楊偉鴻，卿向東

(吉林北華大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,吉林 吉林 132021)

閥側(cè)壓差大的并聯(lián)十二脈波整流系統(tǒng)研究

楊偉鴻，卿向東

(吉林北華大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,吉林 吉林 132021)

分析了12脈波整流系統(tǒng)在閥側(cè)D接和Y接電壓差比較大時(shí)，整流系統(tǒng)的觸發(fā)方案設(shè)計(jì)和仿真，有較強(qiáng)的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

電壓差；整流；觸發(fā)

1 前言

隨著經(jīng)濟(jì)及現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，各種精密儀器使用越來(lái)越廣泛，對(duì)電網(wǎng)的供電質(zhì)量要求越來(lái)越高，影響電網(wǎng)質(zhì)量的最大因數(shù)就是電網(wǎng)中的諧波量，而各種整流電源又是諧波的最大產(chǎn)生源。國(guó)際上公認(rèn)諧波污染是電網(wǎng)的公害，所以必須采取措施加以限制，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》中對(duì)諧波做出了限制。整流機(jī)組作為大功率整流設(shè)備。屬于非線性負(fù)荷，從電網(wǎng)吸收非正弦電流，引起電網(wǎng)電壓畸變，因此整流機(jī)組屬于重要的諧波源。

2 問(wèn)題的提出

現(xiàn)在減少整流系統(tǒng)諧波含量，一是增加濾波裝置但投入很大，二是增加整流系統(tǒng)的脈波數(shù),如12、24、36、48等脈波。例如整流系統(tǒng)采用十二脈波整流，照比六脈波整流系統(tǒng)，可有效地去除，5次7次17次19次諧波，減少諧波電流最大幅值的40%左右。所以現(xiàn)在電力系統(tǒng)一般都要求整流系統(tǒng)最少采用十二脈波整流。采用十二脈波整流可以采用兩種方案，一種為采用兩臺(tái)整流變壓器，一臺(tái)變壓器高壓為D接一臺(tái)為Y接相互相差30度 ，兩套整流系統(tǒng)組成十二脈波整流系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)適合于任何系統(tǒng)對(duì)整流設(shè)備的要求(例如大調(diào)壓范圍)，缺點(diǎn)造價(jià)高， 需兩臺(tái)變壓器，兩個(gè)有載開關(guān)，系統(tǒng)總的損耗大，且占地面積大。另一種方案采用一臺(tái)整流變壓器，兩套整流系統(tǒng)組成十二脈波整流系統(tǒng)，整流變壓器一般高壓為Y接或D接，低壓采用軸向分裂式兩套閥側(cè)繞組一個(gè) 為Y接另一個(gè)為D接互差30度組成十二脈波整流。優(yōu)點(diǎn)一臺(tái)變壓器一臺(tái)有載開關(guān)造價(jià)低，變壓器效率高，占地小。缺點(diǎn)只能用在閥側(cè)電壓變化范圍小的場(chǎng)合例如現(xiàn)在鋼廠軋鋼用的變頻調(diào)速系統(tǒng)多采用此方案。

鋼廠軋鋼用的變頻調(diào)速系統(tǒng)所用的整流變壓器閥側(cè)電壓一般為660V或1100V調(diào)壓范圍一般為±5%，因電壓高調(diào)壓范圍小，Y接和D接匝數(shù)很好配合，例如星繞組匝數(shù)為11或15角繞組為19或26與誤差為-0.276%或+0.074%再加上調(diào)壓范圍很小，角接和星接線電壓差很小，并聯(lián)運(yùn)行時(shí)兩組整流系統(tǒng)間環(huán)流很小，通過(guò)增大變壓器阻抗，使系統(tǒng)完全可以正常工作。而工業(yè)上許多場(chǎng)合例如銅電解 、鉛電解 、鋅電解、銀電解等用電大戶因工藝的關(guān)系閥側(cè)電壓很低而電流很大且調(diào)壓范圍大(因?yàn)椴煌瑫r(shí)期工作的電解槽數(shù)不同)，例如銅電解閥側(cè)電壓一般為30～120V，直流電流20000A左右，為了降低生產(chǎn)投資成本用戶一般都希望采用單器身12脈波整流，但如果直接采用，在閥側(cè)電壓低時(shí)系統(tǒng)還可正常運(yùn)行，一旦運(yùn)行到高電壓檔時(shí)，因?yàn)殚y側(cè)Y接 和D接線電壓差別太大(由于變壓器是變磁通調(diào)壓，閥側(cè)電壓越高時(shí)，匝電壓差別越大，同樣的匝數(shù)D接和Y接電壓差別就越大)，兩組整流器之間環(huán)流太大而發(fā)生整流失敗，過(guò)去有廠家直接采用此方法用于大調(diào)壓范圍整流系統(tǒng)，最后高電壓時(shí)整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行而失敗，而采用兩臺(tái)變壓器投資成本又太高。

