（交通运输工程专业论文）大功率电解电源及其监控系统研究与设计.pdf

工程硕士学位论文 摘要 摘要 针对目前电化学制碱工业中大功率整流电源普遍存在可靠性不高、没有监视环节、 不能够实时掌握系统运行状况及记录数据的缺点，设计了一种采用p l c 控制保护、数 字触发控制晶闸管、智能监视的大功率电解整流装置。 装置主电路采用同相逆并联三相桥式电路，通过有载调压变压器的粗调和晶闸管整 流微调，增加系统的整流精度。并通过实验确定了大电流系统中快速熔断器的选择要求， 为该类电源装置保护器件参数的选择提供了实验依据。大功率整流机组采用同相逆并联 接线，有效地减少变压器二次引线电抗压降、显著地提高输出效率，同时有效地降低整 流柜体的温升。 电源触发系统采用美国e n e r p r o 公司的f c o g 6 3 0 d 大规模数字触发系统，设计 为两组触发器热备用。实现对整流电流的控制。触发系统具有同步电源自动锁相、软启 动和软停止及故障自诊断等功能，提高了电源的可靠性。由于在小范围内移相( 5 。渤。) ， 提高了系统的功率因数。 针对电解电源大功率、大电流的特点，本文详细分析了整流器件并联的均流问题， 进行了均流系数的测定。讨论并给出了针对大功率电解电源的均流措施。 智能保护监控系统以p l c 为核心，配以工控机作为终端。所有故障、保护和控制 信号均通过p r o f i b u s 标准通讯接口供综合自动化系统p l c 和工控机进行监视和控制。系 统能够完成数据采集、过程控制、报警、图形数据显示、统计报表打印等功能。 本大功率整流电源是为山东华阳农药集团的离子膜烧碱装置设计的电解电源，实际 运行情况表明，该大功率整流电源能够满足电解氯碱化工生产中的连续性，可靠性、稳 定度、高效率等指标要求。大大提高整流设备的整体利用率，降低了操作人员的工作强 度和误操作率。 关键词：大功率整流电源，均流，d c s 监控系统 a b s t r a c t a tp r e s e n tt i m e ，t h eh i g hp o w e rr e c t i f y i n gp o w e rs u p p l yi na l k a l im a d ei n d u s t r yh a ss u c h d r a w b a c k s 嬲t h a th a sn o th i 【曲r e l i a b i l i t ya n dn om o n i t o rs e g m e n t ，a sw e l la sc o u l d n th o l dt h e s y s t e mo p e r a t i o ns t a t u sa n dr e c o r dt h ed a t a f o rt h i sr e a s o n , as o r to fh i g hp o w e re l e c t r o l y s e r e c t i f y i n ge q u i p m e n tu s i n gp l c t oc o n t r o la n dp r o t e c t ，a n dd i g i t a lt r i g g e r i n gt h y r i s t o ra n d i n t e l l e c t i v em o n i t o ri sd e s i g n e d t h em a i nc i r c u i to ft h ee q u i p m e n ta d o p t si n p h a s ei n v e r s ep a r a l l e lc o n n e c t i o nt h r e ep h a s e b r i d g ec i r c u i t , v i at h ec o a r s e 喇u s t m e n t o nl o a dt a pc h a n g i n gt r a n s f o r m e ra n df i n ea d j u s t m e n t o nt h y r i s t o rr e c t i f i e r , t h er e c t i f y i n gp r e c i s i o no ft h es y s t e mi si m p r o v e d a tt h es a m et i m e ，t h e c h o i c er e q u e s to ff a s ta