CN111952987A - 一种直流电弧炉整流电源装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流电弧炉整流电源装置，属于供电整流电源领域，包括真空断路器、预充电路、多绕组移相变压器、一个及以上整流功率单元和多个隔离开关；三相交流电网通过所述真空断路器、预充电路连接多绕组移相变压器一次侧绕组，所述整流功率单元并联，且所述移相变压器经降压后二次侧绕组分别连接各整流功率单元的输入端，各整流功率单元的正、负极输出端均连接有隔离开关，多组整流功率单元的正极经由隔离开关输出汇流后通过短网连接至直流电弧炉的底阳极，多组整流功率单元的负极经由隔离开关输出汇流后通过短网连接至电弧炉的顶阴极。

Description

一种直流电弧炉整流电源装置及控制方法

技术领域

本发明属于供电整流电源领域，涉及一种直流电弧炉整流电源装置及控制方法。

背景技术

电弧炉是利用电极电弧产生的高温熔炼矿石和金属的装置。

与其他炼钢炉相比，电弧炉工艺灵活性大，能有效地除去硫、磷等杂质，炉温容易控制，设备占地面积小，适于优质合金钢的熔炼。因此目前在国际上，电弧炉炼钢产量的比例正在逐年上升。

电弧炉按供电方式分类可分为交流电弧炉和直流电弧炉两种。相较于交流电弧炉而言，直流电弧炉具有电弧燃烧稳定，电极损耗少，电流和电压波动小、可大幅减少对电网冲击等优点，但是受限于无法获得高可靠性的大功率直流电源，因此极大程度上限制了直流电弧炉的发展。

传统直流电弧炉电源通常采用6脉波或12脉波晶闸管相控整流技术，如图1所示，但是受制于晶闸管本身通态电流临界上升率(di/dt)的承受能力，在电弧炉电源等要求快速响应突变的大电流应用工况下极易造成晶闸管的损坏，另外该拓扑谐波含量大、易造成并网点电压闪烁，因此需额外增加滤波及无功补偿装置，同时为了提高功率因数通常在变压器上设置多个调压抽头，存在造价昂贵、机械部件易损坏、维护成本高等缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种响应速度快、抗冲击能力强、功率因数高、并网点电网稳定的直流电弧炉整流电源装置及其控制方法，解决现有直流电弧炉电源结构复杂、易损坏、劳动生产率低的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一方面，本发明提供一种直流电弧炉整流电源装置，包括真空断路器、预充电路、多绕组移相变压器、一个及以上整流功率单元和多个隔离开关；

三相交流电网通过所述真空断路器、预充电路连接多绕组移相变压器一次侧绕组，所述整流功率单元并联，且所述移相变压器经降压后二次侧绕组分别连接各整流功率单元的输入端，各整流功率单元的正、负极输出端均连接有隔离开关，多组整流功率单元的正极经由隔离开关输出汇流后通过短网连接至直流电弧炉的底阳极，多组整流功率单元的负极经由隔离开关输出汇流后通过短网连接至电弧炉的顶阴极。

进一步，所述整流功率单元包括熔断器、不控整流桥、LC滤波器、H桥、高频变压器及输出平波电抗器；所述不控整流桥输入端通过熔断器连接至交流电网，另一端接LC滤波器；所述LC滤波器输出接H桥直流母线，经H桥逆变为高频脉冲信号后输出给高频变压器，高频变压器整流电路将高压小电流的交流脉冲信号整流为低压大电流的直流信号，然后经平波电抗器输出给直流电弧炉负载。

进一步，整流功率单元部分H桥内的四个电力电子开关器件分别定义为Q1、Q2、Q3、Q4，且器件可以为IGBT、IGCT或IEGT中的一种；所述整流功率单元采用载波移相策略，且为了保证高频变压器伏秒平衡，控制每个整流功率单元内H桥的Q1、Q4同时导通，Q2、Q3同时导通，并满足一个周期T_S内Q1、Q4与Q2、Q3导通的时间相同、相位相差T_S/2，n个整流功率单元并联，整流功率单元之间控制脉冲错开的时间差为T_S/(2n)。

进一步，所述直流电弧炉整流电源装置采用冗余设计，单个整流功率单元故障时系统降额运行，提高装置的整体可用性。

进一步，对系统功率进行提升，包括：

(1)根据直流电弧炉系统的功率等级，合理分配移相变压器的个数及变压器副边绕组的数量，满足功率提升的前提下，易于制造、便于运输；

(2)对整流功率单元的功率进行提升：将各整流功率单元的二极管并联、后级斩波单元并联、IGBT器件并联。

另一方面，本发明提供一种直流电弧炉整流电源装置控制方法，包括以下步骤：

步骤一：将工艺控制器设定的电源装置额定工作电流I_set与从负载侧采集的输出电流I_real做差后输入至下级PI参数模糊控制器；

步骤二：PI参数模糊控制器根据电源装置当前所处的工作状态自适应调节最优PI参数，工作状态包括起弧期、熔化期、氧化期、还原期，调节后的结果经下级动态限幅后输出，以防止装置过流；

