李 宏

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，西安710065）

自1882年尼古拉·特斯拉發(fā)明了交流感應(yīng)發(fā)電機至今，交流發(fā)電機一直為人類貢獻(xiàn)電能，使用工頻交流電作為電機或家用電器的供電電源的歷史已達(dá)130多年。我國工頻頻率為50 Hz，西方國家多為60 Hz，電力電子器件及電力電子技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)了人們將工頻變換為可調(diào)頻率 （通常為2～幾千Hz）電能的夢想，滿足了電力、鐵路、交通運輸、航空航天和冶金熔煉等行業(yè)，對最佳用電形式、廣泛的節(jié)能與最方便和最高效率用電的需求。但應(yīng)看到，盡管電力電子技術(shù)變流設(shè)備廣泛應(yīng)用，但在鐵合金行業(yè)的礦熱爐與金屬冶煉領(lǐng)域的電渣爐及交流電弧煉鋼行業(yè)，世界多數(shù)國家包括我國現(xiàn)在仍然使用粗放型的工頻直接降壓向負(fù)載供電方式，其原理電路如圖1所示，隨著負(fù)載容量的空前加大，我國礦熱爐單爐需要功率容量已達(dá)80 MV·A以上，爐體直徑較大（多達(dá)10 m左右），不可避免地需要變壓器到爐體電極之間引線長度增加，分布電感L隨之變大。由于這種負(fù)載通常需要的電壓僅僅170 V左右，隨著爐型及功率的不斷增大，電流越來越大，多都大于20 kA以上，因而使用工頻供電，感抗引起的壓降uL無法避免地增大，通常高達(dá)電爐變壓器二次輸出總電壓的10%～15%，導(dǎo)致感性無功極大，功率因數(shù)很低，多在0.60～0.85之間，電能浪費嚴(yán)重，同時因工作時3種電路，都無法控制使三相供電的3個電極插入負(fù)載中的深度相同，肯定存在三相不平衡的問題，由此引起電網(wǎng)波形畸變，出現(xiàn)較大諧波運行，危害電網(wǎng)安全，導(dǎo)致閃變、諧波擊穿和燒毀變壓器等事故。降低感抗壓降，實現(xiàn)三相平衡控制，是對這種應(yīng)用行業(yè)進(jìn)行升級換代的迫切需要。

從電路原理可知，感抗壓降UL為UL=2πfLI，其中：f為供電電源的頻率；L為高壓側(cè)至負(fù)載爐體電極之間引線的分布電感；I為流過變壓器二次繞組的相電流。可見，當(dāng)爐體尺寸、變壓器容量及尺寸、安裝位置受現(xiàn)場土建條件確定后，基本是無法改變的；而I是由爐體容量與產(chǎn)量決定的，I減少將無法滿足使用需求，所以要降低UL，唯一可以控制的就是供電電源頻率f。f成比例降低將使感抗壓降成倍數(shù)下降，如f從50 Hz降為0.5 Hz，則UL相對工頻50 Hz供電可降低100倍，降為原值的1/100。實際上，f降低，功率因數(shù)提高，無功功率下降，電流I降低，因而感抗壓降下降的倍數(shù)要大于頻率降低的倍數(shù)，這便是低頻電源賴以工作的理論基礎(chǔ)和行業(yè)需要研發(fā)大功率低頻電源的驅(qū)動力所在。

1 我國大功率低頻電源的發(fā)展歷史

我國電力電子技術(shù)的誕生是以1957年北京電氣科學(xué)研究院第六研究室（現(xiàn)西安電力電子研究所的前身）繼美國通用電氣公司（GE）1955年發(fā)明整流二極管（5 A）之后生產(chǎn)出中國第1個5 A整流管為標(biāo)志的，至今其已有60多年的發(fā)展歷史。如今我國電力電子變流設(shè)備隨處可見，無處不用，但由于工作容量與可提供穩(wěn)定供電容量的矛盾，以及對可靠性的憂慮與擔(dān)心和推廣成本3方面的原因，一直困擾著在冶金行業(yè)低頻電源技術(shù)的大面積推廣，制約了我國冶煉行業(yè)用大功率低頻電源技術(shù)的發(fā)展。