c t i n gf u s ei nl a r g e re l e c t r i cc u r r e n ts y s t e mi sc o n f i r m e db yt h em e a s u r e o fe x p e r i m e n t ，w h i c hp r o v i d e se x p e r i m e n tb a s i sf o rc h o o s i n gp a r a m e t e ro fp r o t e c t i v ed e v i c e u s i n gi nt h i sk i n do fp o w e rs u p p l ye q u i p m e n t t h eh i g hp o w e rr e c t i f y i n gp o w e rs u p p l y m a c h i n ea d o p t si n p h a s ei n v e r s ep a r a l l e lc o n n e c t i o n , w h i c hc a nr e d u c et h er e a c t a n c e v o l t a g e d r o pi nt r a n s f o r m e rs e c o n d a r yw i n d i n ge f f e c t i v e l y , a n di m p r o v eo u t p u t e f f i c i e n c y r e m a r k a b l y , a sw e l la sl o w e rt h et e m p e r a t u r er i s eo ft h er e c t i f yc a b i n e t t h ep o w e rs u p p l yt r i g g e r i n gs y s t e ma d o p t sf c o g 6 3 0 dl a r g es c a l ed i g i t a lt r i g g e r i n g s y s t e mp r o d u c e db ye n e r p r o o fu s a ，a n dt h e r eh a v et w os e r i e st r i g g e ra sw a f ms t a n d b y t h ec o n t r o lt or e c t i f y i n ge l e c t r i cc u r r e n ti sr e a l i z e d t h et r i g g e r i n gs y s t e mh a sf o l l o wf u c t i o n s 嬲s y n c h r o n o u sp o w e rs u p p l yp h a s el o c k i n ga u t o m a t i c a l l y , s o f ts t a r t i n ga n ds t o p p i n ga sw e l l 弱f a u l td e t e c t i n gi t s e l f b e c a u s et h ep h a s i cs h i f t ( 5 。3 0 。) w a si ns m a l lr a n g e ，t h ep o w e r f a c t o ro ft h es y s t e mw a si m p r o v e d t 0t h ef e a t u r e sa sh i g hp o w e ra n dl a r g ee l e c t r i cc u r r e n to ft h ee l e c t r o l y s ep o w e rs u p p l y ， t h es h a r ea l i k eo ft h ec u r r e n ti np a r a l l e lc o n n e c t i o nr e c t i f i e ri sa n a l y s e dd e t a i l e d l y , t h e c o e f f i c i e n to fs h a r ea l i k eo ft h ec u r r e n ti sm e a s u r e d t h es h a r ea l i k eo fc u r r e n