一种交流电弧炉柔性供电设备的制作方法

本发明涉及供电领域，尤其涉及一种交流电弧炉柔性供电设备。

背景技术：

交流电弧炉主要用于废钢的冶炼，其供电系统如图1所示，电网的电力通过串联电抗器101、电炉变压器102后降为冶炼所需的低电压(例如，35kv/1.5kv)，降压后的电流经短网103(水冷电缆及其附件等)进入三相电极100，在电弧炉105内产生电弧电流，用于冶炼金属。冶炼过程中，通过电极位置的调节和电炉变压器的分档调压，来控制冶炼过程中电弧电流的稳定和提高冶炼的效率。

目前国内交流电弧炉炼钢供电技术还处于跟随国外技术的阶段，国内同行开展了大量的电弧炉仿真工作，对电弧炉冶炼过程中阻抗特性的变化进行了深入研究，为电极控制和电弧炉变压器调压提供了一些控制思路，但是在电弧炉供电系统方面还未见提出新的方法和装备。

国外电炉公司在现有电弧炉技术的基础上，对电炉供电系统和负载特性进行深入研究后，针对供电系统提出了如下两种改进方案，改进方案一：在串联电抗器lp两端并联可控硅调压装置，来控制串联电抗器的饱和度，从而调节电弧电流波形过零点的波形来提高电弧工作稳定性；改进方案二：在电弧炉变压器低压侧增加一套可控硅调压装置，通过可控硅触发角的调节，从而调节电弧电流波形过零点的波形来提高电弧工作稳定性。

上述电弧炉供电系统的改进方案主要是围绕提高电弧电流在冶炼过程中的稳定性和高效的有功功率传递为主要目标开展工作，但是，电弧炉对电网来说，是一种非线性负荷，在冶炼过程中，电弧炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，所以电弧炉的燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生无功和谐波电流，经变压器注入电网，污染电网。

现有电弧炉供电系统只能配置无功补偿设备104解决电网无功和谐波电流的染污问题，但是无功补偿设备价格昂贵，损耗高，导致电弧炉供电系统的维护和运行成本高。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种交流电弧炉柔性供电设备，采用交直交柔性供电模式，解决谐波电流注入电网造成谐波污染的问题，使电网侧不再需要配置无功补偿设备，进而降低了电弧炉供电系统的成本。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种交流电弧炉柔性供电设备，包括：电网、柔性供电装置及短网。