國內(nèi)首臺用于鐵合金行業(yè)的低頻供電電源是1994年前后在錦州鐵合金廠投運的6 300 kV·A礦熱爐供電系統(tǒng)，受當(dāng)時晶閘管制造水平和容量的限制，每個整流臂并聯(lián)晶閘管元件數(shù)量較多，觸發(fā)的同時性、控制手段及保護電路的不完善性，導(dǎo)致這臺電源從調(diào)試到實際運行走了很長的路。起初燒壞晶閘管的困擾為低頻電源在該行業(yè)的推廣和應(yīng)用造成了出師不利的影響。經(jīng)技術(shù)人員不斷攻關(guān)解決了技術(shù)難題。后來在國內(nèi)礦熱爐行業(yè)推廣10多臺，因效益好，需求旺盛，電力電子行業(yè)多家原來沒有低頻電源制造基礎(chǔ)的廠家跟風(fēng)生產(chǎn)這種電源，但因技術(shù)不成熟出現(xiàn)很嚴(yán)重地?zé)龤щ娏﹄娮悠骷闆r，在礦熱爐行業(yè)造成低頻電源不可靠的惡劣影響。而技術(shù)成熟的廠家受此拖累，給礦熱爐低頻電源的推廣造成了很大的障礙，導(dǎo)致20多年來，國內(nèi)礦熱爐用低頻電源推廣極難，在技術(shù)上與可適用礦熱爐電源的需求容量差距較大，可以說沒有更多進(jìn)步。2013年西安市科技局企業(yè)創(chuàng)新計劃的支持，陜西高科電力電子有限責(zé)任公司成功開發(fā)了12 500 kV·A及25 000 kV·A礦熱爐用三相低頻電源裝置。

低頻電源在冶金行業(yè)使用的另一個典型實例為電渣爐供電，國內(nèi)至今已有3臺低頻供電的電渣爐先后投入運行：一是2008年前后在某鋼廠投運的低頻電渣爐；二是陜西高科電力電子有限責(zé)任公司參與的2015年在國內(nèi)某重型冶金設(shè)備制造集團投運的120 t低頻電渣爐系統(tǒng)；三是2016年陜西高科電力電子有限責(zé)任公司為國內(nèi)某大學(xué)電渣煉鋼工藝研究用小功率電渣爐研制的低頻電源系統(tǒng)。前述2種低頻電源本身都是開環(huán)運行，控制單元使用西門子直流調(diào)速系統(tǒng)為控制核心。第3種研制的配套低頻電源，其核心控制單元為全部自主研發(fā)國家專利產(chǎn)品，應(yīng)用DSP與CPLD構(gòu)成閉環(huán)控制。這3套電源最大的低頻供電電流為90 kA，工作頻率為1～3 Hz，實用效果證明，應(yīng)用低頻電源，功率因數(shù)明顯提高，用電效率顯著提升，冶煉產(chǎn)品質(zhì)量有很大的改善，特別是冶煉的電渣鋼錠偏析甚小，解決了多年來工頻電渣爐一直無法解決的偏析難題。

2 我國大功率低頻電源的發(fā)展現(xiàn)狀

我國低頻電源的發(fā)展盡管已有20多年歷史，但低頻電源總的使用量及生產(chǎn)量相對而言仍然很少。全國共計不足20臺，國內(nèi)基礎(chǔ)和技術(shù)水平還比較低，決定了低頻電源的發(fā)展現(xiàn)狀如下。