tm e a s u r e su s i n g h lh i g hp o w e re l e c t r o l y s ep o w e rs u p p l ya r ed i s c u s s e da n dp r e s e n t e d t h ei n t e l l e c t i v ep r o t e c ta n dm o n i t o rs y s t e mu s i n gp l c a st h ec o r e ，a n di n d u s t r i a lc o n t r o l m a c h i n ea st e r m i n a ls e t a l lt h ef a u l t s ，p r o t e c ta n dc o n t r o ls i g n a lw e r ei n p u ti n t ot h ep l ca n d i n d u s t r i a lc o n t r o lm a c h i n ef o rm o n i t o ra n dc o n t r o lt h r o u g hp r o f i b u ss t a n d a r dc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e t h es y s t e mc a l la c c o m p l i s hs u c hf u n c t i o n sa sd a t aa c q u i s i t i o n ，p r o c e s sc o n t r o l ， a l a r m ，g r a p hd a t ad i s p l a y ，a n d s t a t i s t i c a lf o r m sp r i n t t h i sh i l g hp o w e rr e c t i f y i n gp o w e rs u p p l yi sd e s i g n e df o rt h ei o nf i l mc a u s t i cs o d a e q u i p m e n to fs h a n d o n gh u a y a n gp e s t i c i d eg r o u p t h ep r a c t i c a lo p e r a t i o ns t a t u si n d i c a t e d t h a tt h i sh i g hp o w e rr e c t i f y i n gp o w e rs u p p l yc a ns a t i s f yt h er e q u e s to fc o n t i n u i t y , r e l i a b i l i t y , 1 1 1 工程硕士学位论文摘要 s t a b i l i t ya n dh i g he f f i c i e n c y i nt h ep r o d u c t i o no fe l e c t r o l y t i cc h l o r oa l k a l io fc h e m i c a l i n d u s t r y t h ee n t i r eu t i l a n c eo ft h er e c t i f y i n ge q u i p m e n ti si m p r o v e dg r e a t l y , w h e r e a st h e w o r k i n gs t r e n g t ha n dt h er a t eo fm i s o p e r a t i o no ft h eo p e r a t i o ns t a f fi sc u td o w n k e yw o r d s ：h i 曲p o w e rr e c t i f y i n gp o w e rs u p p l ys h a r ea l i k eo fc u r r e n t d c s m o n i t o rs y s t e m - i v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：必日期：丝年月皇日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名：必导师签名幽日期：望= 二：生链月丛日 工程硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 工业上用电解饱和n a c i 溶液的方法来制取n a o h 、c 1 2 和h 2 ，并以它们为原料生产 一系列化工产品，这一行业称为氯碱工业【1 1 。