直流電弧爐的高性能直流電源實現(xiàn)方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)直流電弧爐的高性能直流電源實現(xiàn)方法屬于電氣直流電源及直流電弧爐冶煉技術(shù)，目的是研發(fā)低諧波、高功率因數(shù)、直流電壓電流大范圍可調(diào)的AC／DC變換器，其特征是由一個移相變壓器、兩個完全相同的晶閘管6脈波變流橋[5]和[6]構(gòu)成的12脈波變流橋以及一套多電平直流電流控制及合成單元[7]組成的高性能直流電源，采用非對稱電流的控制策略，通過多電平直流電流控制及合成單元[7]，按(1)式和(2)式的特定變換規(guī)律實施對兩個三相變流橋的電流波形進(jìn)行控制，使變換器三相交流輸入電流為正弦波電流，這種新型直流電源具有低諧波、高功率因數(shù)、直流側(cè)電壓電流大范圍連續(xù)可調(diào)的特點，可用于新建的和改造的直流電弧爐高性能直流電源系統(tǒng)。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
直流電弧爐的高性能直流電源實現(xiàn)方法
本專利技術(shù)屬于電氣直流電源及直流電弧爐冶煉技術(shù)。
技術(shù)介紹
由于直流電弧爐與交流電弧爐相比，具有電弧穩(wěn)定性好、閃爍減少、電極消耗量低、噪聲污染程度低、電能消耗低、爐壁耐火材料燒損程度輕、電弧長度長、電磁攪拌作用好、冶煉時間短、操作簡便等優(yōu)點，以及當(dāng)時電力電子的迅猛發(fā)展，自上世紀(jì)八十年代末開始，在冶金領(lǐng)域興起了應(yīng)用直流電弧爐的高潮，在以后的二十多年里，直流電弧爐得到了大量應(yīng)用。直流電弧爐是電爐節(jié)能降耗的有效途徑，實際應(yīng)用結(jié)果表明，與交流電弧爐相比，直流電弧爐可獲得電極耗降低約50％、電耗降低約5～10％，閃爍減少約50％和噪音減少約15db的綜合效果。雖然直流電弧爐具有公認(rèn)的優(yōu)勢，但近十幾年的實際應(yīng)用進(jìn)程并沒有像預(yù)期的那么順利，實際應(yīng)用結(jié)果說明直流電弧爐還存在某些制約其發(fā)展的環(huán)節(jié)，使其在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面還不具備完全超越交流電弧爐的實力。從電氣系統(tǒng)看，直流電弧爐與交流電弧爐的主要不同之處是增加了一套整流設(shè)備，將電極輸入電源由交流變?yōu)橹绷鳎粻t頂石墨電極由三根減少為一根，爐底增加了一套底電極；相應(yīng)的控制系統(tǒng)也有所變化。這些不同為直流電弧爐帶來了一系列的優(yōu)于交流電弧爐的優(yōu)點，但也突出了電氣設(shè)備增加所產(chǎn)生的價格問題，這一點也是制約直流電弧爐應(yīng)用的因素之一。因此，對直流電弧爐直流電源的深入研究意義重大，電氣系統(tǒng)的創(chuàng)新技術(shù)將會大大促進(jìn)直流電弧爐的發(fā)展，將會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會效益。關(guān)于直流電弧爐直流電源，目前多采用6脈波或12脈波晶閘管整流裝置，其特點是電源側(cè)電壓波動小、諧波處理簡單，在短路容量小的電網(wǎng)內(nèi)亦無需像交流電弧爐那樣復(fù)雜的動態(tài)補(bǔ)償裝置便可運行，有利于節(jié)約動態(tài)補(bǔ)償設(shè)備的投資；在控制方面，直流電弧爐的弧流由晶閘管的觸發(fā)角控制，其控制靈敏度很高，響應(yīng)時間要比交流電弧爐快得多。采用直流電源后的這些優(yōu)點在某種程度上彌補(bǔ)了其初始投資高的弱點，但總體體現(xiàn)的實力還不夠明顯。主要問題在于：(1)6脈波或12脈波晶閘管整流裝置在直流電弧爐實際運行時仍會產(chǎn)生較大的諧波、功率因數(shù)不高，特別是在冶煉的中后期，由于冶煉負(fù)荷的減小，晶閘管整流系統(tǒng)的功率因數(shù)變差，諧波變大，仍需要投入一定數(shù)量的無功補(bǔ)償裝置和濾波裝置，僅僅是投入的比交流電弧爐時少，但仍需一筆不小的投資。