大容量矿热炉直流电源设计的几个关键问题

(西安石油大学电子工程学院，西安 710065)

0 引 言

矿热炉是铁合金行业冶炼硅铁、镍铁、洛铁、电石的必备设备，据不完全统计，全国有各种矿热炉3万多台。长期以来，国内矿热炉大多采用交流供电方式，导致功率因数低、电网三相很难控制平衡、效率低、运行成本高等问题一直无法解决。相比之下直流电源拥有更大的优势，如：直流电源可消除电抗压降、集肤效应、电极间干扰效应等问题，并且运行损耗低、电效率高。因此目前大容量矿热炉电源正朝着直流供电方向发展。文中探讨了大容量矿热炉直流电源设计的几个关键性问题，包括主电路拓扑结构选用，均流系数优化，监控系统设计与功率因数提高等探索性问题。

1 主电路拓扑结构选用

大电流输出需要使用并联器件以达到运行要求。随着并联器件数量的增加，出现的是均流系数低的问题。因此，选用适当的主电路拓扑结构以扩大系统输出电流，达到减少并联器件数，优化均流系数，防止器件损坏的目的显得尤为重要。

可控整流电路的最基本单元为三相桥式和双反星形整流电路。单从输出电流的大小考虑，在并联相同数量及容量的电力电子器件前提下，双反星形整流电路的输出电流是三相桥式整流电路的2倍。但在同样输出电压电流情况下，三相桥式整流电路的整流变压器装机容量要低于双反星形21%，同时整流器件所承受的反向电压为双反星形的一半，变压器绕组利用率比双反星形高一倍。因此，综合考虑，若输出电压较高，三相桥式整流电路拥有较大优势。由于矿热炉电源运行时电流达40～150 kA，为了满足输出电流需求，同时降低电磁干扰，可用三相桥式同相逆并联结构与双反星形同相逆并联结构。这两种结构与前两种结构相比，扩大了2倍输出电流并降低了电磁干扰。然而这种结构很难满足大容量矿热炉电源超过100 kA的输出电流要求。为进一步扩大输出电流，降低谐波含量，提高系统功率因数，可选12脉波双反星形同相逆并联结构与12脉波三相桥式同相逆并联结构。12脉波三相桥式同相逆并联结构的典型特点是：输出电流大、谐波含量少、电磁干扰小、绕组利用率高、无需使用平衡电抗器等。因此在大容量矿热炉直流电源中，选用脉波数为12脉波及以上的三相桥式同相逆并联结构较为合适。

由于电力电子器件在材料及制作工艺上的不同，其性能指标也有所不同。晶闸管适合应用于超大功率且工作频率较低的场合，一方面是由于晶闸管额定参数高、控制简单、技术成熟；另一方面是由于晶闸管具有较高的浪涌耐受能力、较高的电流参数和良好的耐过流能力，可以较好地满足运行需求[1]。因此选择晶闸管作为电路的主功率器件。

综上所述，若以175 V/100 kA矿热炉直流电源为例，主电路采用以晶闸管为主功率器件的12脉波三相桥式同相逆并联结构。主电路原理图如图1所示。

图1 主电路原理图

采用上述主电路结构，选用型号为KPC-1200V/5500A的晶闸管，则单个整流臂需要并联晶闸管的个数np计算如下：

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

(1)

式中，IA(AV)为整流臂的平均电流(A)，选用12脉波同相逆并联结构则为8.3 kA；IT(AV)为器件的额定正向平均电流(A)，文中选用的晶闸管为5 500 A；KAI为电流安全裕量，文中取其值为3；KI为同一个整流臂上并联元件的均流系数，文中取其值为0.92；KF为不同整流臂之间的均流系数，文中取其值为0.92。

因而由式得：np=5.4。

即每个整流臂并联6只晶闸管。

2 均流系数的优化

在大容量矿热炉直流供电电源中，不得不采用多个器件并联的措施以承担较大的整流臂电流。即使通过上述主电路拓扑结构将175 V/100 kA直流电源的每个整流臂所需并联晶闸管个数降至6个，仍存在严重的均流问题。在多个器件并联的整流臂中，若均流系数过低，会出现某些器件未导通，某些器件过流的情况。严重时烧坏器件，从而使得整流臂中其它支路过流，导致整个整流臂器件损坏。为解决该问题，以下提出几点优化均流系数的措施。

(1)采用合适的整流臂结构

一般电力电子器件进入稳态正向导通后其通态压降很低，相应的通态电阻很小。若并联支路母线的配置不合理，则电路自感及互感的差异就会造成电流分配的不均衡[2]。因此在工作电流较大的情况下，由于支路磁场及阻抗差异的影响，位于不同位置的器件导通时，流过的电流值不同，且与引出母线的位置有关。目前多以母线上进下出(或下进上出)式的条形整流臂结构为主流，但实验证明，这种结构在并联器件数大于4的情况下，均流系数较低。

为了得到较好的均流效果，将整流臂改为其他结构，使得整流臂中的每个晶闸管从交流进线到直流输出的路径完全一样，且流过每个晶闸管的电流相互解耦，可解决因各元器件到正负母线路径不同，导致的各并联支路阻抗与磁场存在差异，所引发的各支路电流分配不均匀的问题。该种整流臂结构可将各整流臂的均流效果较常用的直条结构有明显改善，可以做到理论上的绝对均流。

