直流电弧炉新型整流电源的研究

摘 要： 分析了以带中性点的续流二极管和相移控制两项技术为基础，并采取低闪变控制方式的新型整流电源的工作原理及特性。

与交流电弧炉相比，直流电弧炉对电网的干扰和冲击以及给电网造成的闪变要小得多。但是整流器整流输出电压Ud是晶闸管触发角α的函数，为了降低整流输出电压，必须增大α，这会增大交流电压和交流电流之间相移因数φ，因此增加了无功功率损耗，同时也降低了功率因数，为了使无功功率损耗尽可能小，电弧炉变压器要有抽头切换开关。另外，由于电流控制回路作用的结果，电弧波动引起触发角α波动，因而导致无功功率变化，引起电压闪变。为了限制闪变不超标，要求直流电弧炉的短路容量Scc≥50Sf。再者，由于直流电弧炉主电路中有整流装置，必然产生与整流电路有关的特征谐波，使系统产生的谐波（除了较低次如二次、三次谐波之外）仍然较高。

在大型超高功率直流电弧炉和弱电网的情况下，上述各种现象会表现的更加明显，使系统在电网公共供电点所产生的电压波动和闪变常会超过GB/T12326-90《电能质量电压允许波动和闪变》的规定值，仍需配备SVC（动态无功功率补偿装置）和变压器抽头切换开关等，使一次性投资提高。为了彻底解决直流电弧炉对电网的干扰，特别是闪变问题，充分发挥直流电弧炉的优点。九十年代中期，法国CEGELEC公司提出了一种采用带中性点的续流二极管和相移控制两项技术以及特殊控制方式的直流电弧炉用新型整流电源。本文主要是对该整流电源进行了详细剖析，并进一步作了计算机仿真研究。

１ 新型整流电源特性分析

与传统的整流电源相比，新型整流电源的特点是：以带中性点的续流二极管和相移控制两项技术为基础，同时控制电弧电流和电网公共联系点（PCC）处的无功功率。

1.1 带中性点的续流二极管技术

接线结构如图１所示，将一只续流二极管接到每组半桥上，中性点接到整流变压器的中性点上。在这种情况下，晶闸管的导通时间是变化的（对常规的三相全控整流桥，则恒为120°），当触发角α在π/6～５π/6之间，二极管在部分时间导通续流，且随着α的增加，晶闸管的导通时间减少，而二极管的导通时间增加。另外，整流器无逆变工作状态，即无常规整流器当α较大时有把电抗器储存的能量返回电网的过程，这使无功功率的变化大为减少，有利于闪变的减少。P、Q曲线如图２所示，整流器可运行在原点（P=Q=0），这对经常发生短路运行状态的直流电弧炉很有利。

1.2 并联型相移控制技术

采用并联型相移控制，就是在半桥间交*其触发角α1和α２（α１≠α２），接线图如图３所示。由于给这两组整流桥供电的两个带中性点星形连接的次级绕组位于整流变压器的同一铁芯上。这样，由相移控制在整流变压器两个次级绕组中所产生的偶次谐波和直流分量在整流变压器的原边被完全抵消。并联型相移控制情况下，直流输出电压是a1、a2的函数，参数的这种视在多余度不但可以控制直流输出电压，而且还可以控制无功功率。但在单并联型相移控制情况下，不可能达到P=Q=0点。图４表示了此种接线方式下的P、Q曲线。

1.3 新型整流电源

新型整流电源结合了带中性点的续流二极管和相移控制两项技术，同时具有了这两项技术的优点，可达到高度可*性和可用性，降低了谐波和无功功率。新型整流电源的接线结构如图５所示，得到的P、Q曲线如图６所示。

新型整流电源采用低闪变的控制方式，理论上可达到闪变为零。图７中①和②分别为无移位和最大移位控制的两种极端运行状态，原则上整流电源可工作在①和②间的任何点，并由下面关系式决定：

其中，触发角a1和a2起平衡作用。因此给出辅助条件：

触发角α1、α2应满足上述方程式（１），并同时控制无功功率和电弧电流。变量p为电流调节器的输出量与相应前馈量的和；变量ｑ为无功功率调节器的输出量与相应前馈量的和，新型整流电源控制的基本框图如图８所示。控制系统主要由电流调节器、无功功率调节器、前馈环节、功率偶（ｐ、q）环节等构成。控制系统根据系统的给定电流和直流电弧炉实际运行时的电流，整流电源系统对电网的给定（预算）的无功功率和实际运行时的无功功率，以及控制系统的两个前馈补偿环节，综合这四方面的因素，解耦p、q的关系式（１），适时发出数字脉冲以控制晶闸管的导通，也即调节晶闸管的上下桥臂的触发角α1、α2，来控制整流装置的输出，从而使输出的负载电流始终稳定于给定电流，使整个整流电源系统的无功功率稳定于给定（预算）无功功率。假设电网波动或炉内工况变化引起输出的负载电流增大（减小）时，则电流负