直流电弧炉的高性能直流电源实现方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
直流电弧炉的高性能直流电源实现方法
本专利技术属于电气直流电源及直流电弧炉冶炼技术。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。式中：IBY：Y三相变流桥直流电流IBΔ：Δ三相变流桥直流电流Idc：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IA电流波形，B相IB电流波形和C相IC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IaY电流波形，B相IbY电流波形和C相ICY电流波形与A相IaY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IC△电流波形与A相IaΔ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IBY波形；25是△绕组三相变流桥输出直流电流IB△波形；26是直流负载侧电流IdC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IA电流波形，B相IB电流波形和C相IC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°；32是12脉波变流变压器二次侧Y形绕组A相IaY电流波形，B相IbY电流波形和C相ICY电流波形与A相IaY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IC△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IBY波形；35是△绕组三相变流桥输出直流电流IB△波形；36是直流负载侧电流IdC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本文档来自技高网...

【技术保护点】
本专利技术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。IBY(ωt)Idc{12+Σk=1∞7+4336(2k-1)2-1cos[6(2k-1)ωt]+Σk=1∞1144k2-1cos(12ωt)}---(1)]]>IBΔ(ωt)Idc{12-Σk=1∞7+4336(2k-1)2-1cos[6(2k-1)ωt]+Σk=1∞1144k2-1cos(12ωt)}---(2)]]>式中：IBY：Y三相变流桥直流电流IBΔ：Δ三相变流桥直流电流Idc：直流侧电流k=1，2，…...

【技术特征摘要】
1.一种直流电弧炉的高性能直流电源实现方法，其特征是由一个一次侧Y绕组(2)和二个互差30度的Y二次侧绕组(3)和Δ二次侧绕组(4)的移相变压器、两个完全相同的晶闸管6脉波Y绕组三相变流桥(5)和Δ绕组三相变流桥(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...

【专利技术属性】
技术研发人员：高毅夫，陈琳琳，刘昆，
申请(专利权)人：高毅夫，
类型：发明
国别省市：北京;11