為電弧爐提供直流電的改進的電力變換器裝置的製作方法
2023-04-28 11:09:36 2
專利名稱：為電弧爐提供直流電的改進的電力變換器裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種為一個電弧爐提供直流電的改進的電力變換器裝置。
電弧爐被用於熔化和精煉廢金屬。
本發明特別應用於向這樣的負載提供直流電即這些負載的電參數可能變化很大並且頻繁地變化。
圖1示出了為電弧爐供電的最古老的技術。
它需要為電極直接地供給三相交流電第一個降壓變壓器1供電給一組母線2，該組母線2把電流配給一個或多個獨立的可變變壓器3，該變壓器3把電壓降到所需要的電壓等級並且直接地為電爐4供電。電弧爐4包括一個在其底部中容納廢金屬6的爐室5和三個可移動的電極7，每個電極與降壓變壓器3的次級電路的一相連接，以致於在電極7和廢金屬6之間的電弧8被放電使廢金屬6熔化並隨後使其精煉。
圖2和3示出了這樣一種交流電流電弧爐的工作特性，分別表示對各種工作點的電壓(U電弧)/電流(I電弧)的特性和無功功率(Q)/有功功率的特性，其中CC代表短路工作點，F代表對應於廢金屬熔化的範圍和A代表對應於廢金屬精煉的範圍。
能夠看到這種交流電流供電電弧爐實際上供給恆定的功率(△P是很低的)，但是在無功功率(△Q)和電流(△I)中易發生大的變化，因此它實際上在包括短路狀態之內的恆定有功功率上工作。尤其是，在無功功率中大的變化能夠引起供電系統上大的電壓波動，使電的幹擾加到了供電系統中，特別是在「閃爍」的形式中，也就是在0-30Hz頻帶中的電壓波動能使光閃爍。
幾年來有一種通過在降壓變壓器和電極之間加入一個AC/DC變換器以便用直流電源代替交流電源的趨勢。
直流電源具有從所有其它優點中得到的兩個主要的優點，即一電弧的正極是廢金屬本身，無論是固體或是熔液，可移動電極(它可以是一個或多個)構成負極。由於沿著電弧的能量消耗是非線性的並在正極側消耗的能量更大，所以使廢金屬比電極加的更熱。
一通過變換器限制了由於電弧短路引起的衝擊電流，這種衝擊電流在起動和廢金屬的熔化期間非常頻繁地發生。
它導致了減少電極的損耗，減少了反饋到電源的電幹擾，特別是閃爍，以及改進了電弧爐的效率。
到目前為止所使用的直流變換器是在圖4中所示的一般的形式。
降壓變壓器的初級繞組9供電給一個或多個次級繞組10，11，每個次級繞組分別地與常規的使用可控矽的「Graetz橋」整流器12連接。每個整流橋的一個輸出端與一個公共可移動電極7相連接，而其它的端通常藉助於一個平滑電感器13分別連接到與金屬6直接接觸的爐底電極14上。
在其它圖中所示的Graetz整流橋在圖5中被詳細的示出的。
這種整流橋包括兩組15、16可控矽，其中每3個可控矽為一組分別連接成具有一個公用陽極和一個公用陰極的「雙並聯」(或「全波三相」)的方式，並且用其它的極連接成同樣的(星形或三角形)多相電極系統;每組可控矽15、16用一個各自公用的觸發角α1或α2來觸發。
為了限制被加到電源系統中的諧波，通常使用多個六脈衝Graetz橋，每個整流橋由被移相的次級繞組來供電。圖4示出了兩個次級繞組10、11供電給兩個Graetz橋，這兩個次級繞組10、11通過一個星形一三角形連接被移相了30°，但是這種方法能夠推廣為三個Graetz橋(利用移相-20°、0°、+20°)、四個Graetz橋(利用移相0°、+15°、+30°和45°)，等等，每個Graetz橋構成了一個簡單六脈衝變換器。
雖然本說明書的剩餘部分僅考慮到一個具有兩個整流橋的系統，例如兩個Graetz橋，但是可以理解本發明能夠推廣為由移相的次級繞組供電的任意多個整流器的系統。
圖6和7是在一個直流裝置供電的情況下類似於圖2和3的特性圖。
