弧稳定性好、闪烁减少、电极 消耗量低、噪声污染程度低、电能消耗低、炉壁耐火材料烧损程度轻、电弧长 度长、电磁搅拌作用好、冶炼时间短、操作简便等优点，以及当时电力电子的 迅猛发展，自上世纪八十年代末开始，在冶金领域兴起了应用直流电弧炉的高 潮，在以后的二十多年里，直流电弧炉得到了大量应用。

直流电弧炉是电炉节能降耗的有效途径，实际应用结果表明，与交流电弧 炉相比，直流电弧炉可获得电极耗降低约50％、电耗降低约5～10％，闪烁减少约 50％和噪音减少约15db的综合效果。虽然直流电弧炉具有公认的优势，但近十 几年的实际应用进程并没有像预期的那么顺利，实际应用结果说明直流电弧炉 还存在某些制约其发展的环节，使其在技术和经济方面还不具备完全超越交流 电弧炉的实力。

从电气系统看，直流电弧炉与交流电弧炉的主要不同之处是增加了一套整 流设备，将电极输入电源由交流变为直流；炉顶石墨电极由三根减少为一根， 炉底增加了一套底电极；相应的控制系统也有所变化。这些不同为直流电弧炉 带来了一系列的优于交流电弧炉的优点，但也突出了电气设备增加所产生的价 格问题，这一点也是制约直流电弧炉应用的因素之一。因此，对直流电弧炉直 流电源的深入研究意义重大，电气系统的创新技术将会大大促进直流电弧炉的 发展，将会产生巨大的经济效益和良好的社会效益。

关于直流电弧炉直流电源，目前多采用6脉波或12脉波晶闸管整流装置， 其特点是电源侧电压波动小、谐波处理简单，在短路容量小的电网内亦无需像 交流电弧炉那样复杂的动态补偿装置便可运行，有利于节约动态补偿设备的投 资；在控制方面，直流电弧炉的弧流由晶闸管的触发角控制，其控制灵敏度很 高，响应时间要比交流电弧炉快得多。采用直流电源后的这些优点在某种程度 上弥补了其初始投资高的弱点，但总体体现的实力还不够明显。主要问题在于：

(1)6脉波或12脉波晶闸管整流装置在直流电弧炉实际运行时仍会产生 较大的谐波、功率因数不高，特别是在冶炼的中后期，由于冶炼负荷的减小， 晶闸管整流系统的功率因数变差，谐波变大，仍需要投入一定数量的无功补偿 装置和滤波装置，仅仅是投入的比交流电弧炉时少，但仍需一笔不小的投资。

(2)目前的6脉波或12脉波晶闸管整流装置可以对直流电流进行较快速的 调节，但对电压的调节能力十分有限，故在电弧炉实际运行中对弧压的调节还 是仅靠调节电极的升降来进行控制，即在冶炼过程的加热功率控制方面，与交 流电弧炉相比优势不大。

(3)目前的6脉波或12脉波晶闸管整流装置不具备潜在的、可为冶炼工艺 提供可挖掘产能的素质，即不具备打破直流电弧炉与交流电弧炉博弈平衡的潜 在能力，这种能力具体体现在能否为冶炼工艺提供冶炼优化的有效控制手段。

综上所述，目前直流电弧炉的直流电源存在谐波大、功率因数较差、直流 输出电压可控性差等性能问题，能否找到一种简单、经济、有效的方法来实现 更为理想的直流电弧炉直流电源?这是直流电弧炉直流电源技术研究所面临的 一个重要课题，到目前为止还未见到创新性的研究结果。

发明内容

本发明研究的对象是用于直流电弧炉的一种高性能直流电源，它实质上是 12脉波晶闸管AC／DC变换器，这样结构的AC／DC变换器其移相变压器绕组结构 简单，出线容易，而且绕组利用率高，适合各种容量的直流电弧炉直流电源应 用的需求。

本发明的目的是深入研究用于直流电弧炉的直流电源变换机理、拓扑结构 及控制技术，在综合现有技术的基础上，研发一种低谐波、高功率因数、直流 电压电流大范围可调的AC／DC变换器。

