大容量礦熱爐直流電源設計的幾個關鍵問題

礦熱爐是鐵合金行業冶煉硅鐵、鎳鐵、鉻鐵、電石的必備設備，據不完全統計，全國有各種礦熱爐3萬多臺。長期以來，國內礦熱爐大多采用交流供電方式，導致功率因數低、電網三相很難控制平衡、效率低、運行成本高等問題一直無法解決。相比之下直流電源擁有更大的優勢，如:直流電源可消除電抗壓降、集膚效應、電極間干擾效應等問題，并且運行損耗低、電效率高。因此目前大容量礦熱爐電源正朝著直流供電方向發展。文中探討了大容量礦熱爐直流電源設計的幾個關鍵性問題，包括主電路拓撲結構選用，均流系數優化，監控系統設計與功率因數提高等探索性問題。
主電路拓撲結構選用

大電流輸出需要使用并聯器件以達到運行要求。隨著并聯器件數量的增加，出現的是均流系數低的問題。因此，選用適當的主電路拓撲結構以擴大系統輸出電流，達到減少并聯器件數，優化均流系數，防止器件損壞的目的顯得尤為重要。

可控整流電路的最基本單元為三相橋式和雙反星形整流電路。單從輸出電流的大小考慮，在并聯相同數量及容量的電力電子器件前提下，雙反星形整流電路的輸出電流是三相橋式整流電路的2倍。但在同樣輸出電壓電流情況下，三相橋式整流電路的整流變壓器裝機容量要低于雙反星形21%，同時整流器件所承受的反向電壓為雙反星形的一半，變壓器繞組利用率比雙反星形高一倍。因此，綜合考慮，若輸出電壓較高，三相橋式整流電路擁有較大優勢。由于礦熱爐電源運行時電流達40~150kA，為了滿足輸出電流需求，同時降低電磁干擾，可用三相橋式同相逆并聯結構與雙反星形同相逆并聯結構。這兩種結構與前兩種結構相比，擴大了2倍輸出電流并降低了電磁干擾。然而這種結構很難滿足大容量礦熱爐電源超過100kA的輸出電流要求。為進一步擴大輸出電流，降低諧波含量，提高系統功率因數，可選12脈波雙反星形同相逆并聯結構與12脈波三相橋式同相逆并聯結構。12脈波三相橋式同相逆并聯結構的典型特點是:輸出電流大、諧波含量少、電磁干擾小、繞組利用率高、無需使用平衡電抗器等。因此在大容量礦熱爐直流電源中，選用脈波數為12脈波及以上的三相橋式同相逆并聯結構較為合適。
由于電力電子器件在材料及制作工藝上的不同，其性能指標也有所不同。晶閘管適合應用于超大功率且工作頻率較低的場合，一方面是由于晶閘管額定參數高、控制簡單、技術成熟;另一方面是由于晶閘管具有較高的浪涌耐受能力、較高的電流參數和良好的耐過流能力，可以較好地滿足運行需求。因此選擇晶閘管作為電路的主功率器件。
綜上所述，若以175V/100kA礦熱爐直流電源為例，主電路采用以晶閘管為主功率器件的12脈波三相橋式同相逆并聯結構。主電路原理圖如圖1所示。
主電路原理
采用上述主電路結構，選用型號為KPC-1200V/5500A的晶閘管，則單個整流臂需要并聯晶閘管的個數np計算如下:

（1)式中，IA(AV)為整流臂的平均電流(A)，選用12脈波同相逆并聯結構則為8.3kA;IT(AV)為器件的額定正向平均電流(A)，文中選用的晶閘管為5500A;KAI為電流安全裕量，文中取其值為3;KI為同一個整流臂上并聯元件的均流系數，文中取其值為0.92;KF為不同整流臂之間的均流系數，文中取其值為0.92。
因而由式得:np=5.4。
即每個整流臂并聯6只晶閘管。
均流系數的優化

在大容量礦熱爐直流供電電源中，不得不采用多個器件并聯的措施以承擔較大的整流臂電流。即使通過上述主電路拓撲結構將175V/100kA直流電源的每個整流臂所需并聯晶閘管個數降至6個，仍存在嚴重的均流問題。在多個器件并聯的整流臂中，若均流系數過低，會出現某些器件未導通，某些器件過流的情況。嚴重時燒壞器件，從而使得整流臂中其它支路過流，導致整個整流臂器件損壞。為解決該問題,以下提出幾點優化均流系數的措施。

(1)采用合適的整流臂結構
一般電力電子器件進入穩態正向導通后其通態壓降很低,相應的通態電阻很小。若并聯支路母線的配置不合理,則電路自感及互感的差異就會造成電流分配的不均衡。因此在工作電流較大的情況下，由于支路磁場及阻抗差異的影響，位于不同位置的器件導通時，流過的電流值不同，且與引出母線的位置有關。目前多以母線上進下出(或下進上出)式的條形整流臂結構為主流，但實驗證明,這種結構在并聯器件數大于4的情況下，均流系數較低。
為了得到較好的均流效果，將整流臂改為其他結構，使得整流臂中的每個晶閘管從交流進線到直流輸出的路徑完全一樣，且流過每個晶閘管的電流相互解耦，可解決因各元器件到正負母線路徑不同，導致的各并聯支路阻抗與磁場存在差異，所引發的各支路電流分配不均勻的問題。該種整流臂結構可將各整流臂的均流效果較常用的直條結構有明顯改善，可以做到理論上的絕對均流。
(2)采用強觸發
當多個晶閘管并聯時,需保證各并聯的晶閘管觸發脈沖具有較陡的前沿，避免因晶閘管觸發特性的差異導致并聯的晶閘管不能同時開通所引發的均流問題。常規的脈沖變壓器很難滿足這些要求，圖2給出了實現這一要求的強觸發隔離放大電路，TLP251為高速光耦合器，高速光耦合器的輸出電流為反向電流，因而在電路中設有通過555的電流反向環節。MOS管T1用來增大輸出負載能力，并減小輸出阻抗。發光二極管VL1用來指示脈沖正常與否。