從圖中能夠看到該裝置以恆定電流但具有一個可廣泛變化的有功功率來工作，它不同於交流電流裝置。在無功功率Q中具有較小但仍然值得注意的變化。平均來說，無功的能量損耗仍然是高的，它通常包括有一個用於降低變壓器的負載調節器17和一個相對大的補償器組18。在這方面直流裝置與一個交流裝置相比較沒有得到任何顯著的改進。
由於在輸入側(在供電系統上)較小的電壓被動和減小了閃爍，從一個工作區到另一個工作區的無功功率變化(△Q)仍然是小於在一個交流電源情況中無功功率的變化。然而在電源不是額定的情況下，與無功功率損耗成正比而與電源短路功率成反比的這些電壓變化經常保持過大，特別是由於閃爍，並且需要使用非常昂貴的校正裝置(「抗閃爍」裝置或可控矽控制電抗器-TCRs)，正如對於大多數交流電流的解決辦法。
考慮到瞬時無功損耗，然而注意非常顯著低的直流電流值，通過變換器的電流調節通常很快的能夠把短路衝擊電流限制一個實際上可忽略計的值。
本發明的一個目的是通過提出一個新的直流變換器裝置來補救交流解決方法和直流解決方法的各自缺陷，該裝置能夠顯著地減少無功損耗和顯著地改進供給直流電弧的電壓/電流特性，同時通過簡化降壓變壓器(不再需要負載調節器)能夠減小整個變換器的費用並且能夠顯著地減小補償器組的尺寸，典型地可減少一半。
在下面將要說明本發明的直流變換器能夠在實際上恆定的有功功率上工作，正如在用交流直接供電給一個電弧爐的情況中一樣，但是它具有低的無功損耗並且變換器或相關的變壓器沒有任何增加。
同樣被證明根據本發明的教導，用一種非常圖簡單的方式能夠影響無功功率/有功功率(Q/P)的特性，以便根據電弧爐有使用範圍確定它的最侍特性。
例如對於一個給定的工作點能夠得到一個使無功損耗達到最小的特性，或另一方面能夠得到一個在無功功率的平均值上使其變化達到最小的特性，特別是在低功率額定電源的情況下，從效率(將加入到電源系統的幹擾減到最小)的觀點和安裝(通過消除「抗閃爍」裝置)費用這兩個方面來看，減少閃爍是一個主要的必不可少的措施。
同樣地能夠選擇電弧爐的工作特性，這樣以致於無功功率損耗實際上保持恆定而不管任何電流變化，特別是即使在負載阻抗中有變化。
本發明在於一個用於把直流電供給一個電弧爐的功率變換器裝置，它包括至少一個變壓器，該變壓器具有由一個三相交流電供電的初級繞組和至少一個把三相交流電供給整流器裝置的初級繞組，整流器裝置為負載提供一個被整流的電壓和電流，對於每個次級繞組所述整流器裝置是由可控的半導體組成的型式，其中整流器裝置包括一個續流電路，所述可控的半導體由實際上可變的觸發角來觸發，通過改變觸發角能夠增加在續流電路中導通的時間同時減小在被觸發半導體中的導通時間，反之亦然，以便傳送給負載一個實際上恆定的有功功率或無功功率而不管在負載的阻抗中的變化。
續流電路最好是一個二極體以致於變換器裝置變成不可逆的。
非常有利的是變壓器包括至少兩個次級繞組，由這些次級繞組供電的各個整流器裝置在一種「偏移」(offset)的結構中相互聯繫起來，並且各自具有不同的觸發角。
在這種多個次級繞組的情況下，在本發明的第一個實施中對於一個給定的工作點來選擇觸發角以便使無功功率損耗減致最小，因此在一個整個工作周期上產生的平均值是最小的。
在本發明的第二種實施例中，在另一方面相對於一個給定的整流電流來選擇觸發角以便使無功功率在其平均值上的變化減至最小值，特別是以閃爍的形式的變化為最小。
此外，能夠有利地選擇觸發角以致於即使被整流的電流有變化，無功功率損耗的平均值仍然是恆定的。
在本發明的一種有利的實施便中偏移是一種「並聯偏移」，因此最好設置用於周期地改變相應的兩個整流器裝置的偏移的方向和/或用於調整相應的兩個整流器裝置的電流以便使它們變得相等的裝置。