本发明的要点是在变换器的谐波抑制、高功率因数以及直流电压电流大范 围可调方面取得了突破性的进展。

本发明直流电弧炉的高性能直流电源实现方法的特征是由一个一次侧Y绕 组[2]和二个互差30度的Y和△二次侧绕组[3]和[4]的移相变压器、两个完全 相同的晶闸管6脉波变流桥[5]和[6]构成的12脉波变流桥以及一套多电平直流 电流控制及合成单元[7]组成的高性能直流电源，采用非对称电流的控制策略， 通过多电平直流电流控制及合成单元[7]，按(1)式和(2)式的特定变换规律 实施对两个三相变流桥的电流波形进行控制，使变换器三相交流输入电流为正 弦波的理想变换，这种新型直流电源具有低谐波、高功率因数、直流侧电压电 流大范围连续可调的特点。

$I_{\mathrm{BY}}\left(\mathrm{\omega t}\right)I_{\mathrm{dc}}\{\frac{1}{2}+\underset{k=1}{\overset{\infty }{\Sigma }}\frac{7+4\sqrt{3}}{36{(2k-1)}^2-1}\cos [6(2k-1)\mathrm{\omega t}]+\underset{k=1}{\overset{\infty }{\Sigma }}\frac{1}{144k^2-1}\cos \left(12\mathrm{\omega t}\right)\}---\left(1\right)$

$I_{\mathrm{B\Delta }}\left(\mathrm{\omega t}\right)I_{\mathrm{dc}}\{\frac{1}{2}-\underset{k=1}{\overset{\infty }{\Sigma }}\frac{7+4\sqrt{3}}{36{(2k-1)}^2-1}\cos [6(2k-1)\mathrm{\omega t}]+\underset{k=1}{\overset{\infty }{\Sigma }}\frac{1}{144k^2-1}\cos \left(12\mathrm{\omega t}\right)\}---\left(2\right)$

式中：

I_BY：Y三相变流桥直流电流

I_BΔ：Δ三相变流桥直流电流

I_dc：直流侧电流

k=1，2，…

附图说明

附图1是基于直流电弧炉的高性能直流电源实现方法的拓扑结构图，图1 中1是三相交流进线电源，通常是10kV或35kY电压等级的电源，特殊情况下也 可以是非标准电压的电源；2是12脉波移相变压器一次侧绕组，Y形接法；3是 12脉波移相变压器二次侧Y形绕组；4是12脉波移相变压器二次侧△形绕组， 其相位与Y形绕组相差30°，线电压大小相等；5是Y绕组三相变流桥；6是△ 绕组三相变流桥，两变流桥完全相同，主开关器件均为晶闸管；7是多电平直流 电流控制和合成单元，作用是将Y桥和△桥的直流电流以多电平的方式进行控 制和合成；8是直流电弧炉负载。

附图2是基于直流电弧炉的高性能直流电源实现方法的AC／DC变换器在理 想变换下的波形图，图2中21是三相交流进线电源侧A相I_A电流波形，B相I_B电流波形和C相I_C电流波形与A相IA电流波形类似，区别仅是分别与A相相差 120°和240°；22是按(1)式变换规律控制得到的变流变压器二次侧Y绕组A 相Ia_Y电流波形，B相Ib_Y电流波形和C相I_CY电流波形与A相Ia_Y电流波形类似， 区别仅是分别与A相相差120°和240°；23是按(2)式变换规律控制得到的 变流变压器二次侧△绕组A相Ia_△电流波形，B相Ib_△电流波形和C相I_C△电流 波形与A相Ia_Δ电流波形类似，区别仅是分别与A相相差120°和240°；24是 Y绕组三相变流桥输出直流电流I_BY波形；25是△绕组三相变流桥输出直流电流 I_B△波形；26是直流负载侧电流Id_C波形。