(2)目前的6脈波或12脈波晶閘管整流裝置可以對直流電流進(jìn)行較快速的調(diào)節(jié)，但對電壓的調(diào)節(jié)能力十分有限，故在電弧爐實際運行中對弧壓的調(diào)節(jié)還是僅靠調(diào)節(jié)電極的升降來進(jìn)行控制，即在冶煉過程的加熱功率控制方面，與交流電弧爐相比優(yōu)勢不大。(3)目前的6脈波或12脈波晶閘管整流裝置不具備潛在的、可為冶煉工藝提供可挖掘產(chǎn)能的素質(zhì)，即不具備打破直流電弧爐與交流電弧爐博弈平衡的潛在能力，這種能力具體體現(xiàn)在能否為冶煉工藝提供冶煉優(yōu)化的有效控制手段。綜上所述，目前直流電弧爐的直流電源存在諧波大、功率因數(shù)較差、直流輸出電壓可控性差等性能問題，能否找到一種簡單、經(jīng)濟(jì)、有效的方法來實現(xiàn)更為理想的直流電弧爐直流電源?這是直流電弧爐直流電源技術(shù)研究所面臨的一個重要課題，到目前為止還未見到創(chuàng)新性的研究結(jié)果。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)研究的對象是用于直流電弧爐的一種高性能直流電源，它實質(zhì)上是12脈波晶閘管AC／DC變換器，這樣結(jié)構(gòu)的AC／DC變換器其移相變壓器繞組結(jié)構(gòu)簡單，出線容易，而且繞組利用率高，適合各種容量的直流電弧爐直流電源應(yīng)用的需求。本專利技術(shù)的目的是深入研究用于直流電弧爐的直流電源變換機(jī)理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制技術(shù)，在綜合現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)一種低諧波、高功率因數(shù)、直流電壓電流大范圍可調(diào)的AC／DC變換器。本專利技術(shù)的要點是在變換器的諧波抑制、高功率因數(shù)以及直流電壓電流大范圍可調(diào)方面取得了突破性的進(jìn)展。本專利技術(shù)直流電弧爐的高性能直流電源實現(xiàn)方法的特征是由一個一次側(cè)Y繞組[2]和二個互差30度的Y和△二次側(cè)繞組[3]和[4]的移相變壓器、兩個完全相同的晶閘管6脈波變流橋[5]和[6]構(gòu)成的12脈波變流橋以及一套多電平直流電流控制及合成單元[7]組成的高性能直流電源，采用非對稱電流的控制策略，通過多電平直流電流控制及合成單元[7]，按(1)式和(2)式的特定變換規(guī)律實施對兩個三相變流橋的電流波形進(jìn)行控制，使變換器三相交流輸入電流為正弦波的理想變換，這種新型直流電源具有低諧波、高功率因數(shù)、直流側(cè)電壓電流大范圍連續(xù)可調(diào)的特點。式中：IBY：Y三相變流橋直流電流IBΔ：Δ三相變流橋直流電流Idc：直流側(cè)電流k=1，2，…附圖說明附圖1是基于直流電弧爐的高性能直流電源實現(xiàn)方法的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，圖1中1是三相交流進(jìn)線電源，通常是10kV或35kY電壓等級的電源，特殊情況下也可以是非標(biāo)準(zhǔn)電壓的電源；2是12脈波移相變壓器一次側(cè)繞組，Y形接法；3是12脈波移相變壓器二次側(cè)Y形繞組；4是12脈波移相變壓器二次側(cè)△形繞組，其相位與Y形繞組相差30°，線電壓大小相等；5是Y繞組三相變流橋；6是△繞組三相變流橋，兩變流橋完全相同，主開關(guān)器件均為晶閘管；7是多電平直流電流控制和合成單元，作用是將Y橋和△橋的直流電流以多電平的方式進(jìn)行控制和合成；8是直流電弧爐負(fù)載。