在本發明的一種優選的實施中，所述整流裝置的可控半導體相對於每個次級繞組構成一個Graetz橋，所述整流橋的一個輸出端與負載的一個負電極連接，例如作為電弧爐的一個可移動電極，而另一個輸出端與一個相應的正電極連接，例如一個底部或底層電極，在變壓器的各個次級繞組的輸出端和相對應的Graetz橋之間插入續流電路。
如上所述的多個整流器裝置能夠組合成一個通用的組件，該組件由相對應的變壓器供給具有一個移相的電源。
本發明的其它特徵和優點將通過結合附圖的詳細說明來得到，在附圖中相同的參考符號總是代表類似的部件。
圖1是現有技術中把交流電直接供給電弧爐的結構圖，它已經被描述了。
圖2和3分別示出了現有技術中用交流電直接供電的電弧爐的電壓/電流特性和無功功率/有功功率特性，它們已經被描述了。
圖4是現有技術中通過變換器把直流電供給電弧爐的結構圖，它已經被描述了。
圖5更詳細地示出了已知的一種Graetz橋的結構圖。
圖6和7分別示出了現有技術中用直流電供電給電弧爐的電壓/電流特性和無功功率/有功功率特性，它們已經被描述。
圖8是表示通過根據本發明的一個變換器為電弧爐提供直流電的結構圖。
圖9和10示出了用於把多個完全相同的變換器相結合併具有相關移相的已知結構。
圖12和13分別示出了根據本發明的由一個變換器為電弧爐提供直流電的電壓/電流特性和無功功率/有功功率特性，在圖13的下面示出了調整Graetz橋觸發角的變化的規律。
圖14示出了通過適當選擇觸發角的變化規律能夠得到的各種各樣的無功功率/有功功率特性，它們能使電弧爐的工作適合於不同的使用範圍。
圖15示出了假設整流電流隨著負載的阻抗減小而變化所得到的無功功率/有功功率的曲線族。
本發明的根本目的是把一個常規的可控矽變換器結合一個續流裝置並且提供一種與恆定有功功率相關的控制規律，該恆定有功功率與電弧的特性(改進電弧爐的效率)和變換器固有的能力相匹配。
一個續流裝置是現有的裝置，該裝置在一個方向上導通而在另一個方向上不導道，該續流裝置能夠使在變換器的可控矽導通期間存儲在感應元件中的能量在該導通周期之後的不導通過周期期間流入到負載中。
用在本發明中的續流裝置是這樣的型式，即它允許主要可控矽的導通的周期比變化(根據觸發角)，在續流裝置中的導通時間隨著在主要可控矽元件中的導通時間的減小而增大。
在本發明使用了這種型式的續流裝置，即當直流電壓減少時增加直流電流的幅值(反之亦然)，用一種相關方式增加可控矽元件的觸發角和減小可控矽元件的導通周期比。這就實現了在實際上恆定的有功功率上工作而使可控矽或變壓器不超過額定值。
在本例子中涉及一個電弧爐，續流裝置最好為圖8中的19，它包括位於變壓器的次級繞組10的中心點和Graetz橋的每個輸出端之間的二極體20，該二極體20在與Graetz橋的二極體中電流流動的方向極反的方向明顯地被偏壓。
對於續流裝置使用二極體而不使用可控矽元件能使變換器不可逆。
這初看起來好像是個缺點，但是在實際的應用中它實際上是一個顯著的優點。
在常規的Graetz橋中變換器是一種「二象限可逆」變換器(單向直流電流，雙向直流電壓);它便於即使一個電弧短路也能有效進行電流調整，使衝擊電流減小到一個可忽略的值;這對於供電確實是優點，但是對於電弧短路並不是優點，由於短路使廢金屬熔化的結果它需要儘可能快的消滅(在使用交流電流直接供電的辦法中，在一個電弧短路之後的衝擊電流使廢金屬快速的被熔化，但是它是以構成一個沿重代價的無功功率峰值為代價的)。
通過使變換器變得不可逆，本發明使下面兩個方面相一致在一個電弧短路的時候，由於變換器的不可逆特性因為短路衝擊電流使廢金屬快速熔化，由於上述衝擊電流僅僅流過續流二極體。所以在電源系統中不產生任何無功功率峰值。為了減少電極損耗，最好是這個衝擊電流能夠被控制和被優選來適合電極的固有特性。
