大容量礦熱爐直流電源設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵問題

(西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，西安 710065)

0 引 言

礦熱爐是鐵合金行業(yè)冶煉硅鐵、鎳鐵、洛鐵、電石的必備設(shè)備，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國有各種礦熱爐3萬多臺。長期以來，國內(nèi)礦熱爐大多采用交流供電方式，導(dǎo)致功率因數(shù)低、電網(wǎng)三相很難控制平衡、效率低、運(yùn)行成本高等問題一直無法解決。相比之下直流電源擁有更大的優(yōu)勢，如：直流電源可消除電抗壓降、集膚效應(yīng)、電極間干擾效應(yīng)等問題，并且運(yùn)行損耗低、電效率高。因此目前大容量礦熱爐電源正朝著直流供電方向發(fā)展。文中探討了大容量礦熱爐直流電源設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵性問題，包括主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選用，均流系數(shù)優(yōu)化，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與功率因數(shù)提高等探索性問題。

1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選用

大電流輸出需要使用并聯(lián)器件以達(dá)到運(yùn)行要求。隨著并聯(lián)器件數(shù)量的增加，出現(xiàn)的是均流系數(shù)低的問題。因此，選用適當(dāng)?shù)闹麟娐吠負(fù)浣Y(jié)構(gòu)以擴(kuò)大系統(tǒng)輸出電流，達(dá)到減少并聯(lián)器件數(shù)，優(yōu)化均流系數(shù)，防止器件損壞的目的顯得尤為重要。

可控整流電路的最基本單元為三相橋式和雙反星形整流電路。單從輸出電流的大小考慮，在并聯(lián)相同數(shù)量及容量的電力電子器件前提下，雙反星形整流電路的輸出電流是三相橋式整流電路的2倍。但在同樣輸出電壓電流情況下，三相橋式整流電路的整流變壓器裝機(jī)容量要低于雙反星形21%，同時(shí)整流器件所承受的反向電壓為雙反星形的一半，變壓器繞組利用率比雙反星形高一倍。因此，綜合考慮，若輸出電壓較高，三相橋式整流電路擁有較大優(yōu)勢。由于礦熱爐電源運(yùn)行時(shí)電流達(dá)40～150 kA，為了滿足輸出電流需求，同時(shí)降低電磁干擾，可用三相橋式同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)與雙反星形同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)與前兩種結(jié)構(gòu)相比，擴(kuò)大了2倍輸出電流并降低了電磁干擾。然而這種結(jié)構(gòu)很難滿足大容量礦熱爐電源超過100 kA的輸出電流要求。為進(jìn)一步擴(kuò)大輸出電流，降低諧波含量，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，可選12脈波雙反星形同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)與12脈波三相橋式同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)。12脈波三相橋式同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)的典型特點(diǎn)是：輸出電流大、諧波含量少、電磁干擾小、繞組利用率高、無需使用平衡電抗器等。因此在大容量礦熱爐直流電源中，選用脈波數(shù)為12脈波及以上的三相橋式同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)較為合適。

由于電力電子器件在材料及制作工藝上的不同，其性能指標(biāo)也有所不同。晶閘管適合應(yīng)用于超大功率且工作頻率較低的場合，一方面是由于晶閘管額定參數(shù)高、控制簡單、技術(shù)成熟；另一方面是由于晶閘管具有較高的浪涌耐受能力、較高的電流參數(shù)和良好的耐過流能力，可以較好地滿足運(yùn)行需求[1]。因此選擇晶閘管作為電路的主功率器件。

綜上所述，若以175 V/100 kA礦熱爐直流電源為例，主電路采用以晶閘管為主功率器件的12脈波三相橋式同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)。主電路原理圖如圖1所示。

圖1 主電路原理圖

采用上述主電路結(jié)構(gòu)，選用型號為KPC-1200V/5500A的晶閘管，則單個(gè)整流臂需要并聯(lián)晶閘管的個(gè)數(shù)np計(jì)算如下：

nP=IA(AV)KAI/(IT(AV)KIKF)

(1)

式中，IA(AV)為整流臂的平均電流(A)，選用12脈波同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)則為8.3 kA；IT(AV)為器件的額定正向平均電流(A)，文中選用的晶閘管為5 500 A；KAI為電流安全裕量，文中取其值為3；KI為同一個(gè)整流臂上并聯(lián)元件的均流系數(shù)，文中取其值為0.92；KF為不同整流臂之間的均流系數(shù)，文中取其值為0.92。

