電弧爐時(shí)變電阻模型參數(shù)仿真分析

田 鵬 賈文超 魏洪友

1，裝甲兵技術(shù)學(xué)院 130117

2，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 130021

電弧爐時(shí)變電阻模型參數(shù)仿真分析

田 鵬1賈文超2魏洪友1

1，裝甲兵技術(shù)學(xué)院 130117

2，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 130021

本文采用電弧爐時(shí)域模型中的交流電弧電阻模型，應(yīng)用MATLAB仿真得出電弧電阻隨時(shí)間的變化曲線，并針對(duì)電弧電阻模型的參數(shù)選擇進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)論與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較，誤差較小，為電弧爐諧波治理提供了依據(jù)。

電弧爐；電弧電阻模型；MATLAB；仿真

煉鋼電弧爐是電力系統(tǒng)中各類波動(dòng)性負(fù)荷中對(duì)電能質(zhì)量影響比較嚴(yán)重的負(fù)荷。從電氣特性來講，電弧爐是一種劇烈變動(dòng)的非線性負(fù)載，在工作過程中會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生波形畸變、電壓閃變和波動(dòng)、功率因數(shù)低及三相不平衡等多種不利影響。同時(shí)，電弧爐還是重要的諧波源，它產(chǎn)生的諧波電流隨時(shí)間的變化呈非平穩(wěn)隨機(jī)過程。

解決電弧爐諧波問題的關(guān)鍵是建立電弧爐電阻模型。交流電弧電阻模型是在電弧徑不變、弧柱溫度均勻分布和準(zhǔn)中性等三個(gè)假設(shè)條件下，從電弧的內(nèi)部機(jī)理出發(fā)，根據(jù)電弧物理，熱等離子體的若干理論，推導(dǎo)出的交流電弧的等效數(shù)學(xué)模型。在電弧等效電阻表達(dá)式中，各個(gè)參數(shù)都有明確的物理意義，通過反映電弧的物理特性，得到了較為準(zhǔn)確的電弧爐仿真結(jié)果，為電弧爐諧波治理提供了依據(jù)。

一、交流電弧電阻模型及仿真

1、交流電弧電阻模型

根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]中的模型公式

式中： T0-弧柱最低溫度，在7000K到8000K之間變化

T1-弧柱最高溫度

a=3.323×104

D-弧柱受熱慣性的影響值

ω-外加正弦電壓的角頻率

θ-電弧電流滯后電源初相的角度

T-電弧電流周期，T=0.02s

N-把T分成N等份近似計(jì)算，一般N=60

2、交流電弧電阻模型參數(shù)的估算

要想準(zhǔn)確確定電弧爐各種工作狀態(tài)下電弧模型中的各個(gè)參數(shù)，需要大量的測(cè)試數(shù)據(jù)，包括電弧爐在各種工作狀態(tài)下弧柱溫度的變化曲線，電弧電壓、電流的波形，弧長(zhǎng)做隨機(jī)變化時(shí)其分布函數(shù)的特性等等。本文依據(jù)吉林鐵合金廠16500KVA硅錳電爐的測(cè)量結(jié)果，估算得到電弧模型的參數(shù)值如下：

二、交流電弧電阻的仿真分析

參數(shù)中C0可近似認(rèn)定為常量。對(duì)電弧電阻的影響不大；對(duì)電弧電阻起到影響的主要是cos(2ωt+D+θ)中的三個(gè)參數(shù)D、ω和θ，D的取值在之間，而θ的取值在之間，而ω得取值為50Hz的整數(shù)倍。這里我們主要針對(duì)這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行研究，用M A T L A B仿真分析其對(duì)電弧電阻的影響。

1、D和θ對(duì)起弧電阻影響的仿真分析

圖1 不同θ值對(duì)應(yīng)的電弧電阻波形

圖2 不同D值對(duì)應(yīng)的電弧電阻波形

通過以上仿真可以看出，D值和θ值對(duì)電弧電阻的影響效果是相同的。當(dāng)f=50Hz，，時(shí)，電弧爐起弧時(shí)的電阻最低，最容易起弧，起弧過程也就會(huì)相對(duì)的平穩(wěn)；而當(dāng)f=50Hz，，時(shí)，電弧爐起弧時(shí)的電阻最高，起弧比較困難，對(duì)電弧爐及其補(bǔ)償裝置的沖擊損害最大。因此，針對(duì)不同的電弧爐系統(tǒng)，應(yīng)通過計(jì)算選取最佳的D值和θ值，以期達(dá)到最理想的工作狀態(tài)，從而延長(zhǎng)電弧爐的使用壽命。

2、ω對(duì)電弧電阻影響的仿真分析

圖3 不同頻率對(duì)應(yīng)的電弧阻抗圖

與頻率f=50Hz的時(shí)變電阻波形比較可以看出，電弧爐的電弧阻抗在頻率為基波頻率2～7倍的高次諧波影響下變化較大；而對(duì)于8～13倍的高次諧波，電弧阻抗相對(duì)變化就非常小了；高于13倍的諧波也對(duì)電弧阻抗造成一定的影響。所以在補(bǔ)償和濾波時(shí)，應(yīng)主要針對(duì)電弧電流為基波頻率2～7倍及13倍以上的高次諧波為宜。

三、結(jié)語

本文所做的工作只是為電弧爐諧波治理提供了一個(gè)依據(jù)。由于不同的電弧爐系統(tǒng)之間差別較大，估算得到的參數(shù)也不盡相同，所以每研究一個(gè)電弧爐系統(tǒng)的諧波問題重新對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行估算，確認(rèn)其可行性后再采用。

[1]劉小河，程少庚，蘇文成.電弧爐電氣系統(tǒng)分析研究.電工技術(shù)學(xué)報(bào).1994，（2）

[2]郭繼紅，顏湘武.用于諧波分析研究的電弧爐系統(tǒng)的模型和仿真.繼電器. 2005，33（8）

[3]鄧霏，周有慶.電弧爐諧波電流抑制及其綜合治理.電工技術(shù)學(xué)報(bào).2005，（4）

[4]張玉成，杜明哲.中頻電爐諧波分析與抑制.華中電力.2006，1（19）