点击下载——基于不对称移相控制技术的电弧炉整流器参数计算研究.doc

基于不对称移相控制技术的电弧炉整流器参数计算研究

秦晓平

(上海金自天正信息技术有限公司，上海 201900)

摘 要:新疆八一钢铁有限公司70t直流电弧炉采用带中性点续流二极管的三相桥式整流器，其触发方式采用不对称移相控制技术，目前该设备已经到了需要改造的年限，解决整流器不对称移相控制的计算方法对于控制系统的改造至关重要。针对此问题，本文从续流二极管和不对称移相控制技术的基本原理着手，得出实施控制的计算方法，为改造和制造这种整流器提供了理论依据。

关 键 词:电弧炉；晶闸管整流器；续流二极管；不对称移相控制

新疆八一钢铁有限公司的70 t直流电弧炉整流器是2000年由法国Cegelec公司制造的，采用了带中性点续流二极管的三相桥式整流器，其触发方式采用不对称相移控制技术。这种整流器具有功率因数高、电网闪变值低、谐波分量小的优点，可以降低补偿装置的容量。该控制系统年久老化、程序不开放、备件价格不菲，已经到了需要改造的年限。虽然上海金自天正信息技术有限公司已承担过多个电弧炉控制系统和整流器的改造项目［1］，但是以往改造的项目中都是传统的对称移相整流器，而这次在八钢电弧炉改造中首次遇到续流二极管和不对称移相控制技术的控制系统。如果不解决不对称移相控制技术中的触发角计算问题，就无法对整流器控制系统进行改造。

外方对整流器控制系统程序加密，无从借鉴参考，从目前收集到的几篇文献［2－5］来看，也只是复述了这种技术的优点，而没有提及如何计算不对称移相控制整流器的触发角。笔者总结多年来从事大型直流电弧炉改造的经验，分析这两种技术的基本原理，得出了实施控制的计算方法，为改造和制造这种高性能整流器提供了理论依据。本文首先论述了带中性点续流二极管的三相桥式整流器降低无功功率的原理并绘制出功率圆图，然后利用功率圆图提出不对称移相控制的工作点的计算方法，最后根据电弧炉的特点提出工作点计算区间的划分原则以及区间分界点计算方法。

1 带中性点续流二极管的三相桥式整流器功率圆图

如图1所示，带中性点续流二极管的三相桥式整流器可以分解为两个带续流二极管(D1和D2)的三相零式整流器的串联电路，其中，O为中性点。

如图2所示，带续流二极管的三相零式整流器整流电压平均值Ud分为电流连续和不连续两个区间，分界点是触发角α=π/6;而当α=5π/6时，整流电压平均值Ud=0。

如图2(a)所示，当0≤α≤π/6时，

式中，U2为进线相电压的有效值; Ud0= 1．17U2为最大整流平均电压。

如图2(b)所示，当π/6＜α≤5π/6时，

由此可以得到两个区间的有功功率平均值的公式:

同样，无功功率平均值计算公式也分为两个区间，分界点也是α = π/6。

由于带中性点续流二极管的三相桥式整流器相当于两个带续流二极管的三相零式整流器串联，因此，其总的输出电压是两组零式整流电路输出电压之和，两组零式整流电路的电流相等，有功功率和无功功率分别为带续流二极管三相零式整流器的2倍。

因为 Ud0是常数，而在3.3 ms的采样周期内可认为Id恒定，因此可以Ud0Id为基值，Pd和Qd的标幺值表达式为:

由此可以绘出的带中性点续流二极管的三相桥式整流器的功率圆图(见图3)，图中P和Q都是标幺值形式。从图中可以看出，与无续流二极管整流器相比，在同样有功功率的情况下，有了中性点续流二极管后，无功功率降低得更多。

2 不对称移相控制工作点的确定

对于图1所示电路，传统上采用对称移相控制方式，即上半桥(I组)触发角α1

等于下半桥(II组)触发角α2，或称之为α1=α2控制方式。如果采用α1＞α2控制方式，则称为不对称移相控制。

从物理意义上看，不对称移相控制方式有一组触发角较小，功率因数随之增高; 并且由于两组触发角不同，各自产生不同的谐波族总会有相互抵消的某次谐波分量，不会像对称移相控制那样相同次数谐波总是叠加，所以还可减小谐波分量。

由于触发角π/6是两组半桥的电流连续的分界点，为此我们先根据α1和α2处于分界点前后的组合关系，将移相范围划分为三个区域并绘制功率圆图;然后在功率圆图的基础上根据α1=α2控制时的工作点，按照有功功率不变的原则，推导出α1＞α2控制的工作点，得到相应的α1和α2。