因而由式得：np=5.4。

即每個(gè)整流臂并聯(lián)6只晶閘管。

2 均流系數(shù)的優(yōu)化

在大容量礦熱爐直流供電電源中，不得不采用多個(gè)器件并聯(lián)的措施以承擔(dān)較大的整流臂電流。即使通過上述主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將175 V/100 kA直流電源的每個(gè)整流臂所需并聯(lián)晶閘管個(gè)數(shù)降至6個(gè)，仍存在嚴(yán)重的均流問題。在多個(gè)器件并聯(lián)的整流臂中，若均流系數(shù)過低，會出現(xiàn)某些器件未導(dǎo)通，某些器件過流的情況。嚴(yán)重時(shí)燒壞器件，從而使得整流臂中其它支路過流，導(dǎo)致整個(gè)整流臂器件損壞。為解決該問題，以下提出幾點(diǎn)優(yōu)化均流系數(shù)的措施。

(1)采用合適的整流臂結(jié)構(gòu)

一般電力電子器件進(jìn)入穩(wěn)態(tài)正向?qū)ê笃渫☉B(tài)壓降很低，相應(yīng)的通態(tài)電阻很小。若并聯(lián)支路母線的配置不合理，則電路自感及互感的差異就會造成電流分配的不均衡[2]。因此在工作電流較大的情況下，由于支路磁場及阻抗差異的影響，位于不同位置的器件導(dǎo)通時(shí)，流過的電流值不同，且與引出母線的位置有關(guān)。目前多以母線上進(jìn)下出(或下進(jìn)上出)式的條形整流臂結(jié)構(gòu)為主流，但實(shí)驗(yàn)證明，這種結(jié)構(gòu)在并聯(lián)器件數(shù)大于4的情況下，均流系數(shù)較低。

為了得到較好的均流效果，將整流臂改為其他結(jié)構(gòu)，使得整流臂中的每個(gè)晶閘管從交流進(jìn)線到直流輸出的路徑完全一樣，且流過每個(gè)晶閘管的電流相互解耦，可解決因各元器件到正負(fù)母線路徑不同，導(dǎo)致的各并聯(lián)支路阻抗與磁場存在差異，所引發(fā)的各支路電流分配不均勻的問題。該種整流臂結(jié)構(gòu)可將各整流臂的均流效果較常用的直條結(jié)構(gòu)有明顯改善，可以做到理論上的絕對均流。

(2)采用強(qiáng)觸發(fā)

當(dāng)多個(gè)晶閘管并聯(lián)時(shí)，需保證各并聯(lián)的晶閘管觸發(fā)脈沖具有較陡的前沿，避免因晶閘管觸發(fā)特性的差異導(dǎo)致并聯(lián)的晶閘管不能同時(shí)開通所引發(fā)的均流問題。常規(guī)的脈沖變壓器很難滿足這些要求，圖2給出了實(shí)現(xiàn)這一要求的強(qiáng)觸發(fā)隔離放大電路，TLP251為高速光耦合器，高速光耦合器的輸出電流為反向電流，因而在電路中設(shè)有通過555的電流反向環(huán)節(jié)。MOS管T1用來增大輸出負(fù)載能力，并減小輸出阻抗。發(fā)光二極管VL1用來指示脈沖正常與否。

圖2 單路脈沖強(qiáng)觸發(fā)輸出電路

(3)對參數(shù)相近的晶閘管進(jìn)行分組

因晶閘管本身的參數(shù)差異使得整流臂的并聯(lián)支路阻抗不同所導(dǎo)致的均流問題。通過對晶閘管的合理選擇，使得并聯(lián)的晶閘管各項(xiàng)參數(shù)相近，從而減小因器件參數(shù)差異所帶來的均流系數(shù)低的問題。

(4)裝配過程中減少人為因素

由于大電流整流臂常采用平板式結(jié)構(gòu)，在裝配時(shí)的安裝壓力會影響器件的接觸電阻，尤其是壓接式的平板器件，安裝壓力影響該器件的導(dǎo)通壓降，從而影響均流效果。為此，在裝配過程中應(yīng)確保各并聯(lián)器件的安裝壓力一致，如使用力矩扳手確保元器件的緊固壓力一致。此外，在安裝壓力基本一致的情況下，可通過微調(diào)整流臂各器件的緊固壓力改善均流狀態(tài)。

3 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

主電路采用12脈波三相橋式同相逆并聯(lián)的電路結(jié)構(gòu)，若每個(gè)整流臂所并聯(lián)的器件數(shù)為6個(gè)，則一套電源共使用144個(gè)快速熔斷器。除此之外，每套電源共有母排溫度檢測信號24個(gè)，其他控制量和報(bào)警開關(guān)量數(shù)量繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，維修和維護(hù)十分不便，所以對該電源系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)計(jì)十分必要與困難。