3 方案解決

3.1 系統(tǒng)方案比較

本文提出一種全新的方案可解決此問(wèn)題。以一實(shí)際工程應(yīng)用為例，某電解銅廠要求的整流電源為12脈波整流，網(wǎng)側(cè)電壓10kV閥側(cè)直流電壓34～112V,直流電流15000A,采用方案一和方案二的材料消耗，電壓級(jí)差，設(shè)備損耗等見表1若采用兩臺(tái)變壓器的方案，變壓器造價(jià)為59.7萬(wàn)，其中負(fù)載損耗41550W，空載損耗8580，角接最高電壓最低電壓為112.3V ,34 Y接最高電壓最低電壓為112.2V,34V。 采用一臺(tái)變壓器的整流方案，變壓器成本為 41.1萬(wàn)，短路損耗40550W，空載4780W，最高最低電壓Y接為116V,35V,D接為110V,35.8V,具體見表1。由此可看出，第二個(gè)方案照比第一方案節(jié)省材料和損耗，占地面積小，土建成本低，但電壓差大，如能解決整流壓差過(guò)大系統(tǒng)并聯(lián)無(wú)法正常工作的問(wèn)題就能既減少企業(yè)的投資，又降低系統(tǒng)運(yùn)行的損耗，有很高的經(jīng)濟(jì)實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

表1 方案1和方案2主要數(shù)據(jù)對(duì)比

整流方案圖一為采用兩臺(tái)整流變壓器，整流方案二為采用一臺(tái)變壓器，為解決閥側(cè)電壓差的問(wèn)題，方案二在原來(lái)整流系統(tǒng)上加了個(gè)壓差檢測(cè)裝置，由該裝置補(bǔ)充整流觸發(fā)角控制。

圖1 整流系統(tǒng)方案一

圖2 整流方系統(tǒng)案二

3.2 軟件設(shè)計(jì)

以該電解銅廠整流系統(tǒng)為例假設(shè)根據(jù)工藝要求變壓器運(yùn)行在27級(jí)此時(shí)D接閥側(cè)電壓為81.6V而Y接閥側(cè)電壓為86.7V。假如現(xiàn)在所需的直流電壓為98V,D接和Y接各有一套觸發(fā)整流系統(tǒng)，它們共用一個(gè)給定電壓uK不同的uK大小決定整流系統(tǒng)的觸發(fā)角α的大小，一般最大為10V對(duì)應(yīng)觸發(fā)角為0，該整流系統(tǒng)的直流電壓為Ud=1.35U2cosα，其中U2為閥側(cè)電壓，此時(shí)D接的觸發(fā)角為αd=27.62°對(duì)應(yīng)的uK為一定值假如為8.5V,假如沒(méi)采取任何措施此uK也為Y整流系統(tǒng)的給定，此時(shí)αy=27.62°那么此時(shí)Y接輸出直流電壓為104V，那么因?yàn)閅接的直流電壓高于D接直流整流電壓，兩個(gè)系統(tǒng)為并聯(lián)工作，根據(jù)可控硅工作原理知，雖然D接的可控硅接受到了觸發(fā)脈沖，但由于Y接的電壓高的作用使它受反壓而不能導(dǎo)通，整流波形就要丟波頭，嚴(yán)重時(shí)整流失敗。因?yàn)閅接的閥側(cè)電壓為87V高于D接的閥側(cè)電壓81.6V由于變壓器結(jié)構(gòu)的原因已不可更改，為了使兩套整流系統(tǒng)輸出的直流電壓相等，只有減小Y接整流系統(tǒng)的觸發(fā)角α從而使兩套整流系統(tǒng)輸能同時(shí)工作，例如本例中使α′y=21.63°即比原來(lái)給定的αy=27.62°少才能使D接和Y接同時(shí)工作，為此可在整流系統(tǒng)中加一個(gè)電壓檢測(cè)裝置。如圖2整流系統(tǒng)中電壓差檢測(cè)裝置其工作原理如圖3所示。