（1）從事低頻電源開發(fā)與研究的科研機構(gòu)與生產(chǎn)的企業(yè)相對較少。盡管市場需求較為強烈，從節(jié)能減排等方面來看，確實值得研究，但因推廣不充分與行業(yè)內(nèi)對低頻電源優(yōu)越性的認(rèn)識不到位，所以從事低頻電源研究與開發(fā)的單位較少。陜西高科電力電子有限責(zé)任公司鍥而不舍，多年來一直從事這種電源的開發(fā)與鉆研，其技術(shù)在國內(nèi)處于先進(jìn)行列，僅2016年就獲得有關(guān)低頻電源的國家專利6項。

（2）大功率低頻電源技術(shù)進(jìn)步滯后于礦熱爐容量的發(fā)展。在1994年開始開發(fā)礦熱爐低頻電源時，國內(nèi)礦熱爐的單爐容量約為6 300 kV·A，如今最大容量已達(dá)80 000 kV·A，但國內(nèi)礦熱爐低頻電源的成品可使用容量才25 000 kV·A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于使用需要，急需下大力氣從事技術(shù)開發(fā)和探索，盡快實現(xiàn)兩者之間的容量匹配。

（3）最終用戶的顧慮影響到礦熱爐用低頻電源的推廣。受1997年前后國內(nèi)生產(chǎn)礦熱爐低頻電源的廠家技術(shù)不成熟和粗制濫造而導(dǎo)致燒壞晶閘管的負(fù)面影響，礦熱爐使用單位對此影響產(chǎn)生的不好記憶長時間不能忘記，使用信心受到很大的打擊，都很擔(dān)心因質(zhì)量與可靠性不好使用后會出現(xiàn)故障影響生產(chǎn)，因此幾乎都不愿承擔(dān)使用風(fēng)險，嘗試做第一個使用12 500 kV·A以上低頻電源的人，調(diào)研多家礦熱爐用戶，他們都表示要看到有成功使用案例，使用效果確實好時才考慮技術(shù)改造，更有甚者，即使新的低頻電源免費提供使用，礦熱爐冶煉企業(yè)都不太樂意率先在本單位使用。

（4）大功率低頻供電電源用于鐵合金行業(yè)及電渣爐行業(yè)時，這些行業(yè)的冶煉工藝研究還很不成熟。由于從工頻改為低頻后，熔煉爐內(nèi)的融化速率、電壓與電流、工作波形及電壓與電流和頻率都發(fā)生了變化，導(dǎo)致熔煉過程中物理及化學(xué)反應(yīng)過程會有許多不完全一樣的變化，為保證最佳使用效果，需要對相應(yīng)的冶煉工藝進(jìn)行調(diào)整，在這一方面國內(nèi)尚無成熟的研究成果，在工藝研究方面還需努力鉆研與探索。

（5）大功率低頻電源配套電力電子器件容量等已成為瓶頸。由于大功率低頻電源實質(zhì)上就是兩組可控整流電路輸出的反極性并聯(lián)，因輸出電源容量達(dá)幾千甚至幾萬kV·A。目前對電網(wǎng)綠色化及限制電網(wǎng)諧波提高功率因數(shù)的需要，迫切需要采用SPWM整流方式，但受限于全控型電力電子器件（IGBT、MOSFET、IGCT等）實際功率容量與使用需求容量存在甚大差距，無法使用全控型電力電子器件，而仍然使用晶閘管可控整流作為基本單元。盡管我國批量生產(chǎn)晶閘管的管芯直徑已達(dá)6 inch，并已開始開發(fā)8 inch晶閘管，可批量生產(chǎn)的單只6 inch晶閘管的最大電流容量已達(dá)8 500 A，處于世界領(lǐng)先水平，但因5 inch與6 inch晶閘管開發(fā)與研制時，以主要提供超高壓直流輸電領(lǐng)域應(yīng)用為目的，其額定耐壓多在4 000 V以上，價格昂貴（5 inch每只約2萬元人民幣，6 inch每只約5萬元人民幣），由于礦熱爐和電渣爐行業(yè)配套的低頻電源需要低壓大電流產(chǎn)品，超高壓直流輸電系統(tǒng)用晶閘管一則價格高昂，二則因設(shè)計初衷為較高耐壓運行壓降大，所以目前仍未有5 inch與6 inch的晶閘管在這一領(lǐng)域?qū)嶋H使用，導(dǎo)致這一行業(yè)至今還在使用管芯直徑在4 inch以內(nèi)的晶閘管電力電子器件。因每個晶閘管器件最大額定電流的限制，使每個整流臂并聯(lián)電力電子器件的數(shù)量較多，影響均流系數(shù)的提高，對觸發(fā)的同時性與保護都提出了很高要求。