2．1 三个区域的划分及功率圆图

设最小触发角αm=5°，三个区域的划分及其有功功率和无功功率计算分别如下。

根据三个区域有功功率和无功功率公式，可将图3中的功率圆图划分为图4所示的三个区域。

这里有三个边界条件，分别是α1=α2;α1=5π/6，αm＜α2＜5π /6; αm＜α1＜5π/6，α2=αm。图中，每个工作点的坐标为(α1，α2)。

2．2 确定不对称移相控制的工作点

已知电流调节器输出的触发角为α1=α2=α，这时P=p(工作点当前的有功功率)，而希望Q等于一个较小的恒定值q。如果采用α1＞α2控制方式，就应当选择新工作点，使得有功功率P=p不变，无功功率减小为Q=q。如果原工作点和新工作点都在区域III，如图4中的A点和B点，则可按以下步骤计算新工作点的触发角α1和α2。首先，由已知的α1=α2=α的工作点求出当前的有功功率p，根据式(9)有:

计算举例:如图4所示，图中的点A是p=0.4，α1=α2=100．8°的工作点;在p保持不变，q减小为0.8时，新的工作点B的触发角为α1=121.0°，α2=85.6°。采用类似的方法还可以求出在区域II和区域I的新工作点的触发角。

3 工作区间及其分界点

根据电弧炉的工作性质和三个区域的边界，当Q=q(此处取0.8)时，沿着α1=α2的边界有α43，α32，α21和α10四个分界点，它们将α1=α2的边界划分为五个区间(见图4)。由于在这五个区间内需要分别采用不同的控制策略，即采用对称移相还是不对称移相技术以及用不同区域的公式计算触发角α1和α2，因此首先需要确定四个分界点的位置。

(1) 从α1=α2=5π/6到区域Ⅲ的分界点α43电弧炉起弧阶段由α1=α2=5π/6之处开始，在［α1=α2=5π /6，α43］这个区间只能用α1=α2控制方式。相关的工作点为E。根据区域III的式(10)，并根据α1=α2的条件，有

图4中的点E为q=0.8时，从α1=α2=5π/6到区域Ⅲ的分界点，此时α43=106.15°。

(2) 区域III和区域II的分界点α32当电流调节器输出的触发角在区间(α43，α32］时，使用区域III的公式计算α1和α2;当电流调节器输出的触发角在区间(α32，α21］时，使用区域II的公式计算α1和α2。相关的工作点为 F。根据区域III的式(10)有

因为同一个p32对应两个点:F点和α32，所以最后可以根据式(9)和上式计算得到的p32，求出α1=α2时的α32，也就是由

4 结束语

在设计整流器控制系统时，首先根据本文提出的方法计算出不对称移相控制的触发角，做成软件表格，然后控制程序就可利用查表法由电流调节器输出值查表得到新工作点的触发角。在电弧炉控制中，无功功率宜采用较小恒定值，这有利于降低闪变且控制简单。

本文提出的方法能够实现带中性点续流二极管的三相桥式整流器的不对称移相控制，可以为今后改造和生产这种整流器提供参考。

参 考 文 献:

［1］   秦晓平，袁强，韩建明．用Simadyn-D改造宝钢150 t电弧炉整流器控制系统［J］．冶金自动化，2006，30( 1) : 34-37．QIN Xiao-ping，YUAN Qiang，HAN Jian-ming． Remaking of rectifier control system for Baosteel 150 t EAF［J］．Metallurgical Industry Automation，2006，30( 1) : 34-37．

［2］   魏剑平，李华德，钱斌．直流电弧炉新型整流电源研究［J］．电子技术应用，2000，26(3):37-40．

［3］   樊瑾伟，丁海林．新型整流器在八钢70 t直流电弧炉上的应用［J］．新疆钢铁，2001( 2) : 26-30．

［4］   魏利平，周璜．一种新型电源在电弧炉上的应用［J］．河北冶金，2003(3) : 48-51．WEI Li-ping，ZHOU Huang．Application of one new kind of rectification mains on DC electric arc furnace［J］．Heibei Metallurgy，2003( 3) : 48-51．

［5］   樊瑾伟．新型整流器在直流电弧炉上的应用［J］．工业加热，2003(6) : 26-29．FAN Jin-wei．The application of a new type of rectifier to DC arc furnace［J］．Industrial Heating，2003(6) : 26-29．