根據本發明的另一個方面，設置變壓器的多個次級繞組是有利的，例如次級繞組10和11，它們組合成為一種所謂的「偏移」結構，特別是一種「並聯偏移」結構。把續流和偏移作用結合起來能夠非常顯著地減少無功損耗。
更確切地說，本身已知的並在圖9至11中所示的偏移技術在於把至少兩個相同結構的變換器結合起來並且以這樣的方法區別它們的觸發控制，即對無功損耗起作用;詞「偏移控制」或「連續控制」被使用。這種技術在兩個整流橋的直流側上通常使用一種串聯組合，如在圖9中所示(所謂的「串聯偏移」電路)。
在本例子中，供給電弧的直流電壓與大功率可控矽元件的額定電壓值相比是相對低的，一個「串聯偏移」電路能利用低劣工藝的可控矽元件。一個「並聯偏移」型電路是更可取的，這種電路的兩種變形在科10和11中示出了。
在圖10和11所示的「並聯偏移」電路中，兩個Graetz橋被組合起來，實際上每個包括了兩個偏移半橋，並由此產生偶次諧波(不同於常規的Graetz橋)，但定用跨接在兩個整流橋上的內部偏移能在輸出端上消除偶次諧波。
然而，如在圖10或11中所示的一種常規的「並聯偏移」電路(和設有續流裝置的電路)具有產生可控矽元件的「再整流」的危險的嚴重缺陷，特別是接近一個零直流電壓。為了限制這個危險，直到現在還需要限制觸發角的偏移範圍，嚴重地減了無功功率的增益。
由本發明提出的把偏移和一個續流裝置結合起來的明顯的優點是由於設置了續流裝置能夠完全地消除這種再整流的危險，按照上面的說明，它能使用於主要可控矽元件的導通周期比為可變的。因此能得到累加無功功率增益的所有好處，並能非常安全地工作。
圖8示出所建議的具有「二極體中性的」(diode neutral)續流裝置和「並聯偏移」(paralleloffset)結構的一個完整的電路。
在本發明的第一個實施例中，一個適當的控制規律始終將無功功率損耗Q減至最小值(即對於一個規定的工作點)，並且也將無功能量減到最小值。它代表對於參數優化的最先優先權有助於減小平均無功功率的一種情況。
控制調整參數α1和α2以便獲得一個最大偏移，也就是｜α1-α2｜的最大值。其它的調整(因為兩個參數α1和α2能夠被分別地控制)可調整負載直流電流(或有功功率)。
圖12和13示出了在第一種實施例的情況下(最小平均無功功率損耗)用圖8所示電路得到的工作特性。
圖12示出了電壓/電流特性，它非常類似於用交流電直接供電所得到的特性圖，也就是在恆定的功率上工作(陰影部分表示與一個常規型DC變換器相比較時的改進特性。)。
圖13示出了對於一個規定的工作點，也就是相對於一個恆定的電弧直流電流Iarc(或整流電流Id)和一個可變的電弧等效電阻的無功功率/有功功率特性曲線。
這個特性曲線表示無功功率損耗始終大約小於三分一的最大有功功率，比起現有技術中無論電流是交流電還是直流來它構成了一個很大的改進(與圖3和7相比);圖13的下部分給出了決定觸發角α1和α2變化的規律為功率傳送的一個函數。
藉助於這種電路由本發明所獲得的優點是非常顯著的，即-消除了變換器的變壓器調節器(接道負載或切斷負載)，
-非常顯著的減少了功率補償濾波器組(大約一半)，-在工作時間和數量方面顯著地改進了效率，-減小了在電源系統上電壓的波動，-減小了閃爍，-減小了變換器的換耗，-減小了由變換器產生的諧波和高頻幹擾。
獲得這些優點的唯一適應方法是附加一個二極體續流裝置和在變換器的輸出側上連接適當的負荷(平滑電感器、電纜、電極)以便於適應由本發明所允許衝擊電流。在實際中也減小了電弧爐的投資費用。
在本發明的第二種實施例中，選擇控制規律，也就是控制觸發角α1和α2的變化為被傳送的功率的一個函數的規律，將有利於不減小平均的無功損耗，如上所述，但是減少無功功率在其平均值上的波動和減少閃爍是以稍微增加平均無功功率損耗為代價而實現的。
