1.概述1.1基本要求和技术指标63MW晶闸管整流电源是大功率电弧加热设备的主要组成部分，主要为专用大功率电弧加热设备提供电源。

该电源由主回路、控制系统构成。

主回路由交流进线部分、晶闸管整流器、直流回路等部分构成。

控制系统由模型计算机、整流器控制器、信号检测装置、触发隔离电路、保护电路等部分构成。

整流电源的主要数据为额定输入电压：10 kV额定输出电流：3 kA输出功率：63MW分组数量： 4单组最大功率：16MV A单组额定输出：3000A，5500V主要技术指标恒流特性输出时要求调压范围：0-空载电压连续可调恒流偏差：1电流调节响应时间：20ms～40ms(能人工设定)调节时间：300mS-3000mS(能人工设定)电流调节超调量：<20%调节过程中动态偏差：<5%回升时间：100mS晶闸管整流电源其它功能要求（1）供电特性电源输出电压能够自动平滑调节;电源的整体控制能满足加热设备不同工艺要求;电流给定，起弧电压给定以及各反馈环节工作可靠，性能稳定，相同状态下电参数应准确重复;（2）运行工况63MW电源采取负极接地方式。

可分为两套独立的电源同时或单独运行。

并满足以下运行工况：（3）机组组合和运行方式整流机组可以通过串、并联输出满负荷运行，供电参数如下指标：也能满足电弧加热器的主要工作点单组运行时构成12相或以上整流，全系统构成24相或更多相整流。

多机组串联运行时，应允许在试验过程中一组或多组退出运行，允许若干组机组交流侧不供电投运，该机组作为其它机组串联运行通道使用。

允许在实验过程中，投入新的机组多机组串并联运行时，电源调节方式应满足以下要求：a.加热设备启动时采取等α角控制;b.运行过程中（含启动过程），允许一组机组定α角运行（即恒压运行）其他机组等α角控制实现恒流特性;c.电弧电流达到预定值后，系统允许在等α角控制和顺序控制两种方式中选择.（4）变参数运行变参数运行应包括以下两种情况：a.电弧电流呈阶梯状变换，每一阶梯的电流稳态值和运行时间预知，每节阶梯电流变化不小于30A试验时间不小于1秒;b.根据提供的电流拟合曲线或电流随时间变化的函数，试验中按曲线或函数变换电弧电流运行。

变参数运行时，对电弧调节过程的要求，同电源系统指标中关于动态偏差和回升时间的要求;（5）保护装置。

保护装置应注意：a.有效抑制各类整流器故障（含桥臂短路、直流端短路、不触发等故障）、整流器交流侧故障等引起的过流现象;b.交流系统中的冲击过电压、操作过电压、整流器异常动作产生的过电压、母线接地引起的陡波过电压等各类过电压，应有有效措施克服;c.应充分考虑通过整流器的控制作用，减少各类过流、过压现象对系统的影响;d.所有的保护动作应报警显示故障并自动记录;e.所有作用于跳闸的保护动作必需手动复归.（6）通讯和数据传输为了及时对试验结果进行分析和处理，电源系统采集到的运行参数能够传输到电弧加热设备的数据处理系统。

与通讯相关要求在设计联络阶段确定。

（7）直流母线的绝缘监视电源采用负极母排接地。

直流母排对地绝缘为70kV, 须对直流母排进行绝缘监视。

绝缘监视器应配备声光报警。

（8）谐波污染及无功补偿在63MW电源研制过程中，应结合电源的特点，从主回路方案到控制系统以及设备制造等方面都要采取措施抑制谐波污染。

在110kV变电站中预留空间，待63MW电源建成后，采取措施治理谐波和进行无功补偿。

1.2我公司方案的特点经过对701所现场情况的调查研究，结合我公司对大型直流电弧加热设备的工程经验，推出主回路为多组整流桥串联方案，控制系统为全数字控制系统加神经元网络前馈补偿方案。

