CN1044304C - 为电弧炉提供直流电的改进的电力变换器装置 - Google Patents

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Abstract

一种为电弧炉提供直流电的电力变换器装置，它包括至少一个变压器，该变压器其有由一个三相交流电供电的初级绕组和至少一个次级绕组，该次级绕组为一个整流器系统提供交流电，而该整流器系统为负载提一个整流电压和电流。该整流器系统包括相对于每个次级绕组的可控半导体和一个续流电路。用实际上可变的触发角来触发可控半导体，通过改变触发角来增加续流电路中的导通时间同时减小可控半导体中的导通时间，反之亦然，以便于为负载提供一个实际上恒定的有功功率或无功功率而不管负载阻抗中的变化。

Description

为电弧炉提供直流电的改进的电力变换器装置
本发明涉及一种为一个电弧炉提供直流电的改进的电力变换器装置。
电弧炉被用于熔化和精炼废金属。
本发明特别应用于向这样的负载提供直流电：即这些负载的电参数可能变化很大并且频繁地变化。
图1示出了为电弧炉供电的最古老的技术。
它需要为电极直接地供给三相交流电：第一个降压变压器1供电给一组母线2，该组母线2把电流配给一个或多个独立的可变变压器3，该变压器3把电压降到所需要的电压等级并且直接地为电炉4供电。电弧炉4包括一个在其底部中容纳废金属6的炉室5和三个可移动的电极7，每个电极与降压变压器3的次级电路的一相连接，以致于在电极7和废金属6之间的电弧8被放电使废金属6熔化并随后使其精炼。
图2和3示出了这样一种交流电流电弧炉的工作特性，分别表示对各种工作点的电压(U电弧)/电流(I电弧)的特性和无功功率(Q)/有功功率的特性，其中CC代表短路工作点，F代表对应于废金属熔化的范围和A代表对应于废金属精炼的范围。
能够看到这种交流电流供电电弧炉实际上供给恒定的功率(△P是很低的)，但是在无功功率(△Q)和电流(△I)中易发生大的变化，因此它实际上在包括短路状态之内的恒定有功功率上工作。尤其是，在无功功率中大的变化能够引起供电系统上大的电压波动，使电的干扰加到了供电系统中，特别是在“闪烁”的形式中，也就是在0-30Hz频带中的电压波动能使光闪烁。
几年来有一种通过在降压变压器和电极之间加入一个AC/DC变换器以便用直流电源代替交流电源的趋势。
直流电源具有从所有其它优点中得到的两个主要的优点，即：
一电弧的正极是废金属本身，无论是固体或是熔液，可移动电极(它可以是一个或多个)构成负极。由于沿着电弧的能量消耗是非线性的并在正极侧消耗的能量更大，所以使废金属比电极加的更热。
一通过变换器限制了由于电弧短路引起的冲击电流，这种冲击电流在起动和废金属的熔化期间非常频繁地发生。
它导致了减少电极的损耗，减少了反馈到电源的电干扰，特别是闪烁，以及改进了电弧炉的效率。
到目前为止所使用的直流变换器是在图4中所示的一般的形式。
降压变压器的初级绕组9供电给一个或多个次级绕组10,11，每个次级绕组分别地与常规的使用可控硅的“格雷兹桥”整流器12连接。每个整流桥的一个输出端与一个公共可移动电极7相连接，而其它的端通常借助于一个平滑电感器13分别连接到与金属6直接接触的炉底电极14上。
在其它图中所示的格雷兹整流桥在图5中被详细的示出的。
这种整流桥包括两组15、16可控硅，其中每3个可控硅为一组分别连接成具有一个公用阳极和一个公用阴极的“双并联”(或“全波三相”)的方式，并且用其它的极连接成同样的(星形或三角形多相电极系统：每组可控硅15、16用一个各自公用的触发角α1或α2来触发。
为了限制被加到电源系统中的谐波，通常使用多个六脉冲格雷兹桥，每个整流桥由被移相的次级绕组来供电。图4示出了两个次级绕组10、11供电给两个格雷兹桥，这两个次级绕组10、11通过一个星形一三角形连接被移相了30°，但是这种方法能够推广为三个格雷兹桥(利用移相-20°、0°、+20°)、四个格雷兹桥(利用移相0°、+15°、+30°和45°)，等等，每个格雷兹桥构成了一个简单六脉冲变换器。
虽然本说明书的剩余部分仅考虑到一个具有两个整流桥的系统，例如两个格雷兹桥，但是可以理解本发明能够推广为由移相的次级绕组供电的任意多个整流器的系统。