這樣實現了一種適合控制有功功率而消耗恆定無功功率的變換器，所消耗的恆定無功功率能夠由簡單的一組固定電容器來補償(如在圖4中18所示的型式)，因此避免任何昂貴的「TCR」式「抗閃爍」裝置，甚至用很弱的電源。
更確切地說，在該第二種實施例中，相對於不故意使偏移｜α1-α2｜達到最大值，它保留了圖8的基本電路(也就是一個Graetz橋和偏移續流電路)並具有對於參數α1和α2的控制規律，它不同於上述的情況。
圖14示出了對於一個規定的工作點，也就是對於一個恆定的電弧電流Iarc(或整流電流Id)和一個可變等效電阻的無功功率Q/有功功率P特性曲線。在該圖中-特性Ⅰ對應於一個沒有續流裝置和沒有偏移的常規變換器(也就是圖7中的特性);
-特性Ⅱ對應於具有續流裝置但沒有偏移的電路，也就是圖8的電路，但是α1＝α2;和-特性Ⅲ對應於同樣的電路並且具有最大的偏移，也就是最大的｜α1-α2｜(圖13的特性)。
在一個零偏移和最大偏移之間能夠得到大量的不同特性，它們都位於特性Ⅱ和Ⅲ之間的陰影區之內。
更確切地說，這些特性曲下列等式來確定 P是有功功率，Q是無功功率，R是電弧等效電阻，Id是整流電流，Ed是負載上的整流電壓，Edo是對於一個零偏移設有負載的整流電流。
fp，fq是觸發角的函數。
因此對於一個規定的工作點、也就是給定R和Id，就能確定P，但是在定的範圍Q是變化的。
例如對應於特性Ⅳ，或在陰影區內任何其它特性也可以保持Q恆定。因此確定了Id，P和Q可以其中直接推導出α1和α2。
如上所述假定當電弧等效電阻減小時，通過增加電流Id能夠達到維持有功功率恆定的目的，反之亦然，由於工作點的移動，因此便在該圖上的特性也移動。
現在假設對於一個給定恆定電流的工作點，在兩個未知量的情況中來求解該系統的兩個方程式得到類似於圖14中的特性V的一個特性，也就是一個單調增加的函數Q＝f(P)。在這種情況下，當電流Id變化時，特性V以圖15中所以的方式移動，因此每對應於一個給定的工作點(電流Id)限定了一簇特性。此外能夠選擇一種單調減小的變化規律Id＝f(R)，以致於不管Id怎麼變化能保持Q恆定。
在這種情況下，該變換器在所有的工作範圍內(或至少主要部分上)實際上具有恆定的無功功率Q和有功功率P。
所描述的基本電路可以進行各種各樣的改進。
首先，為了平衡半導體元件的發熱和減小產生對變壓器的電磁感應有害的直流分量的危險，它能夠有利地提供周期地改變兩個整流橋的偏移方向(α1+α2用於一個方向，而α2+α1用於另一個方向)。
根據半導體元件的恆定熱期限和對於變壓器的可容許的最大值流分量，能夠計算出這種周期變換的周期。至於在這個周期內變換偏移的時間，在交流側或直漢側必須選擇使產生開關過渡過程的幅值變得最小，因為這個過渡過程在量值上不能夠大於由電弧的固有波動所產生的過渡過程。
其次，能夠成對地進行電流調整，也就是能夠保證在兩個並聯的Graetz橋的每個橋中分別地進行電流調整，並且最好同時調整兩個電流的和且使它們相等(所謂的「多變量交叉」(multirariable diagonal)調整)。
如果在兩個整流橋之間存在任何不平衡，那麼就存在有未完全補償的偶次諧波，並且它能有必要限制這種不平衡(α1-α1和α2-α2的限制)，以便把偶次諧波限制到一個可接受的等級上。如果兩個Graetz橋沒有被完全地並聯連接，特別是如果這種連接不是在平滑電感器的輸出側的端上而是在兩個底部或底層電極上、被認為是「根部」(heel)連接，那麼能夠出現這種危險。
最後，如在圖9中所示，能夠把多個相同型式的部件組合起來並且藉助於一個移相變壓器來供電，以便減小諧波。變壓器的移相最好在它們的初級繞組進行，例如用「三角Z形」或「三角中間抽頭」型繞組。