氯碱工业是最基本的化学工业之一，它的 产品除应用于化学工业本身外，还广泛应用于轻工业、纺织工业、冶金工业、石油化学 工业以及公用事业。目前世界上比较先进的电解制碱技术是离子交换膜法。这一技术在 2 0 世纪5 0 年代开始研究，8 0 年代开始工业化生产。离子膜法制氯碱即利用离子交换膜 作隔膜采用电解法生产烧碱和氯气、氢气的简称，也称为离子交换膜法制氯碱【2 】。这一 技术，具有设备占地面积小、能连续生产、生产能力大、产品质量高、能耗低、污染小 等优点，是氯碱工业发展的方向。 氯碱工业的电解是化学工业企业生产的一个重要环节，一般是在专用的电解槽中进 行。实现电解这一还原过程，需要大量直流电。因此各厂都设有整流所来完成交流电向 直流电的转换。为了降低成本保证电解槽高效率运行，电解厂需可靠的整流电源控制系 统来实现安全、经济、稳定、连续的供电。人们将整流所比作电解厂的心脏1 2 j 。其工作 的质量好坏、稳定与否对企业的生产影响巨大。 1 1 课题的来源及研究发展现状 1 1 1 课题的来源及研究装置的主要技术指标 本课题是为山东华阳农药集团研制、开发的一种可靠性高、抗腐蚀能力强、安全性 好的同相逆并联三相桥式晶闸管整流装置。采用株洲时代集团公司生产的 k h s 1 6 k a 3 9 2 v 型整流装置，江西变压器厂提供的变压器，上海海鼎提供的纯水装置， 浙江中控提供的d c s 控制系统，为华阳农药集团从意大利引进的u h d e n o r a 公司的 离子膜烧碱生产装置提供电解电源。该电源装置的主要技术指标和技术特点为： ( 1 ) 额定输出电流：1 6 0 0 0 a额定输出电压：3 9 2 v ( 2 ) 主电路采用同相逆并联三相桥式电路，使其中流过大小相等方向相反的电流， 以便互相补偿，使引线周围的磁通得到最大限度的抵消，消除了变压器引线的电抗分量 压降，提高了变压器的功率因数1 3 l 。 ( 3 ) 选择带有载调压开关的整流变压器，将3 5 k v 网侧电压变为系统要求的阀侧交 流电压，并通过2 7 级有载调压开关使阀侧交流电压在6 5 1 0 5 的范围内可调。( 有载 调节开关为粗调节，晶闸管为细调节) 。根据晶闸管控制角的变化来自动调整有载调压 开关的档位，保证晶闸管控制角在5 。 - - 3 0 。内运行，从而提高变压器的运行效率，达 到变压器经济运行，大幅度降低了变压器的空载损耗。 工程硕士学位论文 第一章绪论 ( 4 ) 整流器输出电流较大时，采用每个整流臂由多只晶闸管元件并联电路，加大 每个整流臂的电流容量，电流储备系数( 裕度) 为2 - - 5 倍以上。每整流臂晶闸管选用 k p x 2 6 0 0 1 6 晶闸管元件3 只，单柜共3 6 只。快速熔断器选用r s g 6 2 8 0 0 a 9 5 0 0 vp b k 型新型快速熔断器，其过载能力强、损耗小，分断能力达1 0 0 k a 以上，安全可靠。整流 装置的直流输出侧，装有直流电流测量装置与电压变送器，作为直流电流和电压反馈元 件，将采样信号送到主控板。 整流桥臂采用洛阳铜加工厂生产的1 5 0 m m x 3 0 m m 型双孔水冷挤压铜排直接压装 晶闸管元件，冷却效果好，结构紧凑，维护方便。水冷母排表面采用先进的镀镍工艺处 理，既达到了防腐目的，又不降低母线的导电性能。 1 1 2 电化学用大功率电解电源的发展现状 电化学用电解电源己经在化工行业、有色金属行业以及机车拖动等方面得到了广泛 的应用，现在国内外大功率整流电源达到的功能指标分述如下： 1 、整流机组的调压方案 目前，国内外电化学整流电源输出直流电压的控制方式有两种，即大功率二极管整 流机组的调压方式和大功率晶闸管整流机组的调压方式。 ( 1 ) 大功率二极管整流机组的调压方式 该调压方式的主调压变压器采用有载开关粗调，辅调压采用内附式自饱和电抗器细 调。主调压方式多为自耦调压方式，既经济，又合理。调压范围一般为( 5 - - 1 0 5 ) u o n ， 下限考虑了整流柜直流侧短路做均流试验的需要，上限则考虑了电源电压负波动时保证 整流机组达到额定输出电压u 训。调压级数多采用有载调压。考虑设备制造及维修因素， 级电压过高影响开关电气寿命，级电压过低，开关动作频繁。