步骤三：动态限幅输出结果与各单元移相三角载波相比经载波移相控制器得到依次错开的脉冲信号，经光纤输出至各整流功率单元。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明含有中间储能环节，输出电压的剧烈波动不会对并网点电压造成直接影响，从根本上解决了并网点电压闪络问题，因此可以省去无功补偿装置，减少一次投资；

(2)本发明中移相变压器、不控整流桥、LC滤波器、H桥的耐流值均为单元输出电流的1/k，同等功率下可充分利用二极管及IGBT的耐压参数，降低工作电流，减少系统损耗，削减装置全生命周期成本；

(3)本发明移相变压器采用多绕组设计，通过绕组之间的移相角可实现并网电流低谐波，省去滤波装置并实现全范围功率因数大于0.95，降低电费支出，减少电网罚款；

(4)与晶闸管拓扑相比，基于IGBT的电源开关频率可以高达几kHz到十几kHz，因此控制周期可以做到微秒级别，尤其是在负载短路工况下，电源装置可以立即响应并迅速调节工作电流至安全运行范围内；

(5)本发明多个并联功率单元之间通过载波移相控制策略，可以大幅减小输出电流纹波，省去大型输出平波电抗器，从而提高冶炼效率，延长电极寿命；

(6)本发明整流功率单元采用模块化设计，同时控制系统包含并联均流策略，因此易于实现多机并联，满足直流电弧炉电源大功率的应用需求。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为传统直流电弧炉供电系统；

图2为本发明所述直流电弧炉整流电源装置示意图；

图3为本发明所述一种整流功率单元功率提升方法；

图4为本发明实施例的直流电弧炉整流电源装置示意图；

图5为本发明实施例的直流电弧炉整流电源装置控制策略示意图；

图6为本发明所述两个整流功率单元并联载波移相原理图；

图7为本发明实施例的直流电弧炉整流电源装置输出电流波形。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图2所示，一种直流电弧炉整流电源装置，包括：真空断路器、预充电路、多绕组移相变压器以及若干整流功率单元和隔离开关；

所述真空断路器QF一端连接于三相交流电网，另一端连接至预充电路；

所述多绕组移相变压器一次侧绕组通过真空断路器、预充电路连接至三相交流电网，移相变压器经降压后二次侧绕组分别连接至整流功率单元的输入端；

所述直流电弧炉整流电源装置共有n个整流功率单元，且n≥1，各功率单元通过并联方式连接在移相变压器副边绕组与直流电弧炉负载之间；

所述直流电弧炉整流电源装置每组整流功率单元正、负输出端均连接有隔离开关，n个整流功率单元共配置2n的隔离开关，多组整流功率单元的正极经由隔离开关输出汇流后通过短网连接至直流电弧炉的底阳极，多组整流功率单元的负极经由隔离开关输出汇流后通过短网连接至电弧炉的顶阴极；

所述每个整流功率单元由熔断器、不控整流桥、LC滤波器、H桥、高频变压器及输出平波电抗器组成；

所述整流功率单元不控整流桥输入端通过熔断器连接至交流电网，另一端接LC滤波器；

所述整流功率单元的LC滤波器输出接H桥直流母线，经H桥逆变为高频脉冲信号后输出给后端高频变压器整流；

所述整流功率单元的高频变压器为降压变压器，变比为k。高频变压器整流电路将高压小电流的交流脉冲信号整流为低压大电流的直流信号，然后经平波电抗器输出给直流电弧炉负载。

所述直流电弧炉整流电源装置采用冗余设计，单个整流功率单元故障时系统降额运行，提高装置的整体可用性。

所述整流功率单元采用载波移相策略，且为了保证高频变压器伏秒平衡，控制每个功率单元内Q1、Q4同时导通，Q2、Q3同时导通，并满足一个周期T_S内Q1、Q4与Q2、Q3导通的时间相同、相位相差T_S/2，n个功率单元并联，功率单元之间控制脉冲错开的时间差为T_S/(2n)；

所述直流电弧炉整流电源装置整流功率单元采用载波移相策略后多个单元并联后输出总电流纹波小，可省去大型输出平波电抗器，从而提高冶炼效率，延长电极寿命。

对于所述的直流电弧炉整流电源装置，提供一种易于实现系统功率提升的方法：

(1)根据直流电弧炉系统的功率等级，可以合理分配移相变压器的个数及变压器幅边绕组的数量，满足功率提升的前提下，易于制造、便于运输；

(2)整流功率单元装置功率的提升方法包括但不限于通过采用二极管并联、后级斩波单元并联、IGBT器件并联等，如图3所示；

如图5所示，本发明提供一种直流电弧炉整流电源装置控制策略实现方法，步骤如下：

步骤一：将工艺控制器设定的电源装置额定工作电流Iset与从负载侧采集的输出电流Ireal做差后输入至下级PI参数模糊控制器；

步骤二：PI参数模糊控制器可根据电源装置当前所处的工作状态(起弧期、熔化期、氧化期、还原期等)自适应的调节最优PI参数，调节后的结果经下级动态限幅后输出，以防止装置过流；