图6和7是在一个直流装置供电的情况下类似于图2和3的特性图。
从图中能够看到该装置以恒定电流但具有一个可广泛变化的有功功率来工作，它不同于交流电流装置。在无功功率Q中具有较小但仍然值得注意的变化。平均来说，无功的能量损耗仍然是高的，它通常包括有一个用于降低变压器的负载调节器17和一个相对大的补偿器组18。在这方面直流装置与一个交流装置相比较没有得到任何显著的改进。
由于在输入侧(在供电系统上)较小的电压被动和减小了闪烁，从一个工作区到另一个工作区的无功功率变化(△Q)仍然是小于在一个交流电源情况中无功功率的变化。然而在电源不是额定的情况下，与无功功率损耗成正比而与电源短路功率成反比的这些电压变化经常保持过大，特别是由于闪烁，并且需要使用非常昂贵的校正装置(“抗闪烁”装置或可控硅控制电抗器-TCRs)，正如对于大多数交流电流的解决办法。
考虑到瞬时无功损耗，然而注意非常显著低的直流电流值，通过变换器的电流调节通常很快地能够把短路冲击电流限制一个实际上可忽略计的值。
本发明的目的是提供一种为电弧炉提供直流电的改进的电力变换器装置，其能够显著减少无功损耗和显著地改进直流电弧的电压/电流特性，且成本低、尺寸小。
为此，本发明提供一种为包括负载的电弧炉提供直流电的电力变换器装置，所述电力变换器装置包括一个整流器装置和至少一个变压器，该变压器其初级绕组供有三相交流电，并且向其至少一个次级绕组提供三相电流，所述至少一个次级绕组向所述整流器装置提供所述三相电流，所述整流器装置向负载输出整流的电压和电流，所述整流器装置包括相对于每个所述次级绕组的可控半导体，其特征在于，所述整流器装置还包括设置在所述变压器和所述可控半导体之间的一个续流装置，所述可控半导体由实质上可变的触发角触发，可改变所述触发角，以在电弧炉的工作范围内，使该变换器装置消耗的有功功率和无功功率相对于一个确定的平均值最小。
在下面将要说明本发明的直流变换器能够在实际上恒定的有功功率上工作，正如在用交流直接供电给一个电弧炉的情况中一样，但是它具有低的无功损耗并且变换器或相关的变压器没有任何增加。
同样被证明：根据本发明的教导，用一种非常简单的方式能够影响无功功率/有功功率(Q/P)的特性，以便根据电弧炉有使用范围确定它的最佳特性。
例如对于一个给定的工作点能够得到一个使无功损耗达到最小的特性，或另一方面能够得到一个在无功功率的平均值上使其变化达到最小的特性，特别是在低功率额定电源的情况下，从效率(将加入到电源系统的干扰减到最小)的观点和安装(通过消除“抗闪烁”装置)费用这两个方面来看，减少闪烁是一个主要的必不可少的措施。
同样地能够选择电弧炉的工作特性，这样以致于无功功率损耗实际上保持恒定而不管任何电流变化，特别是即使在负载阻抗中有变化。
本发明在于一个用于把直流电供给一个电弧炉的功率变换器装置，它包括至少一个变压器，该变压器具有由一个三相交流电供电的初级绕组和至少一个把三相交流电供给整流器装置的次级绕组，整流器装置为负载提供一个被整流的电压和电流，对于每个次级绕组所述整流器装置是由可控的半导体组成的型式，其中整流器装置包括一个续流电路，所述可控的半导体由实际上可变的触发角来触发，通过改变触发角能够增加在续流电路中导通的时间同时减小在被触发半导体中的导通时间，反之亦然，以便传送给负载一个实际上恒定的有功功率或无功功率而不管在负载的阻抗中的变化。
续流电路最好是一个二极管以致于变换器装置变成不可逆的。
非常有利的是：变压器包括至少两个次级绕组，由这些次级绕组供电的各个整流器装置在一种“偏移”(offset)的结构中相互联系起来，并且各自具有不同的触发角。
在这种多个次级绕组的情况下，在本发明的第一个实施中对于一个给定的工作点来选择触发角以便使无功功率损耗减致最小，因此在一个整个工作周期上产生的平均值是最小的。
在本发明的第二种实施例中，在另一方面相对于一个给定的整流电流来选择触发角以便使无功功率在其平均值上的变化减至最小值，特别是以闪烁的形式的变化为最小。
此外，能够有利地选择触发角以致于即使被整流的电流有变化：无功功率损耗的平均值仍然是恒定的。
在本发明的一种有利的实施便中偏移是一种“并联偏移”，因此最好设置用于周期地改变相应的两个整流器装置的偏移的方向和/或用于调整相应的两个整流器装置的电流以便使它们变得相等的装置。