我公司提出的方案有如下特点：（1）并联二极管的整流器高电压大电流电弧加热电源需要将晶闸管串联使用。

串联方式分为晶闸管元件串联和整流桥串联两种方式。

采用晶闸管元件串联方式，整流桥每个桥臂需要5只元件串连，可以输出5250伏的额定电压，然后4个这样的整流桥串连，可以提供21000伏的额定输出能力。

由于采用晶闸管串连，需要元件的导通特性尽可能一致，而且变压器的短路阻抗比普通的整流变压器要高较多。

采用桥串联方式，与元件串联相比，桥串联技术具有均压系数为1，触发方便，线路简单，可靠性高的优点。

但要求解决裂解变压器的设计问题。

我公司掌握多裂解变压器设计的关键技术，为晶闸管整流桥串联方案奠定了技术基础。

晶闸管元件串连技术和桥串联技术已多次用于无功补偿、交流调速和磁悬浮电源等工程实践中。

采用两种技术都可以通过变压器组合实现24相供电，减少对电网的污染。

采用并联二极管的整流器可以提高功率因数。

法国的CEGELEC公司已将这种技术应用于直流电弧炉。

（2）全数字控制器整流器的控制系统采用全数字32位的Simadyn D系统。

该系统是全数字、可自由配置的模块化控制系统，通过选用不同的硬件模板，并使用CFC程序编辑软件，即可完成许多复杂的控制功能。

近年来常用于大功率直流电机传动、交流电机传动及高功率直流电弧炉的整流器控制。

该系统有足够的输入/输出接口，集电流闭环控制和逻辑顺序控制于一身，速度快精度高可靠性高。

该系统具有良好的通讯能力，现场信号可以通过PROFIBUS-DP网络从远程I/O站输入/输出。

上位模型计算机的参数可以通过工业以太网输入/输出。

（3）前馈防断弧模型和高功率直流电弧炉相似，直流电弧加热设备也有防止断弧的要求。

一般来说，电弧的长度与弧电压有关，电弧的粗细与弧电流有关。

通常整流电源为电流闭环控制，在设定值不变时，弧电流恒定。

如果在外因作用下弧长加大，则需要移相角（α角）及时前移，使输出电压提高，维持弧电流不变，保持不断弧。

我公司采用基于数学模型的前馈控制，以提高控制系统的动态特性。

前馈模型根据资料, 用神经元网络模型算法把外来扰动因素对移相角进行前馈补偿，提高快速响应能力，防止断弧。

数学模型求解采用查表法与神经元网络在线相结合方式，既能保证精度，又能保证在线实时性。

因我公司有炼钢直流电弧炉控制的经验，炼钢电弧炉由于短路频繁发生，对控制系统的动态控制特性有苛刻要求，实践经验可以保证本系统的成功。

有用神经元网络建模和前馈控制的经验。

研究成果多次获得科技进步奖。

（4）其他应用技术脉冲光纤传输技术(实现移相脉冲高低压侧隔离)、高压侧脉冲功放技术(在高压侧把光脉冲转成电脉冲需要解决电源问题，具体有磁环隔离法和利用晶闸管电压法)、模拟信号光纤传输技术(解决从高压侧检测电流、电压实际值的问题)、主回路参数计算等实用技术在我公司多项工程项目和科研项目中都有应用的实例。

