电源调压论文：电源及调压模式的选择透析

作者：秦德良 罗佳 周小龙 秦晓平 单位：江苏沙钢集团有限公司 中国钢研上海金自天正信息技术有限公司

对电网平衡有利;由于中性点在渣池和熔池中，所以熔池热效率高，电耗低;钢锭品质好，并且电极成分还可以有互补熔炼的作用。主要缺点是:充填比低，不适合小截面钢锭;另外，炉架结构过于复杂，更换电极困难。这种电源主要适合于熔炼断面为Ф600mm以上钢锭的电渣重熔炉。T型变压器电源T型变压器［2］用于将三相交流电源变成2组单相电源，这样可以做到电网平衡，这对于大功率的电渣重熔炉具有重要意义。T型变压器电源的原理是把2台特殊设计的单相变压器(主变压器和T型变压器)通过接线组合起来，对于原边来说，等效于1个三相变压器，对于副边来说，等效于2个单相电源。在实际制造时，采用3柱铁芯，将中间柱作为共用铁芯，把T型变压器和主变压器的原、副边绕组分别置于两个边柱上。这样就把2个单相变压器制成一体的变压器。这种变压器的接线图和相量式中，UAD为原边A，D端电压;UBC为原边B，C端电压;Uad为副边a，d端电压;Ubc为副边b，c端电压;kM，kT分别为主变压器和T型变压器的变比。设计T型变压器的原则是:原边线圈BC的匝数需对应于电源的线电压，中间引出抽头。线圈AD的匝数是BC匝数的0．866倍。

副边线圈的匝数按各自单相变压器的变比计算。当两个副边的负载R1和R2相同时，原边的三相电流是平衡的。需要注意的是副边两组电压相量呈垂直方向。对于双极串联的电渣重熔炉，应当把两个副边绕组的一端出线各自接到两个电极上，另一端都接到底水箱上，这是因为两个电极之间存在着1.41倍的副边电压，除了每个电极与底水箱之间流过电流之外，两个电极之间也有电流通过。这种接法最适用于熔炼较大的方坯和板坯。T型变压器接法的主要优点是:熔池的热效率高，钢锭品质的可控性优于单相双极电源。缺点是:变压器设计复杂(价格并不昂贵)，实际容量和型式容量相差14%(这点对于双极电渣重熔炉无碍);如果两组副变压器绕组电流不平衡，将引起原边三相电流的不平衡。晶闸管低频电源晶闸管低频电源是利用晶闸管整流器把三相电源变成低频单相电源，电网完全平衡，适合于不宜使用单相电源的大吨位单极电渣重熔炉。低频电源由于电流很大，需要将晶闸管并联使用，在要求副边电流30kA的情况下，起码需要10只晶闸管并联使用，而且必须采用水冷方式。由于电渣重熔炉的电压低、电流大(和直流电弧炉相当)，所以晶闸管低频电源的接线方式不能采用普通的桥式电路，而必须采用双反星形电路。这是因为双反星形电路属于三相零式电路的并联，相对于三相桥式电路，使用同样数量的晶闸管，可以提供2倍的电流。加之电流通道的晶闸管数量由2只减少到1只，按1V管压降考虑，30kA电流的损耗将减小一半，折算到吨钢电耗可以节省约30kW•h左右。双反星形的晶闸管低频电源原理。双反星形的电源输出侧必须有平波电抗器。加到电抗器上的电压频率为3倍工频，电抗器上的电压峰值为相电压的槡2/2倍，这个电压的有效值为相电压的40.8%。电抗器流过的电流为Id/2，由此可以求得电抗器的电感值。这个电抗器需要水冷。也有把电抗器装在变压器内部，即所谓的五柱变压器。晶闸管触发规律与三相可逆桥式电路相同。晶闸管的控制方式应采用电流闭环技术，电流的设定值来自于基础自动化的PLC装置。双极串联型的电渣重熔炉需要2套双反星形低频电源，分别接到各自的电极。为了减小谐波，2台变压器的原边接线应当有30°的相角差。这种晶闸管低频电源的最高频率在1/3工频左右，最大不宜超过20Hz。研究资料表明，低频交流电源会对电渣重熔的钢锭质量带来很多不利因素，最主要的就是因为频率过低会导致电磁搅拌力增加过大，把熔融状态的渣液搅拌到钢水中，增加了钢锭中的杂质和氧体积分数，所以低频电源的频率不宜过低［3］。这种晶闸管低频电源既可以调频，也可以调压。为了防止功率因数过低，此电源应当力求避免深度相控。建议在变压器原边装设有载调压开关，形成分挡连续调压调频控制电源。晶闸管低频电源的优点是:三相电源平衡，对电网影响小;可以做到分挡连续调压，调压开关的分挡电压可以适当加大;频率在1～20Hz范围内连续可调;电流可以闭环连续调节，便于熔炼控制，适应电渣重熔的各种熔炼工况;钢锭的品质易于控制。缺点是:低频电源复杂，设备昂贵;晶闸管相控产生高次谐波对电源形成污染，需要治理。