在本发明的一种优选的实施中，所述整流装置的可控半导体相对于每个次级绕组构成一个格雷兹桥，所述整流桥的一个输出端与负载的一个负电极连接，例如作为电弧炉的一个可移动电极，而另一个输出端与一个相应的正电极连接，例如一个底部或底层电极，在变压器的各个次级绕组的输出端和相对应的格雷兹桥之间插入续流电路。
如上所述的多个整流器装置能够组合成一个通用的组件，该组件由相对应的变压器供给具有一个移相的电源。
本发明的其它特征和优点将通过结合附图的详细说明来得到，在附图中相同的参考符号总是代表类似的部件。
图1是现有技术中把交流电直接供给电弧炉的结构图，它已经被描述了。
图2和3分别示出了现有技术中用交流电直接供电的电弧炉的电压/电流特性和无功功率/有功功率特性，它们已经被描述了。
图4是现有技术中通过变换器把直流电供给电弧炉的结构图，它已经被描述了。
图5更详细地示出了已知的一种格雷兹桥的结构图。
图6和7分别示出了现有技术中用直流电供电给电弧炉的电压/电流特性和无功功率/有功功率特性，它们已经被描述。
图8是表示通过根据本发明的一个变换器为电弧炉提供直流电的结构图。
图9至11示出了用于把多个完全相同的变换器相结合并具有相关移相的已知结构。
图12和13分别示出了根据本发明的由一个变换器为电弧炉提供直流电的电压/电流特性和无功功率/有功功率特性，在图13的下面示出了调整格雷兹桥触发角的变化的规律。
图14示出了通过适当选择触发角的变化规律能够得到的各种各样的无功功率/有功功率特性，它们能使电弧炉的工作适合于不同的使用范围。
图15示出了假设整流电流随着负载的阻抗减小而变化所得到的无功功率/有功功率的曲线族。
本发明的根本目的是把一个常规的可控硅变换器结合一个续流装置并且提供一种与恒定有功功率相关的控制规律，该恒定有功功率与电弧的特性(改进电弧炉的效率)和变换器固有的能力相匹配。
一个续流装置是现有的装置，该装置在一个方向上导通而在另一个方向上不导道，该续流装置能够使在变换器的可控硅导通期间存储在感应元件中的能量在该导通周期之后的不导通过周期期间流入到负载中。
用在本发明中的续流装置是这样的型式，即它允许主要可控硅的导通的周期比变化(根据触发角)，在续流装置中的导通时间随着在主要可控硅元件中的导通时间的减小而增大。
在本发明使用了这种型式的续流装置，即当直流电压减少时增加直流电流的幅值(反之亦然)，用一种相关方式增加可控硅元件的触发角和减小可控硅元件的导通周期比。这就实现了在实际上恒定的有功功率上工作而使可控硅或变压器不超过额定值。
在本例子中涉及一个电弧炉，续流装置最好为图8中的19，它包括位于变压器的次级绕组10的中心点和格雷兹桥的每个输出端之间的二极管20，该二极管20在与格雷兹桥的二极管中电流流动的方向相反的方向明显地被偏压。
对于续流装置使用二极管而不使用可控硅元件能使变换器不可逆。
这初看起来好像是个缺点，但是在实际的应用中它实际上是一个显著的优点。
在常规的格雷兹桥中变换器是一种“二象限可逆”变换器(单向直流电流，双向直流电压)；它便于即使一个电弧短路也能有效进行电流调整，使冲击电流减小到一个可忽略的值；这对于供电确实是优点，但是对于电弧短路并不是优点，由于短路使废金属熔化的结果它需要尽可能快的消灭(在使用交流电流直接供电的办法中，在一个电弧短路之后的冲击电流使废金属快速的被熔化，但是它是以构成一个沿重代价的无功功率峰值为代价的)。
通过使变换器变得不可逆，本发明使下面两个方面相一致：在一个电弧短路的时候，由于变换器的不可逆特性因为短路冲击电流使废金属快速熔化，由于上述冲击电流仅仅流过续流二极管。所以在电源系统中不产生任何无功功率峰值。为了减少电极损耗，最好是这个冲击电流能够被控制和被优选来适合电极的固有特性。
根据本发明的另一个方面，设置变压器的多个次级绕组是有利的，例如次级绕组10和11，它们组合成为一种所谓的“偏移”结构，特别是一种“并联偏移”结构。把续流和偏移作用结合起来能够非常显著地减少无功损耗。