電源監(jiān)控總體原理圖如圖3所示。該系統(tǒng)以PLC S7-200 SMART CPU SR60作為主要控制單元，WinCC 7.3作為上位機(jī)組態(tài)軟件。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的故障檢測、與報(bào)警等功能。

圖3 電源監(jiān)控總體原理圖

因大容量礦熱爐直流電源使用的快速熔斷器數(shù)量過多，在判斷快速熔斷器報(bào)警時(shí)若采用矩陣排列的方式，可很大程度的節(jié)省對PLC輸入輸出口的占用量，使PLC以較高的效率運(yùn)行。矩陣排列的實(shí)現(xiàn)方式為：先定義列報(bào)警和行報(bào)警，列報(bào)警是將同一個(gè)母排的快速熔斷器常閉點(diǎn)串聯(lián)起來，行報(bào)警是將并聯(lián)的同一排快速熔斷器常開點(diǎn)串聯(lián)起來，這樣就組成了一個(gè)有行有列的矩陣，當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，通過矩陣編號就可確定出快速熔斷器故障的位置。

PLC編程軟件選用STEP 7-Micro/WIN SMART，通過簡明的程序設(shè)計(jì)，完成對系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。PLC主程序流程圖如圖4所示。

4 功率因數(shù)的提高

絕大多數(shù)的礦熱爐電源自然功率因數(shù)都在0.7～0.8之間，較低的功率因數(shù)不僅使變壓器的效率下降，消耗大量的無用功，而且還會被電力部門加收額外的電力罰款。在這種低效率的情況下，如何提高礦熱爐電源的功率因數(shù)顯得尤為重要。

由于直流電頻率為零，將交流供電改為直流供電，理論上可以將感抗壓降降為零，使得母線壓降僅為導(dǎo)線電阻壓降。與交流電相比可以增加入爐電壓8%～20%，大幅的提高功率因數(shù)，從原來的0.7～0.8提高到0.9左右，實(shí)現(xiàn)節(jié)能10%～15%。因而大容量礦熱爐電源若采用直流供電，則不需要專門的功率因數(shù)補(bǔ)償設(shè)備，節(jié)省了占地空間和費(fèi)用[4]。

除此之外，整流電路所產(chǎn)生的諧波也會使得礦熱爐供電系統(tǒng)的功率因數(shù)偏低。主電路采用脈波數(shù)為12脈波及以上整流結(jié)構(gòu)可消除部分諧波，提高功率因數(shù)。又因礦熱爐爐工藝過程較為復(fù)雜，對應(yīng)不同的工作段，要求輸出穩(wěn)定運(yùn)行的電流與電壓值不同。若僅通過改變晶閘管控制角調(diào)壓調(diào)流，那么當(dāng)控制角較大時(shí)，會產(chǎn)生大量諧波，功率因數(shù)偏低。這就決定了對其功率因數(shù)補(bǔ)償環(huán)節(jié)要采取變化的參數(shù)與結(jié)構(gòu)。對于提高系統(tǒng)的功率因數(shù)提出了如下方法：在變壓器一次側(cè)增加有載調(diào)壓環(huán)節(jié)，設(shè)置有6個(gè)檔位，通過調(diào)整整流變壓器的檔位達(dá)到降低控制角的目的。當(dāng)晶閘管控制角過高時(shí)，降低整流變壓器開關(guān)檔位，使得整流變壓器閥側(cè)電壓降低，由PI調(diào)節(jié)控制電路的作用，使控制角降低，維持電流穩(wěn)定的同時(shí)提高系統(tǒng)功率因數(shù)。

圖4 PLC主程序流程圖

5 結(jié)束語

通過對可選用的整流電路結(jié)構(gòu)分析，大容量礦熱爐直流電源應(yīng)選用脈波數(shù)為12脈波及以上的三相橋式同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)。對整流臂空間布局的優(yōu)化與采用強(qiáng)觸發(fā)和對參數(shù)相近的晶閘管進(jìn)行分組裝配等方法，解決了由回路阻抗和磁場差異以及晶閘管觸發(fā)特性不同與通態(tài)壓降等差異帶來的均流系數(shù)低的問題，提高了設(shè)備可靠性。介紹的PLC監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用矩陣式軟件編程方法，使需要的硬件配置要求得以降低，從而高效的對電源系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。采用直流供電，同時(shí)通過變壓器檔位調(diào)節(jié)降低晶閘管的控制角，以此降低諧波，達(dá)到提高功率因數(shù)，節(jié)約成本的目的。