国外有载开关的交流级电 压通常为3 0 0 0 - 4 0 0 0 伏及以下；目前我国有载开关的交流级电压为1 2 0 0 - - - 2 5 0 0 伏及以 下，可供选择的调压总级数通常为7 ，1 5 ，2 7 ，3 5 ，5 4 和7 0 级。通常情况下，每级电 压差，对于冶金、有色电解宜在系列正常运行电压的2 4 之间1 4 j 。 辅调压主要采用自饱和电抗器来完成，此时饱和电抗器必须实现：在有载分接开关 的直流级差电压范围内起细调作用；减少有载分接开关的动作次数，延长其寿命和检修周 期，其调压范围应大于有载分接开关的直流级差电压，通常不小于两级差电压，铝电解 时还应不小于一个阳极效应的电压：校正由于电网电压的波动引起的直流输出的波动； 校正机组间以及同机组整流柜间负载分配的不平衡。 该调压方式下整流电源的稳流控制是通过调节饱和电抗器的控制绕组以及偏移绕 组的电流来完成的，电路采用直流电流负反馈的无差控制器，任何网压和负载的波动在 饱和电抗器调节范围内都能获得精确的闭环控制【5 j 。 ( 2 ) 大功率晶闸管整流机组调压方式 2 工程硕士学位论文第一章绪论 由于电化学生产过程中有时需要较低的工作电压，有时又需要较高的工作电压，如 果完全由晶闸管来调节系列工作电压，晶闸管将有时工作在深控状态，将造成机组功率 因数很低、谐波电流增大等现象，因此宜采用无载或有载调压变压器实现粗调。无载抽 头简单、投资省，通常可以具有2 5 、5 0 、7 5 的输出电压抽头；而有载操作极其方 便，通常以级数较少的有载调压为好，晶闸管的调压为无级调压。通过给定和反馈信号 的比较，自动实现整流电源的调压和稳流，动态响应快，稳流精度高 6 1 。 2 、功率器件与保护器件 ( 1 ) 功率器件 随着半导体器件设计和制造水平的不断发展，电化学整流电源用大功率整流元件的 发展亦日新月异。目前在国外大功率电化学整流电源中，已采用4 英寸( ( p 1 0 0 m m ) 硅 片的大功率整流二极管或晶闸管的设备，如a b b 、f u j i 等公司。国内大功率电化学整 流电源多为采用3 英寸( q 7 7 m m ) 硅片的大功率整流二极管或晶闸管的设备【7 】。目前3 英寸整流二极管、晶闸管的制造水平为：电流1 6 5 0 - - 3 0 0 0 a ，电压1 0 0 0 5 0 0 0 v ，器件 特性及工艺水平完全可以替代国外产品，主要生产厂家有株洲电力机车研究所、西安电 力电子技术研究所等单位。近几年来，经过生产制造厂家、相关设计院及广大直接使用 大功率电化学整流电源厂家的技术人员及专家、学者的不断努力，采用4 英寸元件完成 电化学整流电源的时机已经成熟。 目前，我国完成了4 英寸整流二极管、晶闸管的设计和制造，并开始逐步应用。随 着配套器件的不断完善，4 英寸功率器件的应用必将开创电化学整流电源发展的第二个 春天。目前4 英寸整流二极管、晶闸管的生产水平为：电流3 0 0 0 a - - 5 0 0 0 a ，电压3 0 0 0 v - - 6 0 0 0 v 引。 ( 2 ) 保护器件 在电化学整流电源中，国内外制造设计原则是：当大功率整流二极管或晶闸管发生 故障而损坏时，为了防止事故的进一步扩大，并保证整流电源的稳定可靠运行，多采用 与功率器件串联快速熔断器的方法进行保护，快速熔断器的保护特性和可靠运行对整流 电源系统十分重要。目前国外快速熔断器的分断能力已达2 0 0 k a ，国内最高可达 1 2 6 k a 8 l ；由于快速熔断器熔体电阻、连接排阻抗、接触电阻等等效电阻较大，在大电 流系统中，熔断器的温升较大，为了降低温升，提高快速熔断器的运行可靠性，国内外 快熔制造厂家一方面改变快熔连接结构，减小接触电阻，另一方面整机制造厂家采用水 冷的方法带走热量。随着3 英寸、4 英寸大功率整流二极管、晶闸管的广泛应用，我国 大容量快熔的设计制造水平也不断提高，基本上已能满足现有功率器件应用的要求。 3 、整流柜结构 为了满足电化学负荷功率增大的需要，整流设备曰益向大容量方向发展。国外二极 管整流器单台额定功率可达6 0 m w ，国内单台额定功率已达5 0 m w 。随着整流电源功率 的增大，相应在器件选用、结构等方面要采取许多措施，首先的措施就是采用大功率整 3 工程硕士学位论文第一章绪论 流元件，国外a b b 、f u j i 、s i e n e n s 、a l s t h o m 等公司广泛采用3 英寸 - - 4 英寸直径 硅单晶片制造的1 6 5 0 5 0 0 0 1 0 0 0 6 0 0 0 v 的功率器件1 9 1 ，国内多应用3 英寸器件，4 英寸器件的应用正在逐步展开，大功率元件的应用减少了并联支路数，为装置容量的增 大提供了条件；另外，整流柜结构的合理设计为装置容量的增大提供了保证。 