更确切地说，本身已知的并在图9至11中所示的偏移技术在于把至少两个相同结构的变换器结合起来并且以这样的方法区别它们的触发控制，即对无功损耗起作用；词“偏移控制”或“连续控制”被使用。这种技术在两个整流桥的直流侧上通常使用一种串联组合，如在图9中所示(所谓的“串联偏移”电路)。
在本例子中，供给电弧的直流电压与大功率可控硅元件的额定电压值相比是相对低的，一个“串联偏移”电路能利用低劣工艺的可控硅元件。一个“并联偏移”型电路是更可取的，这种电路的两种变形在图10和11中示出了。
在图10和11所示的“并联偏移”电路中，两个格雷兹桥被组合起来，实际上每个包括了两个偏移半桥，并由此产生偶次谐波(不同于常规的格雷兹桥)，但定用跨接在两个整流桥上的内部偏移能在输出端上消除偶次谐波。
然而，如在图10或11中所示的一种常规的“并联偏移”电路(和设有续流装置的电路)具有产生可控硅元件的“再整流”的危险的严重缺陷，特别是接近一个零直流电压。为了限制这个危险，直到现在还需要限制触发角的偏移范围，严重地减了无功功率的增益。
由本发明提出的把偏移和一个续流装置结合起来的明显的优点是：由于设置了续流装置能够完全地消除这种再整流的危险，按照上面的说明，它能使用于主要可控硅元件的导通周期比为可变的。因此能得到累加无功功率增益的所有好处，并能非常安全地工作。
图8示出所建议的具有“二极管中性的”(diode neutral)续流装置和“并联偏移”(parallel offset)结构的一个完整的电路。
在本发明的第一个实施例中，一个适当的控制规律始终将无功功率损耗Q减至最小值(即对于一个规定的工作点)，并且也将无功能量减到最小值。它代表对于参数优化的最先优先权有助于减小平均无功功率的一种情况。
控制调整参数α1和α2以便获得一个最大偏移，也就是|α1-α2|的最大值。其它的调整(因为两个参数α1和α2能够被分别地控制)可调整负载直流电流(或有功功率)。
图12和13示出了在第一种实施例的情况下(最小平均无功功率损耗)用图8所示电路得到的工作特性。
图12示出了电压/电流特性，它非常类似于用交流电直接供电所得到的特性图，也就是在恒定的功率上工作(阴影部分表示与一个常规型DC变换器相比较时的改进特性。)。
图13示出了对于一个规定的工作点，也就是相对于一个恒定的电弧直流电流Iarc(或整流电流Id)和一个可变的电弧等效电阻的无功功率/有功功率特性曲线。
这个特性曲线表示无功功率损耗始终大约小于三分一的最大有功功率，比起现有技术中无论电流是交流电还是直流来它构成了一个很大的改进(与图3和7相比) ；图13的下部分给出了决定触发角α1和α2变化的规律为功率传送的一个函数。
借助于这种电路由本发明所获得的优点是非常显著的，即：
-消除了变换器的变压器调节器(接道负载或切断负载)，
-非常显著的减少了功率补偿滤波器组(大约一半)，
-在工作时间和数量方面显著地改进了效率，
-减小了在电源系统上电压的波动。
-减小了闪烁，
-减小了变换器的换耗，
-减小了由变换器产生的谐波和高频干扰。
获得这些优点的唯一适应方法是附加一个二极管续流装置和在变换器的输出侧上连接适当的负荷(平滑电感器、电缆、电极)以便于适应由本发明所允许冲击电流。在实际中也减小了电弧炉的投资费用。
在本发明的第二种实施例中，选择控制规律，也就是控制触发角α1和α2的变化为被传送的功率的一个函数的规律，将有利于不减小平均的无功损耗，如上所述，但是减少无功功率在其平均值上的波动和减少闪烁是以稍微增加平均无功功率损耗为代价而实现的。
这样实现了一种适合控制有功功率而消耗恒定无功功率的变换器，所消耗的恒定无功功率能够由简单的一组固定电容器来补偿(如在图4中18所示的型式)，因此避免任何昂贵的“TCR”式“抗闪烁”装置，甚至用很弱的电源。
更确切地说，在该第二种实施例中，相对于不故意使偏移|α1-α2|达到最大值，它保留了图8的基本电路(也就是一个格雷兹桥和偏移续流电路)并具有对于参数α1和α2的控制规律它不同于上述的情况。
图14示出了对于一个规定的工作点，也就是对于一个恒定的电弧电流Iarc(或整流电流Id)和一个可变等效电阻的无功功率Q/有功功率P特性曲线。在该图中：
-特性Ⅰ对应于一个没有续流装置和没有偏移的常规变换器也就是图7中的特性)；
-特性Ⅱ对应于具有续流装置但没有偏移的电路，也就是图8的电路，但是α1=α2；和