柔性供电装置连接电网，用于将电网的交流进行降压及交流-直流-交流变换，变换后的交流电经短网后进入电弧炉的三相电极，在电弧炉内产生电弧电流。

一实施例中，柔性供电装置包括：整流变压器和中压变频电源。

整流变压器的原边连接电网，副边连接中压变频电源的输入端，用于将电网的交流电进行降压后输送至中压变频电源的输入端。

中压变频电源的输出端连接短网，用于将经整流变压器降压处理后的交流电进行交流-直流-交流变换后输至短网。

一实施例中，中压变频电源包括多个并联支路，形成低电压、大电流的输出拓扑。

每个并联支路的输入端分别连接对应的整流变压器的副边，输出端均连接短网；每个并联支路均包括：整流器、逆变器。

整流器输入端连接对应的整流变压器的副边，用于将整流变压器降压后的交流电变换为直流电。

逆变器的输入端连接整流器的输出端，其输出端连接短网，用于将整流后的直流电变换为频率和幅值可调的交流电。

一实施例中，整流器由二极管三相全控桥构成；逆变器由电容器以及多个电力电子功率器件构成。

一实施例中，柔性供电装置包括：高压变频电源和降压变压器。

高压变频电源输入端连接电网，输出端连接降压变压器的输入端，用于将电网的交流电进行交流-直流-交流变换后输送至降压变压器的输入端。

降压变压器的输出端连接短网，用于将经高压变频电源处理后的交流电降压后输至短网。

一实施例中，高压变频电源包括移相整流变压器及三相功率单元。

移相整流变压器的输入端连接电网，输出端连接三相功率单元，用于将电网电源进行变换后，输至三相功率单元的输入端。

三相功率单元的公共端连接，构成电源中点，形成高电压、低电流的输出拓扑。

每相功率单元均包括多个串联模块。

每个串联模块均包括：整流器、逆变器。

整流器的输入端连接移相变压器的一副边，用于将移相整流变压器变换后的交流电变换为直流电。

逆变器的输入端连接整流器的输出端，用于将整流后的直流电变换为频率和幅值可调的交流电。

一实施例中，整流器由二极管三相全控桥构成；逆变器由多个电力电子功率器件构成。

本发明提供一种交流电弧炉柔性供电设备，采用交直交柔性供电装置，将电网交流电经交流-直流-交流变化，输出可调压和调频的交流电，给电弧炉供电。

其中，实现交直交柔性供电的主要方案是采用整流器、逆变器配合，利用整流器转换得到的直流电对逆变器的电容器进行充放电。因为引入了直流环节，电容器能隔离负载和电网，使得负载侧产生的无功和谐波电流不会传输至电网，解决了无功和谐波电流注入电网，造成电网污染的问题，使电网侧不再需要配置无功补偿和滤波设备，进而降低了电弧炉供电系统的成本，并且降低了电弧炉供电系统对电网的短路容量要求，便于交流电弧炉在用户端的大面积推广。

另外，电弧炉的负载处于不断变化之中，现有供电系统仅能通过调节电极位置和电炉变压器档位控制电弧电流，其调控方式单一并且因为电极是液压控制型，其响应速度慢，不能适应负载不断变化的环境。而本发明通过逆变器实现电弧电流的调节，提供了一种新的电弧电流调控方式，因为逆变器的响应速度较快，使电弧电流的调节速度快，更能适应负载不断变化的环境，电弧电流的稳定性高、电能传递效率高、系统损耗低，有效缩短了冶炼周期。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有交流电弧炉供电系统的示意图；

图2为本发明交流电弧炉柔性供电设备的一种实施例的示意图；

图3为本发明交流电弧炉柔性供电设备的一种中压供电方案的示意图；

图4为图3所示中压柔性供电方案中的中压变频电源的并联支路的电路图；

图5为本发明交流电弧炉柔性供电设备的一种高压柔性供电方案的示意图；

图6为本发明交流电弧炉柔性供电设备中的高压柔性供电设备的电路图；

图7为图6所示高压柔性供电设备中串联模块的电路图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

电弧炉是利用电极电弧产生的高温熔炼矿石和金属的电炉，对电网来说，电弧炉是一种非线性负荷，在冶炼过程中，电弧炉引起三相负荷不平衡，产生无功和谐波电流，为防止无功和谐波电流注入电网造成电网污染，现有技术只能配置无功补偿设备解决该问题，但是无功补偿设备价格昂贵，导致电弧炉供电系统的成本高。本发明实施例提供的交流电弧炉柔性供电设备，采用交直交柔性供电装置，将电网交流电经交流-直流-交流变化，输出可调压和调频的交流电，通过在供电侧引入直流环节，利用电容器隔离负载和电网，使无功和谐波电流不会传输至电网中，解决无功和谐波电流注入电网造成电网污染的问题，使电网侧不再需要配置无功补偿设备。

图2为本发明交流电弧炉柔性供电设备的一种实施例的示意图。如图2所示，该交流电弧炉柔性供电设备包括：电网、柔性供电装置1及短网103。

柔性供电装置1连接电网，用于将电网的交流进行降压及交流-直流-交流变换，变换后的交流电经短网103后进入电弧炉105的三相电极100，在电弧炉105内产生电弧电流。

其中，短网包括：水冷电缆及其附件等。

另外，柔性供电装置可采用如中压柔性供电方案和高压柔性供电方案的至少两种供电方案，该中压柔性供电方案采用先降压再进行交流-直流-交流变换的工作方式，该高压柔性供电方案采用先进行交流-直流-交流变换再降压的工作方式。