權利要求
1.用於為電弧爐提供直流電的電力變換器裝置，它包括至少一個變壓器，該變壓器具有由三相交流電供電的初級繞組和至少一個次級繞組，該次級繞組將三相交流電供給整流器裝置，該整流器裝置為負載提供一個整流電壓和電流；所述的整流器裝置包括相對於每個次級繞組的可控半導體，其中所述整流器裝置包括一個續流電路，所述可控半導體由實際上可變的觸發角來觸發，通過改變觸發角來增加續流電路中導通的時間同時減小可控半導體的導通時間，反之亦然，以便於為負載提供實際上恆定的有功功率或無功功率而不管負載阻抗的變化。
2.根據權利要求1所述的變換器裝置，其特徵是，所述續流電路是一個二極體電路從而所述變換器裝置是不可逆的。
3.根據權利要求1所述的變換器裝置，其特徵是所述變壓器包括至少兩個次級繞組，並且由所述次級繞組供電的各個整流器裝置被結合成一種「偏移」結構，它們具有各自不同的觸發角。
4.根據權利要求3所述的變換器裝置，其特徵是對於一個給定的工作點來選擇所述的觸發角以便於使無功功率損耗達到最小值，此外在一個工作周期上的平均值也是最小的。
5.根據權利要求3所述的變換器裝置，其特徵是對於一個給定的整流電流來選擇所述觸發角以便於使無功功率在其平均值上的變化達到最小，特別是以閃爍形式的變化減至最小。
6.根據權利要求3所述的變換器裝置，其特徵是選擇所述的觸發角以致於即使整流電流變化，平均無功功率損耗實際上仍然是恆定的。
7.根據權利要求3所述的變換器裝置，其特徵是所述整流器裝置被結合成一種「並聯偏移」電路。
8.根據權利要求3所述的變換器裝置，還包括周期地改變各個整流器裝置的偏移方向的裝置。
9.根據權利要求3所述的變換器裝置，還包括用於調整各個整流器裝置的電流以便於使它們實際上變為相等的裝置。
10.根據權利要求1所述的變換器裝置，其特徵是所述整流器裝置的可控半導體對於每個次級繞組是一種Graetz橋的形式，所述橋的一個輸出端與負載的負電極連接、比如電弧爐的一個可移動電極，而另一個輸出端與一個相應的正電極連接，比如一個底部或爐底層電極，續流電路位於變壓器的各個次級繞組的輸出端和對應的Graetz橋之間。
11.電力變換器系統，包括多個整流器裝置，這些整流器裝置由它們各自的變壓器供給具有移相的電源，並且在該系統中每個整流器裝置包括至少一個變壓器，該變壓器具有由三相交流電供電的級繞組和至少一個次級繞組，該次級繞組將三相交流電供給整流器裝置;該整流器裝置為負載提供一個整流電壓和電流，所述整流器裝置包括相對於每個次級繞組的可控半導體，其中所述整流器裝置包括一個續流電路，所述可控半導體由實際上可變的觸發角來觸發，通過改變觸發角來增加續流電路中的導通時間同時減小可控半導體中的導通時間，反之亦然，以便於為負載提供實際上恆定的有功功率或無功功率而不管負載阻抗的變化。
全文摘要
一種為電弧爐提供直流電的電力變換器裝置，它包括至少一個變壓器，該變壓器其有由一個三相交流電供電的初線繞組和至少一個次級繞組，該次級繞組為一個整流器系統提供交流電，而該整流器系統為負載提供一個整流電壓和電流。該整流器系統包括相對於每個次級繞組的可控半導體和一個續流電路。用實際上可變的觸發角來觸發可控半導體，通過改變觸發角來增加續流電路中的導通時間同時減小可控半導體中的導通時間，反之亦然，以便於為負載提供一個實際上恆定的有功功率或無功功率而不管負載阻抗中的變化。
文檔編號H05B7/18GK1100241SQ9410693
公開日1995年3月15日 申請日期1994年4月29日 優先權日1993年4月30日
發明者雅克·杜·帕斯, 克里斯多福·格利斯基, 米歇爾·沃斯泰森 申請人:塞格勒克金屬系統公司