-特性Ⅲ对应于同样的电路并且具有最大的偏移，也就是最大的|α1-α2|(图13的特性)。
在一个零偏移和最大偏移之间能够得到大量的不同特性，它们都位于特性Ⅱ和Ⅲ之间的阴影区之内。
更确切地说，这些特性曲下列等式来确定：
Figure C9410693400151
P是有功功率，
Q是无功功率，
R是电弧等效电阻，
Id是整流电流，
Ed是负载上的整流电压，
Edo是对于一个零偏移设有负载的整流电流。
fp,fq是触发角的函数。
因此对于一个规定的工作点、也就是给定R和Id，就能确定P，但是在定的范围Q是变化的。
例如对应于特性Ⅳ，或在阴影区内任何其它特性也可以保持Q恒定。因此确定了Id,P和Q可以其中直接推导出α1和α2。
如上所述假定当电弧等效电阻减小时，通过增加电流Id能够达到维持有功功率恒定的目的，反之亦然，由于工作点的移动，因此便在该图上的特性也移动。
现在假设对于一个给定恒定电流的工作点：在两个未知量的情况中来求解该系统的两个方程式得到类似于图14中的特性V的一个特性，也就是一个单调增加的函数Q=f(P)。在这种情况下，当电流Id变化时，特性V以图15中所以的方式移动，因此每对应于一个给定的工作点(电流Id)限定了一簇特性。此外能够选择一种单调减小的变化规律Id=f(R)，以致于不管Id怎么变化能保持Q恒定。
在这种情况下，该变换器在所有的工作范围内(或至少主要部分上)实际上具有恒定的无功功率Q和有功功率P。
所描述的基本电路可以进行各种各样的改进。
首先，为了平衡半导体元件的发热和减小产生对变压器的电磁感应有害的直流分量的危险，它能够有利地提供周期地改变两个整流桥的偏移方向(α1+α2用于一个方向，而α2+α1用于另一个方向)。
根据半导体元件的恒定热期限和对于变压器的可容许的最大值流分量，能够计算出这种周期变换的周期。至于在这个周期内变换偏移的时间，在交流侧或直汉侧必须选择使产生开关过渡过程的幅值变得最小，因为这个过渡过程在量值上不能够大于由电弧的固有波动所产生的过渡过程。
其次，能够成对地进行电流调整，也就是能够保证在两个并联的Graetz桥的每个桥中分别地进行电流调整，并且最好同时调整两个电流的和且使它们相等(所谓的“多变量交叉”(multirariable diagonal)调整)。
如果在两个整流桥之间存在任何不平衡，那么就存在有未完全补偿的偶次谐波，并且它能有必要限制这种不平衡(α1-α1和α2-α2的限制)，以便把偶次谐波限制到一个可接受的等级上。如果两个格雷兹桥没有被完全地并联连接，特别是如果这种连接不是在平滑电感器的输出侧的端上而是在两个底部或底层电极上、被认为是“根部”(heel)连接，那么能够出现这种危险。
最后，如在图9中所示，能够把多个相同型式的部件组合起来并且借助于一个移相变压器来供电，以便减小谐波。变压器的移相最好在它们的初级绕组进行，列如用“三角Z形”或“三角中间抽头”型绕组。

Claims (3)

1．一种为包括负载的电弧炉提供直流电的电力变换器装置，所述电力变换器装置包括一个整流器装置和至少一个变压器，该变压器其初级绕组供有三相交流电，并且向其至少一个次级绕组提供三相电流，所述至少一个次级绕组向所述整流器装置提供所述三相电流，所述整流器装置向负载输出整流的电压和电流，所述整流器装置包括相对于每个所述次级绕组的可控半导体，
其特征在于，所述整流器装置还包括设置在所述变压器和所述可控半导体之间的一个续流装置，所述可控半导体由实质上可变的触发角触发，可改变所述触发角，以在电弧炉的工作范围内，使该变换器装置消耗的有功功率和无功功率相对于一个确定的平均值最小。
2．根据权利要求1的电力变换器装置，其特征在于，所述变压器包括至少二个次级绕组，并且由所述次级绕组供电的各整流器装置相对于各不同的触发角被结合成一种“偏移”结构。
3．根据权利要求2所述的电力变换器装置，其特征在于，所述整流器装置被结合成一种并联偏移电路，所述并联偏移电路与所述次级绕组相连，并且所述并联偏移电路的一个输出端与一个公共的可移动电极连接，而另一输出端与底部电极连接。
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