电渣重熔炉重熔过程中，熔速快慢是控制的最基本要素。由于熔速和输入炉内的功率有直接关系，所以要改变熔速就必须改变输入炉内的功率，也就是调整输入炉内的电压。下面介绍电渣重熔炉的几种调压方式。无载调压无载调压是指在变压器无载情况下切换变压器的挡位，以达到调压的目的。无载调压开关是一种零电流转换开关，它的触头容量较小，无灭弧措施，只能手动操作，一般只作为粗调电压的手段。目前只有无计算机控制的电渣重熔炉采用此调压方式。此调压方式的变压器结构简单，造价低。缺点是不能用计算机对熔炼参数进行控制。有载调压有载调压是在不切断负载电流的情况下切换变压器的分接头，以达到调压的目的。一般把有载调压开关和变压器做成一体，成为有载调压变压器。对于电渣重熔炉来说，因副边电流过大，有载开关放在高压侧是合理的。在实际应用中，为了减小因有载调压开关的接点切换而产生的火花，延长变压器寿命，应尽量在小电流或无电流时切换有载调压开关的接点。有载调压变压器的优点是设备简单、可以由PLC系统实现自动调压方案，并且操作方便，电网功率因数高。为了延长开关寿命，可以在PLC程序中实现低载或无载切换模式。缺点是只能做到有级调节电压，响应较慢。饱和电抗器调压［4］饱和电抗器是一个带铁芯的非线性电路，有直流绕组和交流绕组。利用直流绕组励磁电流的大小控制铁芯的饱和程度，使交流绕组的感抗值可控，从而改变负载上的压降。通常把饱和电抗器和电源变压器制作成一体，称为磁调压变压器。这种铁磁性质的器件已有数10年历史，理论和实践都很成熟。饱和电抗器的优点是稳定可靠、成本较低、寿命较长，可以连续调节感抗值，实现无级调压。其缺点是体积和质量大、快速性差。饱和电抗器在作为电渣重熔炉电源调压装置时，相当于在变压器的原边串入可调电感。这样做可导致电网功率因数降低，吨钢电耗增加，对于大功率电渣重熔炉，这一缺点不容小视。据东北某特钢公司生产管理部门的数据表明:磁调压变压器吨钢电耗在1500～1600kW•h，而有级调压变压器吨钢电耗在1200～1300kW•h。为了提高电网功率因数，可以在磁调压变压器电网侧增设补偿电容器。晶闸管调压晶闸管调功器分为单相调压器(图略)和3相调压器(有时也称之为晶闸管调功器)。晶闸管调压的工作原理是利用相控原理控制晶闸管的导通角，改变变压器副边的电压有效值。虽然这种方式可以连续调压，但是由于电压的波形畸变会对电网造成谐波污染，因而会降低电网功率因数。为了提高电网功率因数和降低谐波对电网的影响，应在电源侧增设补偿电容器。不同电渣重熔炉的供电电源和调压方式各有利弊，应根据电渣重熔炉的功率、电源的相数、炉体形式以及锭型规格选择不同的电源和调压方式，同时也要考虑电耗的影响。一般来说，单相单极、单相双极电渣重熔炉应考虑采用有载调压开关或饱和电抗器方式进行调压;三相电渣重熔炉应采用三相晶闸管调压器或三相饱和电抗器方式进行调压;10t以上的电渣重熔炉可考虑采用晶闸管低频电源调压方式。