上述实施例中，通过柔性供电装置对电网的交流进行降压及交流-直流-交流变换，输出可调压和调频的交流电，给电弧炉供电，使得在电弧炉供电侧引入了直流环节，隔离负载和电网，使得负载产生的无功和谐波电流不会传输至电网中，防止无功和谐波电流注入电网造成电网污染，使电网侧不再需要配置无功补偿设备，进而降低了电弧炉供电系统的成本，并且降低了电弧炉供电系统对电网的短路容量要求，便于交流电弧炉在用户端的大面积推广。

图3为本发明交流电弧炉柔性供电设备的一种中压供电方案的示意图。如图3所示，该交流电弧炉柔性供电设备包括：电网、柔性供电装置及短网103。

柔性供电装置包括：整流变压器2和中压变频电源3。

整流变压器2的原边连接电网，副边连接中压变频电源3的输入端，用于将电网的交流电进行降压后输送至中压变频电源3的输入端。

中压变频电源3的输出端连接短网103，用于将经整流变压器2降压处理后的交流电进行交流-直流-交流变换后输至短网103。

可选地，整流变压器的个数根据供电需求选取，整流变压器的原副边匝数比值根据供电需求以及整流变压器个数确定。

在一个优选的实施例中，整流变压器的个数为2，每个整流变压器的副边输出两路交流电。

其中，通过在中压变频电源之前设置整流变压器，将电力网的三相正弦交流电压变换为所需要的交流整流电源的电压和相数，供给中压变频电源，减少中压变频电源造成的波形畸变对电网的污染，进一步减少供电设备对电网电能质量的影响。

由于交流电弧炉105供电容量较大，电力电子器件单体容量受限，所以该中压变频电源3优选包括多个并联支路，形成低电压、大电流的输出拓扑，有效保护了电力电子器件，延长电力电子器件的使用寿命。

其中，并联支路的个数根据电网电压和供电需求进行选择，在一个可行的实施例中，并联支路的个数可为4。

可选地，每个并联支路的输入端分别连接对应的整流变压器2的副边，输出端均连接短网103；每个并联支路均包括：整流器301、逆变器303。

其中，整流器301输入端连接对应的整流变压器2的副边，用于将整流变压器2降压后的交流电变换为直流电。

逆变器303的输入端连接整流器301的输出端，逆变器303的输出端连接短网103，用于将整流器301整流后的直流电变换为频率和幅值可调的交流电(0.5～1.5kv)，通过短网供给三相电极，产生电弧电流。

其中，逆变器303包含有电容器，该电容器连接整流器301的输出端，用于对整流器301输出的直流电进行滤波，得到稳定的直流电。

其中，逆变器按照控制要求输出pwm电压波形，有效驱动电弧炉。

该实施例中，利用整流器转换得到的直流电对逆变器的电容器进行充放电，因为引入了直流环节，电容器能隔离负载和电网，使得无功和谐波电流不会传输至电网中。

另外，电弧炉的负载处于不断变化之中，现有供电系统仅能通过调节电极位置和电炉变压器档位控制电弧电流，其调控方式单一并且因为电极是液压控制型，其响应速度慢，不能适应负载不断变化的环境。

而本发明实施例通过逆变器实现电弧电流的调节，提供了一种新的电弧电流调控方式，因为逆变器的响应速度较快，使电弧电流的调节速度快，更能适应负载不断变化的环境，电弧电流的稳定性高、电能传递效率高、系统损耗低，有效缩短了冶炼周期。

图4为图3所示中压柔性供电方案中的中压变频电源的并联支路的电路图。如图4所示，整流器301由二极管三相全控桥构成，当然，整流器301也可以选用其他形式的整流器；逆变器303由电容器和多个电力电子功率器件构成，其中，该电力电子功率器件包括igbt、igct、iegt等。

在一个优选的实施例中，逆变器303可采用三相全桥pwm逆变器。

图5为本发明交流电弧炉柔性供电设备的一种高压柔性供电方案的示意图。如图5所示，该交流电弧炉柔性供电设备包括：电网、柔性供电装置及短网103。

该柔性供电装置包括：高压变频电源4和降压变压器5。

高压变频电源4输入端连接电网，输出端连接降压变压器5的输入端，用于将电网的交流电进行交流-直流-交流变换后输送至降压变压器5的输入端。

降压变压器5的输出端连接短网103，用于将经高压变频电源4处理后的交流电进行降压，得到中压工作电源(0.5～1.5kv)，输至短网103，进而供给至三相电极100，产生电弧电流。