步骤三：动态限幅输出结果与各单元移相三角载波相比经载波移相控制器得到依次错开的脉冲信号，经光纤输出至各功率单元。

实施例：

本实施例采用五组功率单元并联的形式以满足系统输出功率的要求，如图4所示。移相变压器同样采用5绕组设计，5个绕组的移相角分别为0°、±12°、±24°，每套功率单元对应连接至移相变压器的一个副边绕组，通过移相变压器错相叠加可在原边得到谐波含量更低的并网电流，并且装置功率因数保持在0.95以上；

本实施案例功率单元采用载波移相策略，因此可以省去大型输出平波电抗器，从而提高冶炼效率，延长电极寿命。以两个整流功率单元并联为例说明载波移相的原理如图6所示；

整流功率单元部分H桥内的四个电力电子开关器件分别定义为Q1、Q2、Q3、Q4，且器件可以为IGBT、IGCT或IEGT中的一种；功率单元1和功率单元2采用并联载波移相调制方式，且为了保证高频变压器伏秒平衡，控制每个功率单元内Q1、Q4同时导通，Q2、Q3同时导通，并满足一个周期T_S内Q1、Q4与Q2、Q3导通的时间相同、相位相差T_S/2，然后，将功率单元2的控制脉冲滞后功率单元1为T_S/4时间差，此时并联功率单元输出电流I1、I2的峰值和谷值在空间上错开，因此叠加后可大幅减小输出电流的脉动。

同理可得，如果直流电弧炉整流电源装置采用n个功率单元并联，则功率单元之间控制脉冲错开的时间差为T_S/(2n)。本实例中采用五单元并联形式，因此时间差为T_S/10，对比同相控制与载波移相控制两种调制方式下总输出电流的叠加效果如图7所示，可以看出采用并联载波移相调制方式总输出电流纹波大大减小，对电极及负载更为有利。

本实施案例中功率单元的高频变压器变比k需根据实际负载电压及开关管耐压能力进行选取，且应在开关管耐压允许情况下尽量提高原边电压，以降低移相变压器、不控整流桥、LC滤波器、H桥等部件的工作电流，减少系统损耗，达到降低装置全生命周期成本的目的。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种直流电弧炉整流电源装置，其特征在于：包括真空断路器、预充电路、多绕组移相变压器、一个及以上整流功率单元和多个隔离开关；

三相交流电网通过所述真空断路器、预充电路连接多绕组移相变压器一次侧绕组，所述整流功率单元并联，且所述移相变压器经降压后二次侧绕组分别连接各整流功率单元的输入端，各整流功率单元的正、负极输出端均连接有隔离开关，多组整流功率单元的正极经由隔离开关输出汇流后通过短网连接至直流电弧炉的底阳极，多组整流功率单元的负极经由隔离开关输出汇流后通过短网连接至电弧炉的顶阴极。

2.根据权利要求1所述的直流电弧炉整流电源装置，其特征在于：所述整流功率单元包括熔断器、不控整流桥、LC滤波器、H桥、高频变压器及输出平波电抗器；所述不控整流桥输入端通过熔断器连接至交流电网，另一端接LC滤波器；所述LC滤波器输出接H桥直流母线，经H桥逆变为高频脉冲信号后输出给高频变压器，高频变压器整流电路将高压小电流的交流脉冲信号整流为低压大电流的直流信号，然后经平波电抗器输出给直流电弧炉负载。

3.根据权利要求2所述的直流电弧炉整流电源装置，其特征在于：所述整流功率单元内H桥的四个电力电子开关分别定义为Q1、Q2、Q3、Q4，且电力电子开关为IGBT、IGCT或IEGT中的一种；所述整流功率单元采用载波移相策略，控制每个整流功率单元内H桥的Q1、Q4同时导通，Q2、Q3同时导通，并满足一个周期T_S内Q1、Q4与Q2、Q3导通的时间相同、相位相差T_S/2，n个整流功率单元并联，整流功率单元之间控制脉冲错开的时间差为T_S/(2n)。

4.根据权利要求3所述的直流电弧炉整流电源装置，其特征在于：所述直流电弧炉整流电源装置采用冗余设计，单个整流功率单元故障时系统降额运行，提高装置的整体可用性。

5.根据权利要求4所述的直流电弧炉整流电源装置，其特征在于：对系统功率进行提升，包括：

(1)根据直流电弧炉系统的功率等级，合理分配移相变压器的个数及变压器副边绕组的数量；

(2)对整流功率单元的功率进行提升：将各整流功率单元的二极管并联、后级斩波单元并联、IGBT器件并联。

6.一种直流电弧炉整流电源装置控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：将工艺控制器设定的电源装置额定工作电流I_set与从负载侧采集的输出电流I_real做差后输入至下级PI参数模糊控制器；

步骤二：PI参数模糊控制器根据电源装置当前所处的工作状态自适应调节最优PI参数，工作状态包括起弧期、熔化期、氧化期、还原期，调节后的结果经下级动态限幅后输出，以防止装置过流；

步骤三：动态限幅输出结果与各单元移相三角载波相比经载波移相控制器得到依次错开的脉冲信号，经光纤输出至各整流功率单元。

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