（6）適應(yīng)更大電流的大功率低頻電源的相關(guān)配套件需要開發(fā)。由于礦熱爐與電渣爐領(lǐng)域需要的大功率低頻電源其額定輸出電流越來越大，國內(nèi)現(xiàn)有的水冷銅母線最大截面積在300 mm×40 mm以下，用于輸出電流達(dá)幾十甚至100 kA以上的這類電力電子變流設(shè)備中，顯得截面仍然太小，另外，6 inch與5 inch晶閘管用于這個行業(yè)的壓裝件及散熱器、觸發(fā)電路及保護用快速熔斷器目前都無配套成熟的系列產(chǎn)品，迫切需要開發(fā)和系列化。

（7）低頻顯示儀表及傳感器還是空白。目前一直使用的顯示儀表和測量傳感器主要用來顯示與測量工頻以上頻率的交流電壓和電流或直流電壓與電流，當(dāng)?shù)皖l電源工作的輸出為低頻，用于礦熱爐行業(yè)的工作頻率僅為0.1～1 Hz，用于電渣爐行業(yè)的額定頻率也只有1～3 Hz，需要準(zhǔn)確顯示與計算輸出電壓和電流的有效值及測量傳感器。另外，示波器也因是工頻供電，測量低頻時較難觀測測試波形，這些都應(yīng)配套完善，這些方面國內(nèi)確實還是空白，導(dǎo)致現(xiàn)階段使用絕對值或直流儀表對低頻參數(shù)進(jìn)行顯示，存在顯示電流或電壓的準(zhǔn)確性不是很高的問題。

（8）低頻電源的控制技術(shù)還有待突破。由于大功率低頻電源工作時，每周期都有正組變流器與反組變流器分別工作半個周期就要進(jìn)行換流的問題，為防止正組與反組變流器同時導(dǎo)通，導(dǎo)致交流供電電源短路，國內(nèi)的常規(guī)做法是換流時同時封鎖正組與反組變流器的驅(qū)動脈沖，使正組與反組變流器都不工作，形成輸出電壓或電流的死區(qū)，因而每周期反饋與檢測的電壓或電流信號都有幅值為0的區(qū)間（通常死區(qū)時間長度為10～30 ms），因此導(dǎo)致這種電源的反饋波形本身有斷續(xù)，這對開環(huán)與閉環(huán)調(diào)節(jié)都有影響，而基于線性調(diào)節(jié)原理的反饋控制理論在這種非線性的系統(tǒng)中不是非常合適，因而需要采用新的控制理論，諸如模糊控制、滑模變結(jié)構(gòu)和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，這些控制手段急需獲得準(zhǔn)確的控制模型與算法，獲得應(yīng)用驗證。

3 我國大功率低頻電源的發(fā)展趨勢

由于我國鐵合金行業(yè)與電渣熔煉行業(yè)對低頻電源本身就有很大的需求，加上多年為提高鋼產(chǎn)品質(zhì)量的努力，國家下大力氣關(guān)停了中頻供電的感應(yīng)加熱中頻煉鋼爐，促使交流電弧爐煉鋼技術(shù)又大量被使用，這更擴大了低頻電源的應(yīng)用領(lǐng)域，因工頻交流電弧爐存在礦熱爐相同的功率因數(shù)低、運行功率大和三相同樣存在無法平衡的問題，只能借助于低頻電源技術(shù)來進(jìn)行解決。市場強勁的需求將促使冶金行業(yè)用低頻電源會有一個很大的發(fā)展。其發(fā)展趨勢可以概括為以下11點。