附圖2是基于直流電弧爐的高性能直流電源實現(xiàn)方法的AC／DC變換器在理想變換下的波形圖，圖2中21是三相交流進(jìn)線電源側(cè)A相IA電流波形，B相IB電流波形和C相IC電流波形與A相IA電流波形類似，區(qū)別僅是分別與A相相差120°和240°；22是按(1)式變換規(guī)律控制得到的變流變壓器二次側(cè)Y繞組A相IaY電流波形，B相IbY電流波形和C相ICY電流波形與A相IaY電流波形類似，區(qū)別僅是分別與A相相差120°和240°；23是按(2)式變換規(guī)律控制得到的變流變壓器二次側(cè)△繞組A相Ia△電流波形，B相Ib△電流波形和C相IC△電流波形與A相IaΔ電流波形類似，區(qū)別僅是分別與A相相差120°和240°；24是Y繞組三相變流橋輸出直流電流IBY波形；25是△繞組三相變流橋輸出直流電流IB△波形；26是直流負(fù)載側(cè)電流IdC波形。附圖3是基于直流電弧爐的高性能直流電源實現(xiàn)方法的AC／DC變換器在采用等增量臺階形三角波時的波形圖，圖3中31是三相交流進(jìn)線電源側(cè)A相IA電流波形，B相IB電流波形和C相IC電流波形與A相IA電流波形類似，區(qū)別僅是分別與A相相差120°和240°；32是12脈波變流變壓器二次側(cè)Y形繞組A相IaY電流波形，B相IbY電流波形和C相ICY電流波形與A相IaY電流波形類似，區(qū)別僅是分別與A相相差120°和240°；33是12脈波變流變壓器二次側(cè)△形繞組A相Ia△電流波形，B相Ib△電流波形和C相IC△電流波形與A相Ia△電流波形類似，區(qū)別僅是分別與A相相差120°和240°；34是Y繞組三相變流橋輸出直流電流IBY波形；35是△繞組三相變流橋輸出直流電流IB△波形；36是直流負(fù)載側(cè)電流IdC波形。具體實施方式現(xiàn)有的直流電弧爐的直流電源無論是采用6脈波整流裝置還是12脈波整流裝置，對實際的冶煉效果影響不大，兩者的無功補(bǔ)償容量也沒有太大區(qū)別，區(qū)別主要在于電網(wǎng)側(cè)濾波裝置配置的容量不同。由于諧波含量不能滿足要求以及功率因數(shù)較低的原因，現(xiàn)有的直流電弧爐供配電系統(tǒng)不得不增加了一級無功補(bǔ)償和諧波濾波的配電系統(tǒng)，以及不得不適當(dāng)加大直流電弧爐整流變壓器的容量本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
本專利技術(shù)直流電弧爐的高性能直流電源實現(xiàn)方法的特征是由一個一次側(cè)Y繞組[2]和二個互差30度的Y和△二次側(cè)繞組[3]和[4]的移相變壓器、兩個完全相同的晶閘管6脈波變流橋[5]和[6]構(gòu)成的12脈波變流橋以及一套多電平直流電流控制及合成單元[7]組成的高性能直流電源，采用非對稱電流的控制策略，通過多電平直流電流控制及合成單元[7]，按(1)式和(2)式的特定變換規(guī)律實施對兩個三相變流橋的電流波形進(jìn)行控制，使變換器三相交流輸入電流為正弦波的理想變換，這種新型直流電源具有低諧波、高功率因數(shù)、直流側(cè)電壓電流大范圍連續(xù)可調(diào)的特點。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三相變流橋直流電流IBΔ：Δ三相變流橋直流電流Idc：直流側(cè)電流k=1，2，…...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種直流電弧爐的高性能直流電源實現(xiàn)方法，其特征是由一個一次側(cè)Y繞組(2)和二個互差30度的Y二次側(cè)繞組(3)和Δ二次側(cè)繞組(4)的移相變壓器、兩個完全相同的晶閘管6脈波Y繞組三相變流橋(5)和Δ繞組三相變流橋(6)構(gòu)成的12脈波變流橋以及一套多電平直流電流控制及合成單元(7)組成的高性能直流電源，采用非對稱電流的控制策略，通過多電平直流電流...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：高毅夫，陳琳琳，劉昆，
申請(專利權(quán))人：高毅夫，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11