（5）电磁兼容性EMC技术要求电气设备能够承受外来的电磁干扰，同时还要求电气设备尽可能减少对外的电磁干扰。

这样就要求在设计电气装置时要考虑电源方式、接地、屏蔽、印刷电路板的设计、器件的相互位置、浮地系统抗扰性等诸多方面的因素。

由于我公司大量的工程实践多次遇到EMC的课题，在解决问题的过程对EMC 不断深入认识，已形成一系列规范化措施，提高了设备的抗电磁干扰的能力。

晶闸管整流器又是一个噪声源，必须有相应的措施使对外界的影响最小。

除了在电网侧设置谐波吸收装置之外，主回路的电气结构、机械结构也很重要。

2.63MW电源的初步设计方案2.110kV高压配电系统来自110KV变电站的10kV电源进线通过电缆引到高压开关室。

采用晶闸管元件串连方式，需要在高压开关室放置容量稍大的2台高压开关柜，每台高压开关柜接一台整流变压器。

而采用晶闸管桥串联方式，需要在高压开关室内装有4台容量小的真空开关柜。

10kV系统采取单母线接线方式，每段10kV 母线下接入4台整流变压器（4台整流机组）。

内容包括：真空断路器，电流互感器，隔离手车，高压熔断器，电压互感器，避雷器，带电显示器等器件。

还需一套直流蓄电池电源装置为高压配电装置提供分/合闸电源。

直流蓄电池电源的容量为90AH 。

2.2裂解整流变压器裂解变压器是近几年我公司参考国外产品开发的新技术，已在几个变压器厂推广生产，在多个工程中应用并取得很好的效果。

这种新技术完全取代进口，成为我公司的关键技术之一,已有工业应用数十例。

变压器容量的计算（1）采用晶闸管元件串连时，选用两台裂解式变压器，每台变压器有两个副边绕组，每台变压器构成12相整流，两台变压器对供电电网形成24相整流。

采用这种方式供电可以使供电谐波基本满足国家标准。

变压器每个二次绕组电压相同，计算依据如下公式U=)100cos (maxmin TNT X UV dfMN I I e K b K nU U -+α可计算得出变压器二次电压为5100伏 变压器二次电流为(1.06*3000)*0.816=2600A 二次单组视在功率：1.732*5100*2600=22.97MV A这样每台变压器容量为45.93MV A ，因变压器在正常运行时不会长时间运行，实际变压器取为45MV A考虑到晶闸管元件串连运行，并且不设快速熔断器，参照国外同类设备的取值及我公司的经验，变压器的短路阻抗取为20％，变压器的接线方式Y/△/Y ,△/△/Y 。

绝缘水平：阀侧绕组对地耐受70 kV ，故障诊断包括：轻瓦斯，重瓦斯，过温度等开关量信号，用于保护。

空载电流：1, 油浸强制风冷。

（2）如果采用晶闸管桥串连的方案，本设计选用4台裂解式变压器构成12相整流，有效减小电网高次谐波，每台整流变压器为五个副边绕组。

五个绕组须电磁特性对称。

每台整流变压器的参数为：22.5MV A, 10kV/1000V ,Uk=7%, 空载电流：1, 油浸强制风冷绝缘水平：阀侧绕组对地耐受70 kV故障诊断包括：轻瓦斯，重瓦斯，过温度等开关量信号，用于保护。

1-4#变压器的接线方式分别为：Y/△/,△/△, Y/△,△/△同样依据上述公式，整流变压器二次绕组的计算：二次电压计算值为989V考虑到防断弧电压裕量取1000V式中系数1.1是考虑到电网电压有10%的压降波动；0.93是考虑到输出电压为4800V时移相角在20度，防断弧移相角有l5度裕量,每个变压器的留有50VX4=200V的防断弧电压裕量。

副边电流：(1.06*3000)*0.816=2600A副边单组视在功率：1.732*1000*2600=4.50MV A副边五组总视在功率： 4.50*5=22.51 MV A变比：10000/1000=10原边核算原边电流：2600A *5/10 = 1300A原边电压：10000V原边视在功率：1.732*10000*1300=22.51MVA变压器取22.5MVA符合要求。

2.3晶闸管整流器2.3.1 概述采用晶闸管元件串连方式组成六相整流桥，变压器二次绕组减少，而且不需要象晶闸管桥串连方式那样裂解变压器，拓扑简单。

缺点是需要考虑元件串连带来的均压问题及更换元件时的参数匹配问题，由于晶闸管元件串连连接，为保证可靠换相，变压器二次绕组短路阻抗一般应在15％－20％。