(2)采用强触发

当多个晶闸管并联时，需保证各并联的晶闸管触发脉冲具有较陡的前沿，避免因晶闸管触发特性的差异导致并联的晶闸管不能同时开通所引发的均流问题。常规的脉冲变压器很难满足这些要求，图2给出了实现这一要求的强触发隔离放大电路，TLP251为高速光耦合器，高速光耦合器的输出电流为反向电流，因而在电路中设有通过555的电流反向环节。MOS管T1用来增大输出负载能力，并减小输出阻抗。发光二极管VL1用来指示脉冲正常与否。

图2 单路脉冲强触发输出电路

(3)对参数相近的晶闸管进行分组

因晶闸管本身的参数差异使得整流臂的并联支路阻抗不同所导致的均流问题。通过对晶闸管的合理选择，使得并联的晶闸管各项参数相近，从而减小因器件参数差异所带来的均流系数低的问题。

(4)装配过程中减少人为因素

由于大电流整流臂常采用平板式结构，在装配时的安装压力会影响器件的接触电阻，尤其是压接式的平板器件，安装压力影响该器件的导通压降，从而影响均流效果。为此，在装配过程中应确保各并联器件的安装压力一致，如使用力矩扳手确保元器件的紧固压力一致。此外，在安装压力基本一致的情况下，可通过微调整流臂各器件的紧固压力改善均流状态。

3 监控系统的设计

主电路采用12脉波三相桥式同相逆并联的电路结构，若每个整流臂所并联的器件数为6个，则一套电源共使用144个快速熔断器。除此之外，每套电源共有母排温度检测信号24个，其他控制量和报警开关量数量繁多，结构复杂，体积大，维修和维护十分不便，所以对该电源系统进行实时监控设计十分必要与困难。

电源监控总体原理图如图3所示。该系统以PLC S7-200 SMART CPU SR60作为主要控制单元，WinCC 7.3作为上位机组态软件。实现系统的故障检测、与报警等功能。

图3 电源监控总体原理图

因大容量矿热炉直流电源使用的快速熔断器数量过多，在判断快速熔断器报警时若采用矩阵排列的方式，可很大程度的节省对PLC输入输出口的占用量，使PLC以较高的效率运行。矩阵排列的实现方式为：先定义列报警和行报警，列报警是将同一个母排的快速熔断器常闭点串联起来，行报警是将并联的同一排快速熔断器常开点串联起来，这样就组成了一个有行有列的矩阵，当有故障发生时，通过矩阵编号就可确定出快速熔断器故障的位置。

PLC编程软件选用STEP 7-Micro/WIN SMART，通过简明的程序设计，完成对系统的实时监控。PLC主程序流程图如图4所示。

4 功率因数的提高

绝大多数的矿热炉电源自然功率因数都在0.7～0.8之间，较低的功率因数不仅使变压器的效率下降，消耗大量的无用功，而且还会被电力部门加收额外的电力罚款。在这种低效率的情况下，如何提高矿热炉电源的功率因数显得尤为重要。

由于直流电频率为零，将交流供电改为直流供电，理论上可以将感抗压降降为零，使得母线压降仅为导线电阻压降。与交流电相比可以增加入炉电压8%～20%，大幅的提高功率因数，从原来的0.7～0.8提高到0.9左右，实现节能10%～15%。因而大容量矿热炉电源若采用直流供电，则不需要专门的功率因数补偿设备，节省了占地空间和费用[4]。

除此之外，整流电路所产生的谐波也会使得矿热炉供电系统的功率因数偏低。主电路采用脉波数为12脉波及以上整流结构可消除部分谐波，提高功率因数。又因矿热炉炉工艺过程较为复杂，对应不同的工作段，要求输出稳定运行的电流与电压值不同。若仅通过改变晶闸管控制角调压调流，那么当控制角较大时，会产生大量谐波，功率因数偏低。这就决定了对其功率因数补偿环节要采取变化的参数与结构。对于提高系统的功率因数提出了如下方法：在变压器一次侧增加有载调压环节，设置有6个档位，通过调整整流变压器的档位达到降低控制角的目的。当晶闸管控制角过高时，降低整流变压器开关档位，使得整流变压器阀侧电压降低，由PI调节控制电路的作用，使控制角降低，维持电流稳定的同时提高系统功率因数。

图4 PLC主程序流程图

5 结束语

通过对可选用的整流电路结构分析，大容量矿热炉直流电源应选用脉波数为12脉波及以上的三相桥式同相逆并联结构。对整流臂空间布局的优化与采用强触发和对参数相近的晶闸管进行分组装配等方法，解决了由回路阻抗和磁场差异以及晶闸管触发特性不同与通态压降等差异带来的均流系数低的问题，提高了设备可靠性。介绍的PLC监控系统应用矩阵式软件编程方法，使需要的硬件配置要求得以降低，从而高效的对电源系统进行监控。采用直流供电，同时通过变压器档位调节降低晶闸管的控制角，以此降低谐波，达到提高功率因数，节约成本的目的。