众所周知，大功率电化学整流电源的主要特点是：功率大( 电流大，电压高) ，可 靠性要求高，要求控制系统稳定，整流效率高，保护准确及时。在整流柜结构中，影响 可靠性的主要因素决定于并联元件臂均流系数的好坏。国内过去常采用串联均流电抗器 的方法，虽然提高了均流系数，但均流电抗器带来的负面效应更大，如噪音大，维护困 难，整流效率低等等。随着技术的进步和电力半导体器件的发展，国内各制造厂家对各 种运行工况进行了分析，通过提升并联器件内部结构参数和晶闸管控制系统，直接使用 并联元件，从而解决提高整流效率的问题。因此，在国内各种场合( 化工、电解铝、电 弧炉、炭素等) 的大功率电化学整流电源中，均不采用串联均流电抗器的方法，并联元 件臂的均流系数确保0 8 6 ，整流效率比采用均流电抗器的结构( 同等规格) 高o 5 1 左右【l o l 。 目前，国内外采用的主柜结构主要有如下二种： ( 1 ) 同相逆并联结构 以日本f u j i 公司为代表推出的整流变压器、整流装置同相逆并联的结构，在国内 外已被广泛使用。由于流过整流变压器同相的一对桥臂以及正、负汇流母线中的电流均 大小相等方向相反，故使各自产生的交变磁通在逆并导体的外部相互抵消，从而提高了 整流装置相间及臂间阻抗的对称性【1 1 1 ，减少了铁磁材料外壳和框架中的涡流损耗，改善 了并联元件的均流状况，提高了整流装置运行的可靠性，有效地解决了电化学用大功率 整流装置的特有问题，有利于整流装置功率的增大。 ( 2 ) 母线框架自撑式结构 为了彻底避免大电流产生的空间磁场在周围铁磁材料制成的外壳和框架中造成的 发热的现象，以a b b 公司为代表的一些制造商采取了母线框架自撑式结构，取消了专 用的框架和外壳。这种结构以直流汇流母排为基座，以整流臂交、直流母线为支撑柱， 自身构成一体【l ，结构紧凑，在避免框架外壳发热损失、减小体积等方面显示了优越性。 由于受结构的限制，该结构的整流装置多为三相桥式电路，整流变压器与整流柜之间的 连接仅有六组母排。 近几年，国内在吸收国外经验的基础上，设计和生产了同相逆并联的母线框架自撑 式结构的大功率电化学整流电源。另外法国的a l s t h o m 公司、瑞士a b b 公司还采用 了整流器安装母线排同轴结构的方法，有效地解决了大电流带来的各种问题【1 2 1 。 4 、控制系统 随着控制技术的发展，晶闸管整流器在国内已成为应用的首选，二极管整流器仍然 被采用，斩波整流器的应用尚处于初级阶段【1 3 】。 4 工程硕士学位论文第一章绪论 晶闸管触发系统及控制系统的可靠性和稳定性对整流电源来说是十分重要的。目前 国外f u j i 、a b b 等公司既有数字控制，也有模拟控制，互为备用【14 1 。国内制造厂家一 般为模拟控制，也有采用数字控制的。提高触发回路、控制回路、保护回路的智能化、 故障自诊断能力、自保护能力，是国内外整机制造厂家开发应用努力的方向。 综合自动化控制系统已成为电化学整流电源发展的方向，包括高压部分、整流变压 器、整流装置、纯水冷却装置、直流刀开关、控制系统、检测系统、电解槽等，均纳入 计算机监控范围。包括图形画面显示，电流、负荷棒图，工作状态指示，遥控、遥测， 电压小时、电流小时、功率计算，日报表、月报表等【l5 1 。 由于在电化学用大功率整流电源中，存在着多相电磁场的严重干扰，为了使控制系 统稳定可靠工作，国内外的制造厂家都采用了抗干扰技术，诸如：使用门极触发电流较 大的晶闸管，使其门极触发电流的下限值设定在1 0 0 m a 以上；在晶闸管的门极和阴极 之间并联电阻和电容，电阻值小有利于抗干扰，但会分流门极触发电流，电容量大也有 利于抗干扰，但会影响触发电流的前沿陡度，不利于并联晶闸管的同时导通，故较理想 的方法是在门极设置负偏压；采用l c 滤波器以及在控制电源变压器中增加原付绕组间 的屏蔽层克服电网电压畸变对控制电路的干扰；结构的优化设计，合理布局及采取屏蔽 走线等方式克服杂散电磁场对控制电路的干扰等【l6 j 。 对电化学整流电源中的晶闸管控制系统应尽量避免深控。越深控，环流越大，对变 压器容量也有影响【1 。丌，波形畸变严重，功率因数变坏，谐波电流增大，对抗干扰的要求 更高，将不利于控制系统的稳定可靠运行。 