圖3 電壓差控制結(jié)構(gòu)圖

3.3 軟件流程圖

圖4 軟件流程圖

4 方案仿真

4.1 仿真模塊

一次側(cè)為D接閥側(cè)分別為Y接和D接。

圖5 一次為D接二次分別為D和Y的12脈波整流

圖6

圖6在閥側(cè)電壓都為85V觸發(fā)角為10度時(shí)的閥側(cè)A相和B相電流，整流后直流電壓，直流電流。

圖7

在圖7中閥側(cè)Y接電壓為89.5V，而D接為85V時(shí)，從圖7中可看出閥側(cè)D接線圈A相和B相電流為零，其輸出的直流電流也為零，圖8為閥側(cè)Y接線圈電流可看出A相和B相電流和過(guò)去一樣，同時(shí)看出此時(shí)總的輸出電壓和電流為6脈波工作狀態(tài)，通過(guò)多次仿真可知，當(dāng)閥側(cè)D接和Y接電壓差大于3V時(shí)，如果不采取任何措施，電壓小的所連接的整流系統(tǒng)將停止工作，整個(gè)整流系統(tǒng)將由電壓高的一組工作，整流也由12脈波變?yōu)?脈波，這在實(shí)際工況中是十分危險(xiǎn)的，因?yàn)槿控?fù)載都由工作的整流系統(tǒng)承擔(dān)，該組變壓器閥側(cè)線圈和可控硅都將嚴(yán)重過(guò)載而過(guò)熱出現(xiàn)故障。圖9為臨界的工作狀態(tài)從圖中看出D接工作線圈電流照比Y接時(shí)間短，雖然整個(gè)系統(tǒng)為12脈波但電壓波動(dòng)較大。圖10為D接觸發(fā)角改為12°時(shí)的系統(tǒng)工作情況，系統(tǒng)變?yōu)?2脈波整流系統(tǒng)，從圖11中可看出同樣的A相電流和B相電流D接的每個(gè)周期工作時(shí)間短些，但避免了一套工作的惡劣工況，只要按照整流系統(tǒng)的2～3倍余量選擇整流硅通態(tài)平均電流，而且我們選可控硅時(shí)是按工作角度為600來(lái)做為平常工況的，所以系統(tǒng)就可以完全正常工作。

圖8

圖9

圖10

圖11

4 實(shí)際應(yīng)用

在內(nèi)蒙某電解銅廠采用此方案為用戶節(jié)省了大量投資，效果很好，但現(xiàn)在只能定量的補(bǔ)充一定的觸發(fā)角，還不能無(wú)級(jí)差的補(bǔ)充觸發(fā)角。

[1] 崔立君.特種變壓器理論與設(shè)計(jì)[TM].北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,1996.

[2] 黃忠霖，周向明.控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真實(shí)訓(xùn)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

Research on Parallell 12 Pulse Rectifier System in Different Voltage

YANGWei-hong,QINGXing-dong

(Jilin Electrical Engineering College of North China University,Jilin 132021,China)

The 12 pulse triggering scheme of rectifier system is designed and simulated in valve D and Y connected with the voltage difference is large.There is of great significance on industrial application

voltage difference;rectifier;trigger;

1004-289X(2015)03-0063-05

TM71

B

2014-05-07

楊偉鴻(1962-)，吉林人,工程師,北華大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，從事自動(dòng)化教學(xué)科研工作。