（1）大功率低頻電源的使用量將成級數(shù)增長。由于國家節(jié)能減排、企業(yè)降低電費的支出利益驅(qū)動及治理霧霾、控制電網(wǎng)污染的迫切需要，這些因素將綜合發(fā)力，促使冶金行業(yè)用大功率低頻電源走出目前銷售及使用量較少的困局，在未來3～4年內(nèi)其使用與運行量將獲得級數(shù)式的增長。

（2）大功率低頻電源的新型主電路拓?fù)鋵⒊霈F(xiàn)。為提高效率、降低并聯(lián)電力電子器件的數(shù)量，大功率低頻電源的主電路將以三相半波或以三相橋式可控整流電路為基本單元，形成新的電路拓?fù)?，按使用功率容量出現(xiàn)雙反星型、三相橋式同相逆并聯(lián)或雙反星形同相逆并聯(lián)為基本單元的組合型結(jié)構(gòu)，滿足不同的應(yīng)用及使用需要，所有組合方案的目的都是減少諧波污染、提高功率因數(shù)和增強可靠性。

（3）大功率低頻電源元件及配套件將獲得大發(fā)展。為提高低頻電源的性能，促使其輸出容量的不斷提高，低頻電源中使用的主電路母線、晶閘管、散熱器、控制線、配套快速熔斷器、電容器、保護用壓敏電阻等配套件的容量與工藝水平將獲得很大的提高。其發(fā)展趨勢是體積進(jìn)一步縮小，元件使用溫度性能進(jìn)一步提高，散熱能力更好，穩(wěn)定性更高。

（4）大功率低頻電源的控制技術(shù)將獲得突破。隨著對大功率低頻電源輸出功率與控制性能的要求越來越高，促使大功率低頻電源的控制技術(shù)從傳統(tǒng)的模擬線性調(diào)節(jié)原理，過渡到離散控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制等新型控制方法，并獲得實際應(yīng)用，這將極大提高低頻電源系統(tǒng)的自動化水平，使低頻電源的控制性能更優(yōu)，使用更方便快捷。

（5）大功率低頻電源用電力電子器件的單個容量將變大，5 inch、6 inch晶閘管電力電子器件將大量應(yīng)用。隨著低頻電源容量的不斷擴大，現(xiàn)階段應(yīng)用的主功率器件-晶閘管的單只容量將持續(xù)增大，使用需求將促使低壓大電流的5 inch與6 inch晶閘管的市場價格大幅度下降，并最終獲得大量應(yīng)用。以5inch或6inch晶閘管管芯為基礎(chǔ)，單只輸出電流幾十kA以上的組件或組合器件將獲得突破與工業(yè)化運行。

（6）應(yīng)用新型材料制造的電力電子器件和全控型電力電子器件將獲得應(yīng)用。追求功率因數(shù)提高和減少注入電網(wǎng)的諧波的雙重需要，將促使以碳化硅、砷化鉀和金剛石等為原材料的電力電子器件獲得重大突破，同時促使全控型器件IGBT、IGCT與GTO等的電流容量大幅提升，并在大功率低頻電源中獲得應(yīng)用，改善整流波形，實現(xiàn)高功率因數(shù)的SPWM全波整流，獲得更大節(jié)能。

（7）低頻電源的市場將快速增長。特別是對正使用工頻供電的礦熱爐、電弧爐與電渣爐的低頻改造更能拓展低頻電源的市場，并提高這些領(lǐng)域的工作效率，降低其損耗，使得產(chǎn)品質(zhì)量得到很大的提升，生產(chǎn)效率得到提高，降低產(chǎn)品成本中電費支出，增加使用企業(yè)的效益。從這個角度來講，冶金行業(yè)中礦熱爐、電渣爐和交流電弧爐的低頻化改造將是其降耗增效的必由之路。