附图3是基于直流电弧炉的高性能直流电源实现方法的AC／DC变换器在采 用等增量台阶形三角波时的波形图，图3中31是三相交流进线电源侧A相I_A电流波形，B相I_B电流波形和C相I_C电流波形与A相I_A电流波形类似，区别仅 是分别与A相相差120°和240°；32是12脉波变流变压器二次侧Y形绕组A 相Ia_Y电流波形，B相Ib_Y电流波形和C相IC_Y电流波形与A相Ia_Y电流波形类似， 区别仅是分别与A相相差120°和240°；33是12脉波变流变压器二次侧△形 绕组A相Ia_△电流波形，B相Ib_△电流波形和C相I_C△电流波形与A相Ia_△电流 波形类似，区别仅是分别与A相相差120°和240°；34是Y绕组三相变流桥输 出直流电流I_BY波形；35是△绕组三相变流桥输出直流电流I_B△波形；36是直流 负载侧电流Id_C波形。

具体实施方式

现有的直流电弧炉的直流电源无论是采用6脉波整流装置还是12脉波整流 装置，对实际的冶炼效果影响不大，两者的无功补偿容量也没有太大区别，区 别主要在于电网侧滤波装置配置的容量不同。由于谐波含量不能满足要求以及 功率因数较低的原因，现有的直流电弧炉供配电系统不得不增加了一级无功补 偿和谐波滤波的配电系统，以及不得不适当加大直流电弧炉整流变压器的容量， 造成了电气系统的庞大繁杂以及投资的增加。改善这种现状的有效办法是研发 低谐波、高功率因数的直流电源装置。

分析现有系统的现状，12脉波整流器由2个完全相同的晶闸管三相变流桥 组成，两个桥以完全相同的整流方式工作，仅是在相位上相差30°，两个三相变 流桥的电流对称的、基本相等的。两个三相变流桥承担对称、大致相等的变换 电流，电流中含有6k±1(k=1，2，…)谐波分量，其中两个三相变流桥6(2k-1) ±1(k=1，2，…)次谐波大小相等，相位相反；6(2k)±1(k=1，2，…)次谐波大 小相等，相位相同。因此，两个三相变流桥的交流输入合成后，6(2k-1)±1 (k=1，2，…)次谐波互相抵消，而两个三相变流桥6(2k)±1(k=1，2，…)次谐 波的和为12脉波整流器交流输入的谐波分量，合成的三相交流输入的总谐波畸 变率THD大于8％，这样的变换质量显然不能满足要求。

为克服现有12脉波整流器的缺点，本发明采用非对称的控制原则，按(1) 式和(2)式的特定变换规律将直流电流分配给两个三相变流桥，并且I_BY(ωt) 和I_BΔ(ωt)与Y三相变流桥、Δ三相变流桥的交流输入电流同步，使两个三相 变流桥合成的交流电流不包含6(2k)±1(k=1，2，…)次谐波，就可以得到12脉 波AC／DC变换器交流输入为正弦波的无谐波电流。

附图2是在这种理想变换下的波形图，图2中[24]是Y绕组三相变流桥输 出电流I_BY波形；[25]是△绕组三相变流桥输出电流I_B△波形；[22]是Y绕组A 相Ia_Y电流波形；[23]是△绕组A相Ia_△电流波形；[21]是三相交流进线电源侧 A相I_A电流波形。

应该指出，实际上述理想变换的电流波形是采用多电平控制与合成技术， 将三角波用等增量台阶形三角波近似来实现的。施加给两个三相变流桥的等增量 台阶形三角波电流波形采用下述原理通过多电平直流电流控制和合成单元[7]来 完成：

(1)将直流电流均等分配到m个支路，每个支路连接到两个可控开关，这两 个开关互补动作，构成互补开关对，分别连接到Y三相变流桥和Δ三相变流桥， m个支路可形成m+1个电平的等增量台阶形三角波。

(2)每隔30°／m切换一个互补开关对，使流入Y三相变流桥的电流增加一个 支路量，同时也使流入Δ三相变流桥的电流减少一个支路量，经过m个30°／m区 间，当所有支路电流都流入Y三相变流桥后，再使流入Y三相变流桥的电流每隔 30°／m减少一个支路量，同时也使流入Δ三相变流桥的电流增加一个支路量，直 到流入Y三相变流桥的电流减少到零，重复以上过程，就可以将直流电流按等增 量台阶形三角波的规律分配给Y三相变流桥和Δ三相变流桥。