單路脈沖強觸發輸出電路
(3)對參數相近的晶閘管進行分組
因晶閘管本身的參數差異使得整流臂的并聯支路阻抗不同所導致的均流問題。通過對晶閘管的合理選擇，使得并聯的晶閘管各項參數相近，從而減小因器件參數差異所帶來的均流系數低的問題。
(4)裝配過程中減少人為因素
由于大電流整流臂常采用平板式結構，在裝配時的安裝壓力會影響器件的接觸電阻,尤其是壓接式的平板器件，安裝壓力影響該器件的導通壓降，從而影響均流效果。為此，在裝配過程中應確保各并聯器件的安裝壓力一致，如使用力矩扳手確保元器件的緊固壓力一致。此外，在安裝壓力基本一致的情況下，可通過微調整流臂各器件的緊固壓力改善均流狀態。
監控系統的設計

主電路采用12脈波5相橋式同相逆并聯的電路結構，若每個整流臂所并聯的器件數為6個，則一套電源共使用144個快速熔斷器。除此之外，每套電源共有母排溫度檢測信號24個，其他控制量和報督開關量數量繁多，結構復雜，體積大，維修和維護十分不便，所以對該電源系統進行實時監控設計十分必要與困難。

電源監控總體原理圖如圖3所示。該系統以PLCS7-200SMARTCPUSR60作為主要控制單元，WinCC7.3作為上位機組態軟件。實現系統的故障檢測、與報警等功能。

電源監控總體原理圖
因大容量礦熱爐直流電源使用的快速熔斷器數量過多，在判斷快速熔斷器報警時若采用矩陣排列的方式,可很大程度的節省對PLC輸入輸出口的占用量，使PLC以較高的效率運行。矩陣排列的實現方式為:先定義列報警和行報警，列報警是將同一個母排的快速熔斷器常閉點串聯起來，行報警是將并聯的同一排快速熔斷器常開點串聯起來，這樣就組成了一個有行有列的矩陣，當有故障發生時，通過矩陣編號就可確定出快速熔斷器故障的位置。
PLC編程軟件選用STEP7-Micro/WINSMART,通過簡明的程序設計，完成對系統的實時監控。PLC主程序流程圖如圖4所示。
功率因數的提高

絕大多數的礦熱爐電源自然功率因數都在0.7~0.8之間，較低的功率因數不僅使變壓器的效率下降，消耗大量的無用功，而且還會被電力部門加收額外的電力罰款。在這種低效率的情況下，如何提高礦熱爐電源的功率因數顯得尤為重要。

由于直流電頻率為零，將交流供電改為直流供電，理論上可以將感抗壓降降為零，使得母線壓降僅為導線電阻壓降。與交流電相比可以增加入爐電壓8%~20%，大幅的提高功率因數，從原來的0.7~0.8提高到0.9左右，實現節能10%~15%。因而大容量礦熱爐電源若采用直流供電，則不需要專門的功率因數補償設備，節省了占地空間和費用。
除此之外，整流電路所產生的諧波也會使得礦熱爐供電系統的功率因數偏低。主電路采用脈波數為12脈波及以上整流結構可消除部分諧波，提高功率因數。又因礦熱爐爐工藝過程較為復雜，對應不同的工作段，要求輸出穩定運行的電流與電壓值不同。若僅通過改變晶閘管控制角調壓調流,那么當控制角較大時，會產生大量諧波，功率因數偏低。這就決定了對其功率因數補償環節要采取變化的參數與結構。對于提高系統的功率因數提出了如下方法：在變壓器一次側增加有載調壓環節,設置有6個檔位，通過調整整流變壓器的檔位達到降低控制角的目的。當晶閘管控制角過高時，降低整流變壓器開關檔位，使得整流變器閥側電壓降低，由P1調節控制電路的作用，使控制角降低，維持電流穩定的同時提高系統功率因數。
結束語
通過對可選用的整流電路結構分析，大容量礦熱爐直流電源應選用脈波數為12脈波及以上的相橋式同相逆并聯結構。對整流臂空間布局的優化與采用強觸發和對參數相近的晶閘管進行分組裝配等方法,解決了由回路阯抗和磁場差異以及晶閘管觸發特性不同與通態壓降等差異帶來的均流系數低的問題，提高了設備可靠性。介紹的PLC監控系統應用矩陣式軟件編程方法，使需要的硬件配置要求得以降低，從而高效的對電源系統進行監控。采用直流供電，同時通過變壓器檔位調節降低晶閘管的控制角，以此降低諧波，達到提高功率因數，節約成本的目的。