DSP控制的33000kVA直流矿热炉供电系统研究

发布时间：2020-11-11 22:08

　　 矿热炉是铁合金行业必备的生产设备。采用工频交流供电运行,不但电耗严重、功率因数低,而且三相很难平衡、效率低、生产成本高。采用直流供电,既能降低母线感抗压降,又可提高功率因数,实现节能、高效的目的。因而,目前大容量矿热炉电源正朝着直流方向发展。本论文研究额定容量为33000kVA的直流矿热炉供电系统,该系统由3套额定输出为100kA/175V的12脉波直流电源组成,其在变压器高压交流侧可等效为36脉波整流。由于该电源大电流的输出特点,每台主电路选择整流变压器降压后接晶闸管整流的方案,整流电路为12脉波三相桥式同相逆并联的电路拓扑结构,该方案在扩大输出电流的同时提高了系统功率因数;通过主电路与整流臂结构的合理设计及采用强触发等措施改善了整流臂上并联器件的均流效果,实验结果表明均流系数较目前常用的条形整流臂结构有明显提高;采用了以DSP为核心的全数字化控制单元进行电源的控制、监控和保护等功能。最后,对软件与硬件进行调试与仿真,验证了设计方案的可靠性,结果表明本论文设计的主电路和控制电路都能满足技术要求,均流系数达0.8以上,其运行效果与性能良好。
【学位单位】：西安石油大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TM727.3;TF33
【部分图文】：

8图2-1矿热炉三电极交流供电示意图这种粗放型的供电方式有一个很大的弊端，就是会导致短网部分的阻抗增大。根据矿热炉电源低电压、大电流的运行性质可知，这种供电模式系统的无功功率较大，导致功率因数偏低。根据国家有关规定，系统功率因数低于0.9运行时，将会增加企业的电费负担。除此之外，功率因数偏低还会使得电极的损耗增加，这就会使得企业的生产成本提高，效益受到损失[23]。为了降低功率因数，企业所采取的措施就是无功功率补偿的方法。因此在这种粗放型供电模式下，企业将不得不增加无功功率补偿的设备。2.2.2矿热炉交流电源可采取的主电路方案分析以电网工频经变压器降压后直接向矿热炉负载供电的方案是目前交流矿热炉供电系统广泛采用的方案。在这种方案下，有两种变压器的接线方式，一种是采用一台三相变压器来降低三相交流电压的供电方式。另一种是使用三台规格参数完全相同的单相变压器来降低三相交流电压的供电方式。目前可采用的变压器原副边绕组的接线方式为变压器原边三角形或星形接线方式，变压器副边三角形或星形接线方式，这样的组合共有四种接线方式。其中应用最为广泛的接法为三角形-三角形接法。这种接线方法的典型特点是当矿热炉三相电极出现电流不平衡的情况时，系统中产生的三次谐波会被限制在绕组的三角形接法内，并不会进入到电网对其造成污染，因而这种方法能消除三次谐波对电网的污染[24]。采用的这种粗放型供电模式，因为矿热炉系统工作所需的低电压大电流的工作性质使得矿热炉短网电抗压降很高，导致无功功率很大，功率因数较低，就需承担政府供电部们高额的罚款。除此之外，这种矿热炉供电模式的有功功率较低，损耗较大，产量较低。因此为了解决以上问题，企业就必须使用无功补偿的方法，提高功率因?

率因数低的问题难以解决。同时采用交流供电时因三相电流很难平衡，严重时造成炉内短路，引发设备故障。2.3矿热炉直流供电系统2.3.1矿热炉直流供电原理矿热炉直流供电系统与工频交流供电系统的主要区别就是在变压器与短网之间增加一个整流装置。直流矿热炉供电系统，它的优势在于功率因数高，效率高。由于直流电产生的电弧比交流电产生的电弧更加稳定，所以降低了电极消耗，噪声污染也会减轻。直流供电的另一个优势就是能够节约电能，增加产量，对于铁合金冶炼的技术经济指标有非常显著的改善。矿热炉直流供电系统示意图如图2-2所示[25]。图2-2直流矿热炉供电系统2.3.2矿热炉直流供电优势矿热炉工频供电电耗大、成本高的主要原因是由于感抗压降所带来的无功损耗，由公式：fLIWLIU14.32L×==。当矿热炉容量一定时，短网长度L为定值，如果降低频率f，感抗压降LU便会随之降低，所以将交流供电改为直流供电，因直流电频率为零，所以理论上讲这种改变可令感抗压降LU降为零，使得母线压降仅为电阻压降，可使入炉电压增加8%～20%，大幅度地提高了系统功率因数，将原来低于0.80的功率因数提高至0.95以上，实现了10%～25%的节能效果，这就是矿热炉直流供电系统比交流供电系统更加适用于矿热炉向大容量发展的基本原理[26]。矿热炉采用直流供电还具有以下优势：（1）为了降低注入电网的谐波含量，矿热炉直流电源的整流电路脉波数经常设计为12脉波及以上，因为12脉波可控整流电路输出的直流电压电流的纹波约为500Hz，所占总输出电压电流的比例很低，所以采用这种方式可大幅度降低短网上的电抗压降，从而减少短网上的能量损失，入炉功率得以提高。（2）因为直流电源使用闭环控制的方法，输出的直流电稳定度高于0.5%，因此能产生更加稳定的电弧，系统发

坝湃钡愣员?（1）先饱和电抗器调压再整流变压器二次侧整流管整流的方案因为饱和电抗器拥有能够在带负载的情况下调节电压的特性，所以该方案可应用于大容量矿热炉直流电源行业。在使用过程中，通过调节饱和电抗器的饱和程度来调节整流变压器一次侧的电压，使得整流变压器二次侧电压随之变化，然后整流变压器二次侧再采用整流管整流的方案。这种方案中使用的饱和电抗器具有很多缺点，如因饱和电抗器体积较大必然使得整流柜的体积进一步增大，除此之外，这种方式的调节响应速度较慢并且调节范围较窄、系统效率较低[28]。图2-3先饱和电抗器调压再整流变压器二次侧整流管整流原理框图（2）整流变压器一次降压二次侧晶闸管整流的方案电网输入的交流电首先经由整流变压器降压，再由变压器二次侧晶闸管整流，从而获得直流电。采用这种方案时，整流变压器二次侧直接与整流柜连接，这种连接方式可以最
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本文编号：2879809