用等增量台阶形三角波近似后，[34]是Y绕组三相变流桥的波形，[35]是Δ 绕组三相变流桥的波形，[32]是Y绕组三相变流桥交流侧电流波形，[33]是Δ绕 组三相变流桥交流侧电流波形，[31]是Y绕组三相变流桥和Δ绕组三相变流桥合 成的电流波形，即网侧电流波形，是含有一定谐波的接近正弦波的电流波形， 这是采用本发明控制方法后获得的波形。

采用上述控制原理的基于直流电弧炉的高性能直流电源实现方法的AC／DC 变换器具有下述特性：

高变换质量，三相交流输入电流谐波含量随电平级数m增多而减小，

AC／DC变换器交流输入THD与电平级数m的关系示于表1。

表1.THD与电平级数m的关系表

m 23 4 5 6 7 8 9 THD 7.77％ 5.25％ 3.99％ 3.28％ 2.77％ 2.45％ 2.20％ 2.02％

根据表1，由于用等增量台阶形三角波近似替代三角波，所以其谐波含量 与等增量台阶形三角波的电平级数相关，级数越多，谐波含量越低，当m≥6时， AC／DC变换器的谐波值被限制在＜3％范围内，直流电弧炉供配电系统不必专门设 置滤波装置。

晶闸管全控化，按等增量台阶形三角波电流施加给Y三相变流桥和Δ 三相变流桥，导致了Y三相变流桥和Δ三相变流桥内开关器件的电流按设定的 等增量台阶形三角波电流规律变化。如果构成Y三相变流桥和Δ三相变流桥的 开关器件为晶闸管，施加等增量台阶形三角波电流开始时给晶闸管门极触发信 号，晶闸管开通，在等增量台阶形三角波电流为零期间，晶闸管电流为零被强 迫关断，即晶闸管开通受门极控制，电流为零关断控制由等增量台阶形三角波 电流提供，在这种条件下，晶闸管完成了全控型开关器件的功能。晶闸管的全 控化使触发角移相范围变为-180°～180°，这样很容易的就可实现以往使用全控型 开关器件才能实现的功率因数可超前或滞后连续调节、功率因数为“1”的控制 功能。

高效率，晶闸管在电流为零时关断，在电压为零时开通，实现了软开 关控制方式，无开关损耗，其工作频率为50Hz，开关频率低，因而总效率高。

通过对Y三相变流桥和Δ三相变流桥的等增量台阶形三角波幅值[34] 和[35]的控制，实现了直流侧电压电流大范围可控。

本发明直流电弧炉的高性能直流电源实现方法是采用非对称多电平合成技 术，利用移相变压器作为变流变压器实现的，改善了现有系统的性能：

由于系统实现了低谐波，可以运行在功率因数为“1”的附近，且系统具 有可以动态连续调节无功滞后或超前运行的性能，所以，直流电弧炉供配电系 统不必专门设置动态无功补偿装置和滤波装置，可以减少一级配电系统，可以 减小整流变压器的容量以及减小相关电力电缆的规格。

直流电压电流可以在大范围内调节，这意味着直流电弧炉炼钢工艺又具 备了一个强有力的调节手段，可望在优化冶炼方面获得突破性进展。直流电弧 炉现有技术是通过晶闸管整流装置来调节电弧电流，以获得快速调节，但弧压 的调节是通过电极升降进行的，系统响应比较慢，难以获得冶炼过程功率优化 的效果。本发明为冶炼过程的功率优化提供了可能的发挥空间，新的冶炼过程 可以采取弧流和弧压均通过直流电弧炉的高性能直流电源进行功率优化控制， 电极升降作为辅助性调节，即在弧压偏差比较大的情况时，通过升降电极来调 节合适的弧压工作区间，在一定的弧压工作区间内，通过直流电弧炉的高性能 直流电源进行弧流、弧压快速调节的功率优化控制，结果将会有利于缩短直流 电弧炉的冶炼时间，将会进一步的节能。

直流电弧炉的高性能直流电源可用于新建的直流电弧炉系统、改造的直流 电弧炉系统，所述的改造的直流电弧炉系统包括对现有直流电弧炉的改造和对 将交流电弧炉改为直流电弧炉的改造，是节能增效的良好途径，具有广阔的应 用前景。

直流电弧炉的高性能直流电源实现方法也同样适用于直流精炼炉和各类以 直流电源为供电电源的冶炼炉系统。