其中，高压变频电源输出可调频率和幅值的高电压(如35kv)，经降压变压器降压至1.5kv。

由于交流电弧炉105供电容量较大，电力电子器件单体容量受限，所以该高压变频电源4优选包括多个串联支路，形成高电压、低电流的输出拓扑，如图6所示。

因为该实施例的高压柔性供电方案采用先进行交流-直流-交流变换再进行降压的方式，所以施加在高压变频电源的电压等级较高，所以需要采用多个串联支路进行分压，减少每个串联支路承受的电压，进而有效保护电力电子器件不被高压烧毁，延长了电力电子器件的使用寿命。

其中，高压变频电源4包括移相整流变压器401及三相功率单元。

移相整流变压器401的输入端连接电网，输出端连接三相功率单元，用于将电网电源进行变换后，输至三相功率单元的输入端。

三相功率单元的公共端连接，构成电源中点n，形成高电压、低电流的输出拓扑。

每相功率单元均包括多个串联模块402。

每个串联模块402均包括：整流器4021、逆变器4023。

整流器4021的输入端连接移相变压器401的一副边，用于将移相整流变压器401变换后的交流电变换为直流电。

逆变器4023的输入端连接整流器4021的输出端，用于将整流后的直流电变换为频率和幅值可调的交流电。

其中，逆变器4023包含电容器，该电容器连接整流器4021的输出端，用于对整流器4021输出的直流电进行滤波。

其中，串联支路的个数根据电网电压和供电需求进行选择，在一个可行的实施例中，并联支路的个数可为2。

另外，移相整流变压器通过对二次绕组的不同接法(诸如延边三角接法等)，使二次电压和一次电压出现设计的相位差，实现移相。

该实施例中，通过在高压变频电源之前设置整流变压器，将电力网的三相正弦交流电压变换为所需要的交流整流电源的电压和相数，供给高压变频电源，减少了高压变频电源造成的波形畸变对电网的污染，进一步减少了供电设备对电网电能质量的影响。

逆变器按照控制要求输出阶梯电压波形，有效驱动电弧炉。

另外，通过利用整流器转换得到的直流电对逆变器的电容器进行充放电，因为引入了直流环节，电容器能隔离负载和电网，使得无功和谐波电流不会传输至电网中。

另外，电弧炉的负载处于不断变化之中，现有供电系统仅能通过调节电极位置和电炉变压器档位控制电弧电流，其调控方式单一并且因为电极是液压控制型，其响应速度慢，不能适应负载不断变化的环境。

而本发明实施例通过逆变器实现电弧电流的调节，提供了一种新的电弧电流调控方式，因为逆变器的响应速度较快，使电弧电流的调节速度快，更能适应负载不断变化的环境，电弧电流的稳定性高、电能传递效率高、系统损耗低，有效缩短了冶炼周期。

图7为图6所示高压柔性供电设备中串联模块的电路图。如图7所示，整流器4021由二极管三相全控桥构成，当然，整流器4021也可以选用其他形式的整流器；逆变器4023由电容器和多个电力电子功率器件构成，其中，该电力电子功率器件包括igbt、igct、iegt等。

在一个优选的实施例中，逆变器4023可采用h桥级联型逆变器。

综上所述，本发明的交流电弧炉柔性供电设备通过采用中压交直交柔性供电方式或高压交直交柔性供电方式，将电网交流电经交流-直流-交流变化，输出可调压和调频的交流电，给电弧炉供电。其中，利用整流器转换得到的直流电对电容器进行充放电，引入直流环节，电容器隔离负载和电网，使得无功和谐波电流不会传输至电网中，解决无功和谐波电流注入电网造成电网污染的问题，使电网侧不再需要配置无功补偿设备。

另外，通过逆变器输出频率和幅值可调的交流电，使电弧电流调节速度快，更能适应负载不断变化的环境，电弧电流的稳定性高、电能传递效率高、系统损耗低，有效缩短了冶炼周期。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。