5 、谐波补偿 无论是二极管整流系统采用饱和电抗器稳流还是晶闸整流系统的直接相位控制，均 会在交流电源及直流负载回路内引起高次电流、高次电压谐波；尤其晶闸管整流的直接 相位控制系统，其交流电源回路内的电流谐波将引起电网波形发生畸变，形成电网“污 染 ，为此，必须采取谐波抑制措施。国内外所采用的主要措施如下： ( 1 ) 增加直流电输出电压脉波数 增加直流输出电压脉波数，有利于特征谐波的减少( 特征谐波为k m + l ，k 为正整 数1 ，2 ，3 ) 。实际运行时，由于电网、整流装置、负载回路的参数不均衡，不是理 想状态，故而仍会存在偶次谐波和低次谐波。 ( 2 ) 设置高次谐波滤波器 交流电网设置高压滤波器，国内外各制造厂家广泛应用的是l c 串联谐振滤波器。 电容器用作整流装置的固定无功补偿，各次l c 谐振电路可提供相应的高次谐波补偿电 流，根据运行情况分别设置几个不同谐振频率的l c 串联谐振支路，来补偿高幅值的谐 波电流。 近几年来，我国各制造厂家为冶金、化工、有色等电化学整流电源应用单位设计安 装的谐波补偿装置均投入运行，并取得较好的成果。已采用的谐波补偿装置主要有两种 工程硕士学位论文第一章绪论 型式。一种是接在调压变压器第三绕组上，这种型式是将谐波补偿装置设置在谐波发生 源处，按谐波发生在哪里，便在哪里治理的原则是合理的，而且电压低，滤波系统设计 制造较容易，但因没有充分利用移相消除特征谐波的原理，机组的补偿装置没有得到充 分利用，一方面调压变压器存在一个大感抗，使补偿设置的效果并不显著，另一方面高 压变压器第三绕组引出线套管至滤波装置断路器一段继电保护不易完善，当绝缘监控装 置失灵或拒动，使这一段设备处于无监护无保护状态，对变压器的威胁很大。第二种是 将谐波补偿装置集中接在高压交流母线上，这种型式避免了第一种型式的所有缺点，滤 波效果显著i l 引。 目前，在我国电解整流行业使用的有载调压变压器、整流变压器、整流器、谐波抑 制与无功补偿装置及晶闸管和快速熔断器的生产已基本成熟，但是完全国产化的晶闸管 整流控制系统尚未具备优良的性能。在短期内解决这个问题的行之有效的途径是以国外 知名公司的核心元件为主。为了使整流控制装置在安全、稳定、可靠运行的同时易于维 护，控制装置的研发必须遵循结构模块化、硬件标准化、软件固定化与标准化、接口形 式简单可靠、安装方便、更换备件无需调试以及冗余控制的原则开展。 1 1 3 电解行业整流监控保护系统的现状 目前，我国大多数化工企业电解系统仍采用继电器控制方式，手动操作、人工抄表， 劳动强度大，极易误操作，控制精度低。 电解槽一般由数台至数百台串联成为一个系列，其直流电压为数十至数百伏，电流 由几千安到几百千安，功率自数千伏安至数万伏安。但是从变电站送出的电源都是高压 三相交流电，这就需要在通到电解槽之前先进行降压、整流。晶闸管整流装置就是把供 电系统的高压交流电变为低压直流电的设备，所以大功率整流装置是电解槽赖以工作的 一项关键电器设备，也是电解槽工作的技术难点【l 引。对整流装置的控制，目前使用最普 遍的方式是采用小规模集成控制电路，其可靠性很难得到保证。此外，由于它采用三相 锯齿波与直流控制信号相比较获得移相脉冲，而锯齿波的斜率、占空比、幅值等都与器 件参数有密切关系，因而调试起来十分困难。同时，系统运行时现场干扰十分严重【2 0 j ， 而这种干扰使比较信号的微小偏差都可引起较大的相误差，因而产生触发脉冲的精度和 对称性不高，从而使得输出的电解电流不能够严格跟踪因生产的需要预设的电流曲线。 并且，由于采用的是硬件电路进行控制，因而对整个系统的工作状况不能全面方便地进 行监视，一旦发生故障，将不得不对整个系统进行大检修，严重影响了生产、工作效率。 有效解决这些问题，提高企业的生产效率，促进企业的现代化步伐，提高企业的市 场竞争能力，必须采用新的控制策略来重新实现整流监控系统。近年来随着微电子技术 的突破，微处理器性能的提高，价格的下降，中断响应和处理速度的提高，使得在微处 理器或微计算机系统基础上实现生产过程的计算机控制和管理成为现实。为此，我们设 6 工程硕士学位论文 第一章绪论 计了直接用工控机来完成对晶闸管进行监控保护的系统。另外，由于槽电流是电解生产 过程中的一个重要参数，它的变化对电解的效率、耗能量、电解的质量都有很明显的影 响1 2 0 1 ，因而实时高精度地控制槽电流有重大的意义。而槽电流的大小完全受晶闸管导通 角的影响，为此我们在控制算法上采用p i d 调节器调整控制角的大小，以保证槽电流跟 随预设电流的变化。