直流电弧炉的高性能直流电源实现方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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：
[0006] (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。
[0007] (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。
[0008] (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。
[0009] 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】
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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A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。
【主权项】
1. 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A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。
式中： IBY :Y三相变流桥直流电流 IBA: △三相变流桥直流电流 Id。：直流侧电流 k=l,2,…
2. 按照权利要求1所述的多电平直流电流控制及合成单元[7]具有下述功能： (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△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A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△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A三相变流桥。
3. 按照权利要求1所述的基于直流电弧炉的高性能直流电源实现方法具有下述特性： >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
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m3 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△三相变流桥， 导致了Y三相变流桥和△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△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△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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】H02M1-12, H02M1-42, H02M7-155
【公开号】CN104578834
【申请号】CN201310479818
【发明人】高毅夫, 陈琳琳, 刘昆
【申请人】高毅夫
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2013年10月15日