电渣炉电源谐波问题研究

电渣炉电源谐波问题研究

孙亚¹  冮俊峰²  李培培¹

（1.西安石油大学，陕西 西安 710065；2. 中国机械工程协会电渣冶金技术委员会 冮俊峰 辽宁沈阳 110000）

摘  要：本文重点介绍低频电源电路的构成，分析了谐波及功率因数问题。通过MATLAB搭建了基于晶闸管的电渣炉低频电源仿真模型并进行相关的仿真分析和研究。

关键词：低频，晶闸管，谐波，功率因数

Study on harmonics of Electros lag Furnace Power supply

Abstract：In this paper, the composition of low frequency power supply circuit is introduced, and the harmonic and power factor problems are analyzed. Through MATLAB, the simulation model of low frequency power supply for electroslag furnace based on thyristor is built, and the relevant simulation analysis and research are carried out.

keywords: low frequency, thyristor, Harmonic, power factor

1 引言

在电渣重熔系统的发展中，电渣炉电源技术革新是其中的关键一环。其中低频技术在电渣炉电源系统中的应用日益得到重视。在使用低频电源作为电渣炉供电系统中以晶闸管作为主功率器件，其中依靠晶闸管在电路中按照一定的规律开闭动作来完成电能的变换。而晶闸管在这种“交流开关状态”的工作方式下，会产生谐波并注入电网系统，造成电网波形严重畸变。所以对这种谐波问题进行研究，对系统的无功补偿和控制策略的改进具有重要的意义。

2 电渣炉低频电源工作原理

电渣炉低频电源依据的工作原理可用图1所示的电路来说明，电路由P和N两组反并联的三相全控整流电路构成。变流器P和N都是相控整流电路，P组工作时，负载电流为正，N组工作时，为负。让两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电。改变两组变流器的切换频率，就可以改变输出频率。改变电路工作时的控制角，就可以改变输出电压的幅值。另外半个周期可对变流器N进行同样的控制。

图1 单相低频电源原理图

3 谐波问题分析

电路中的P组和N组都是三相桥式全控整流电路，其中都是以晶闸管作为主功率器件，由于晶闸管是一种非线性的交流元件，在采用的是相位控制方式，这样造成了其输出电压波形是由缺角正弦波形构成的，而这种波形会有较高的谐波含量^[2]。如图2所示，当系统空载α0时，输出电压波形构成如图所示，其中重复周期为2π/m：

图2 输出电压波形图

由(4)式知，在控制角α相同时，m增大，其谐波分量减小^[1]。当m固定时，控制角α增加，谐波分量增加。同时，由于低频拓扑是由两组三相桥式全控整流电路构成的，在单个工频周期中输出电压脉动m=6次，所以输出电压波形只含有m的倍次谐波。当α0且不考虑重叠角的影响时，谐波分量振幅与输出电压平均值之比满足2/n²-1关系，谐波次数愈高，谐波分量愈小。控制角α也不改变谐波次数，只对改变谐波大小有影响。

4仿真系统的建立

MATLAB的SIMULINK电力系统工具箱中包含了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统的仿真模型^[3]。它主要由电源模块库(Eleotric Souroes)、基本元件模块库(Elements)、电力电子模块库(Power Electronics)、电机模块库(Machines)、连接模块库(Conneotors)、测量模块库(Measurements)和附加模块库(ExtraLib)构成^[4]。利用上述基本子模块中的元件搭建了电路模型。如图4所示，将系统的各个部分：三相电压源、电压电流测量模块、低频电路模块、同步电源与6脉冲触发器模块等整合的一起就构成了图4所示的电渣炉低频电源系统仿真主电路。

图4低频电路仿真主电路

本文以单相低频输出电压52V、输出频率6.62Hz为例，对晶闸管控制角分别处于3°、33°、60°时的情况，进行FFT分析。通过图5、图6和图7的仿真结果可以看出：输出为52V，对应晶闸管控制角3°时，系统THD为9.81%；当晶闸管控制角33°时，系统THD为12.22%；当晶闸管控制角60°时，系统THD为22.61%。

通过这三种不同仿真结果的比较，可以看出在要求输出电压恒定的条件下，每一周期内控制角越大，电压的谐波含量较大，与之前的理论计算的结果一致。另外，在要求输出不变的条件下，控制角增大，将会使系统的功率因数将降低。系统的功率因数可用下式表示：

式中，:功率因数,为基波因数，为位移因数，为晶闸管控制角，为换相重叠角。

由(5)和(6)式可知，功率因数主要取决于控制角和换相重叠角，而换相重叠角主要取决于变压器及回路的阻抗^[5]，设备安装和使用状态确定以后换相重叠角基本为固定值。在图8中给出了功率因数与控制角的关系曲线^[2]：

图8 功率因数与控制角的关系曲线

由功率因数与控制角的关系曲线结合公式(5)和(6)可知，对于低频电源系统由于控制角增大，功率因数将降低。所以在电渣炉低频电源系统运行时，把控制角的调节范围限制在在比较小的范围内，避免晶闸管深控，对于系统的谐波含量和功率因数的改善具有积极地意义。

本文对基于晶闸管的电渣炉低频电源系统的谐波和功率因数问题进行了分析研究，在理论研究的基础上，使用MATLAB的SIMULINK工具箱搭建了相应的仿真电路并进行相关的仿真分析。得出在同等情况下，当晶闸管的控制角α越大时，系统的谐波含量越高，功率因数也越低。这为电渣炉低频电源系统的无功补偿有重要的指导意义，也为系统的控制策略的改进奠定了良好的基础。

参考文献

[1] 虞孟起.可控硅谐波分析[J].鞍钢技术,1978(04):24-70.

[2] 徐永海,王雪峰,肖湘宁.晶闸管换流装置换相振荡与谐波抑制[J].现代电力,1997(01):41-46.

[3] 张绍静.基于MATLAB/simulink的交交变频器仿真研究.常州工学院学报.2008年第三期

[4] 李翔.基于晶闸管的三相三线交流调压电路分析与仿真[J].皖西学院学报,2006(02):48-51.

[5] 陈跃充,李建科. 合理控制导通角提高电解整流装置功率因数[J]. 经验交流，2006