（8）單相輸出及多相輸出的低頻電源將同時并存，覆蓋不同的功率范圍。由于電渣爐與電弧爐主要用來冶煉特種鋼，其每爐冶煉鋼的噸位數(shù)有多個品種，決定了在此領(lǐng)域使用的低頻電源將有單相與三相輸出都有使用的情況，小功率使用單相低頻電源，而中大功率使用三相或多相低頻電源，且各自覆蓋不同的功率范圍，相互補長取短，共同發(fā)展。而用于鐵合金行業(yè)的低頻電源，隨著冶煉爐型不同，也會有三相低頻甚至多相低頻輸出的共同使用情況，且都有應(yīng)用，覆蓋不同的功率范圍，對功率特別大的礦熱爐，其供電變壓器為多臺三相變壓器，由此決定了低頻變流器輸出將變?yōu)槎鄠€三相或單相在負(fù)載上并聯(lián)或組合為多相的結(jié)構(gòu)，這將極大地改善供電電網(wǎng)與負(fù)載側(cè)的功率因素和諧波狀況。

（9）使用低頻供電的礦熱爐、電渣爐與交流電弧爐的工藝將獲得重大發(fā)展。大功率低頻電源的大量使用，將促使使用該電源的冶金行業(yè)，不斷總結(jié)和摸索改進(jìn)工藝條件，獲得冶煉不同的金屬或合金時需要的低頻電源輸出頻率高低、電流大小和電壓幅值等最佳工藝，形成定型工藝文件，更加體現(xiàn)這些領(lǐng)域使用低頻電源的優(yōu)越性，進(jìn)一步推動低頻電源技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。

（10）低頻電源輸出參數(shù)的準(zhǔn)確測量傳感器和顯示儀表將獲得突破。性能優(yōu)良、測量準(zhǔn)確的低頻電壓與電流檢測用傳感器及顯示儀表，為低頻電源運行參數(shù)的精準(zhǔn)測量和高精度顯示提供手段。

（11）低頻電源的監(jiān)控與保護技術(shù)新的創(chuàng)新成果出現(xiàn)。隨著功率擴大，每套低頻電源應(yīng)用電力電子器件數(shù)量增加，為及時診斷與監(jiān)測低頻電源中電力電子器件的運行狀態(tài)，將推動其巡回檢測與自動化監(jiān)控技術(shù)獲得很大發(fā)展，促使建立在新型操作系統(tǒng)上的高性能組態(tài)軟件的廣泛應(yīng)用，提高系統(tǒng)的自動化水平，一旦出現(xiàn)非正常狀態(tài)，保護電路及時保護，將低頻電源內(nèi)部電力電子器件控制部件的損壞風(fēng)險降至最低，引導(dǎo)新型的專用軟件和控制模塊不斷出現(xiàn)，更加促進(jìn)行業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。

4 結(jié)語

采用低頻電源供電，具有可以降低母線上的感抗壓降、提高功率因數(shù)、實現(xiàn)三相平衡和便于故障保護等優(yōu)良性能，將在冶金工業(yè)領(lǐng)域獲得巨大應(yīng)用，并帶來巨大的社會效益與經(jīng)濟效益，其市場前景廣闊。它的大量應(yīng)用將推動我國與低頻電源行業(yè)相關(guān)的多個領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步和飛躍，與低頻電源自身的發(fā)展相互促進(jìn)和完善。低頻電源將成為礦熱爐、電渣爐及工頻電弧爐行業(yè)發(fā)展與節(jié)能增效的關(guān)鍵技術(shù)手段，并成為這個行業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排實現(xiàn)效益的必由之路。