谈我国大功率低频电源的发展

自1882年尼古拉·特斯拉发明了交流感应发电机至今，交流发电机一直为人类贡献电能，使用工频交流电作为电机或家用电器的供电电源的历史已达130多年。我国工频频率为50 Hz，西方国家多为60 Hz，电力电子器件及电力电子技术的发展，实现了人们将工频变换为可调频率 （通常为2～几千Hz）电能的梦想，满足了电力、铁路、交通运输、航空航天和冶金熔炼等行业，对最佳用电形式、广泛的节能与最方便和最高效率用电的需求。但应看到，尽管电力电子技术变流设备广泛应用，但在铁合金行业的矿热炉与金属冶炼领域的电渣炉及交流电弧炼钢行业，世界多数国家包括我国现在仍然使用粗放型的工频直接降压向负载供电方式，其原理电路如图1所示，随着负载容量的空前加大，我国矿热炉单炉需要功率容量已达80 MV·A以上，炉体直径较大（多达10 m左右），不可避免地需要变压器到炉体电极之间引线长度增加，分布电感L随之变大。由于这种负载通常需要的电压仅仅170 V左右，随着炉型及功率的不断增大，电流越来越大，多都大于20 kA以上，因而使用工频供电，感抗引起的压降uL无法避免地增大，通常高达电炉变压器二次输出总电压的10%～15%，导致感性无功极大，功率因数很低，多在0.60～0.85之间，电能浪费严重，同时因工作时3种电路，都无法控制使三相供电的3个电极插入负载中的深度相同，肯定存在三相不平衡的问题，由此引起电网波形畸变，出现较大谐波运行，危害电网安全，导致闪变、谐波击穿和烧毁变压器等事故。降低感抗压降，实现三相平衡控制，是对这种应用行业进行升级换代的迫切需要。

图1 工频供电的矿热炉或电渣炉系统原理Fig.1 Principle for submerged arc furnace or electroslag furnace system with power-frequency supply

从电路原理可知，感抗压降UL为UL=2πfLI，其中：f为供电电源的频率；L为高压侧至负载炉体电极之间引线的分布电感；I为流过变压器二次绕组的相电流。可见，当炉体尺寸、变压器容量及尺寸、安装位置受现场土建条件确定后，基本是无法改变的；而I是由炉体容量与产量决定的，I减少将无法满足使用需求，所以要降低UL，唯一可以控制的就是供电电源频率f。f成比例降低将使感抗压降成倍数下降，如f从50 Hz降为0.5 Hz，则UL相对工频50 Hz供电可降低100倍，降为原值的1/100。实际上，f降低，功率因数提高，无功功率下降，电流I降低，因而感抗压降下降的倍数要大于频率降低的倍数，这便是低频电源赖以工作的理论基础和行业需要研发大功率低频电源的驱动力所在。

1 我国大功率低频电源的发展历史

我国电力电子技术的诞生是以1957年北京电气科学研究院第六研究室（现西安电力电子研究所的前身）继美国通用电气公司（GE）1955年发明整流二极管（5 A）之后生产出中国第1个5 A整流管为标志的，至今其已有60多年的发展历史。如今我国电力电子变流设备随处可见，无处不用，但由于工作容量与可提供稳定供电容量的矛盾，以及对可靠性的忧虑与担心和推广成本3方面的原因，一直困扰着在冶金行业低频电源技术的大面积推广，制约了我国冶炼行业用大功率低频电源技术的发展。

国内首台用于铁合金行业的低频供电电源是1994年前后在锦州铁合金厂投运的6 300 kV·A矿热炉供电系统，受当时晶闸管制造水平和容量的限制，每个整流臂并联晶闸管元件数量较多，触发的同时性、控制手段及保护电路的不完善性，导致这台电源从调试到实际运行走了很长的路。起初烧坏晶闸管的困扰为低频电源在该行业的推广和应用造成了出师不利的影响。经技术人员不断攻关解决了技术难题。后来在国内矿热炉行业推广10多台，因效益好，需求旺盛，电力电子行业多家原来没有低频电源制造基础的厂家跟风生产这种电源，但因技术不成熟出现很严重地烧毁电力电子器件情况，在矿热炉行业造成低频电源不可靠的恶劣影响。而技术成熟的厂家受此拖累，给矿热炉低频电源的推广造成了很大的障碍，导致20多年来，国内矿热炉用低频电源推广极难，在技术上与可适用矿热炉电源的需求容量差距较大，可以说没有更多进步。2013年西安市科技局企业创新计划的支持，陕西高科电力电子有限责任公司成功开发了12 500 kV·A及25 000 kV·A矿热炉用三相低频电源装置。

低频电源在冶金行业使用的另一个典型实例为电渣炉供电，国内至今已有3台低频供电的电渣炉先后投入运行：一是2008年前后在某钢厂投运的低频电渣炉；二是陕西高科电力电子有限责任公司参与的2015年在国内某重型冶金设备制造集团投运的120 t低频电渣炉系统；三是2016年陕西高科电力电子有限责任公司为国内某大学电渣炼钢工艺研究用小功率电渣炉研制的低频电源系统。前述2种低频电源本身都是开环运行，控制单元使用西门子直流调速系统为控制核心。第3种研制的配套低频电源，其核心控制单元为全部自主研发国家专利产品，应用DSP与CPLD构成闭环控制。这3套电源最大的低频供电电流为90 kA，工作频率为1～3 Hz，实用效果证明，应用低频电源，功率因数明显提高，用电效率显著提升，冶炼产品质量有很大的改善，特别是冶炼的电渣钢锭偏析甚小，解决了多年来工频电渣炉一直无法解决的偏析难题。

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