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直流電弧爐新型整流電源研究

作者: 時(shí)間:2012-03-05 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

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的工作原理及特性。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/177803.htm

與交流電弧爐相比,弧爐對電網(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,因此增加了無功功率損耗,同時(shí)也降低了功率因數(shù),為了使無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)致無功功率變化,引起電壓閃變。為了限制閃變不超標(biāo),要求弧爐的短路容量Scc≥50Sf。再者,由于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整流。本文主要是對該整流進(jìn)行了詳細(xì)剖析,并進(jìn)一步作了計(jì)算機(jī)仿真。

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,整流器無逆變工作狀態(tài),即無常規(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)對電網(wǎng)的給定(預(yù)算)的無功功率和實(shí)際運(yùn)行時(shí)的無功功率,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)的無功功率穩(wěn)定于給定(預(yù)算)無功功率。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

功功率穩(wěn)定于給定(預(yù)算)的無功功率。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,這種工況對整流裝置來說就是直流側(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,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,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。


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