实际运行表明，这种控制方式有效地解决了模拟控制设备所带来的 问题，给企业带来了很大的经济效益【2 。 2 课题研究的内容和意义 1 2 1 本课题的研究内容 大功率整流电源的快速发展为电化学工业带来了勃勃生机，“绿色 整流电源装置 的大容量化、智能化也是我们力图实现的目标。本课题即针对山东华阳农药化工集团有 限公司引进意大利d e n o r a ( 现为u h - d e n o r a ) 的离子膜烧碱生产装置所需直流电源，成功 开发套功能齐全、智能控制、图文并茂的智能化大功率整流装置( k h s 一1 6 k a 3 9 2 v ) 。 该系统于2 0 0 6 年1 0 月一次性成功投运。 k h s 系列电化电解用晶闸管整流装置，主要用于铜、铝、锌、镁、锰等有色金属冶 炼和食盐、水的电化电解与电炉炼钢及其它需要高电压大电流直流电源的地方。本系列 装置主电路联结通常采用三相桥式或六相双反星型接线方式。多套工作在同一电网内的 装置可以构成十二、十八，二十四或更高脉波数整流电路。由工控机或可编程序控制器 ( p l c ) 与数字触发系统构成计算机数字控制系统，完成对整流系统的监测、保护、控 制调节和触发功能。并可以与d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 系统通讯，完成整个生 产过程的实时控制、状态监测、数据采集保存、生产调度。 本课题主要设计和研究了： l 、l ( h s 一1 6 k a 3 9 2 v 大功率整流电源的主电路的选型、器件规格、连接方式，触发 电路的控制方式、触发板的分析与设计，电路保护系统分析及选择： 2 、大功率整流电源的均流需求分析，均流试验分析，均流措施的研究与设计； 3 、大功率整流电源的谐波分析，谐波抑制手段的分析与选择； 4 、k h s 一1 6 k a 3 9 2 v 大功率整流电源的智能监控系统设计，包括监控系统界面，p l c 保护系统的设计。 1 2 2 课题研究的主要目的和意义 随着电力电子技术的发展以及电化学工业作为电解电源使用的大电流硅整流装置 应用技术的不断提高，对大电流硅整流装置的设计和制造提出了新的要求，不仅在整机 7 工程硕士学位论文第一章绪论 性能上要满足电化学工业生产的特殊要求，而且整机的效率和可靠性越来越成为硅整流 装置的重要指标。 电解化工中的主要生产设备一电解槽，需要由直流电源供电，硅整流装置担负着将 高压三相交流电源变换为电压较低的直流电源的任务。由于电解电源工作电流大，伴随 而来的电磁场以及谐波问题己到了不可忽视的地步。另外，大电流硅整流装置的每一个 整流臂均由多只硅器件并联而成，这样就存在电流均匀分配的问题。本课题在延长大功 率整流电源的器件寿命、提高整流电源的工作效率、使系统操作方便等方面进行了有益 的探讨和实践。 8 工程硕士学位论文第二章大功率整流电源系统的分析与设计 第二章大功率电解整流电源系统的分析与设计 2 1 大功率电解整流电源系统概述 2 1 1 大功率电解整流装置的特点 大功率电解整流装置主要用作铝镁电解、食盐水电解、其他金属电解、水电解、石 墨化电炉和直流电弧炉等设备的直流电源，其中用量最多的领域是铝电解和食盐电解工 业【2 2 1 。 上述无论哪种用途的整流装置都需要提供强大的直流电流，并且硅整流装置一旦投 入生产运行，就必须连续供电，不允许停电。由于此类整流装置耗电量大，故提高整流 装置的效率、功率因数，减少对电网的谐波干扰是极为重要的。 电解用直流电源的输出电压视具体情况而定。通常，每个电解槽需数伏电压，单槽 供电则需要低电压大电流电源。 电解用大功率整流装置对不同的应用场合，虽然规格不尽相同，但要求类似。其主 要的要求为：效率高，设备投资低；可靠性高，不发生故障停电；操作、维护和保养简 单方便；电流稳定( 在士2 范围内) ，控制反应灵敏；直流电功率计量准确；耐腐蚀性气 体；安装面积小，安装工程简单；直流输出功率留有裕量。 2 1 2 大功率电解整流装置的系统组成 一般地说，大功率整流装置的系统主要由高压隔离开关( h vi s o l a t i n gs w i t c h ) 、高压 断路器( h vc i r c u i tb r e a k e r ) 、有载调压器( 1 0 a ds w i t c h ) 、饱和电抗器( s a t u r a t i o nm a c t o r ) 、整 流变压器( r e c t i f yt r a n s f o r m e r ) 、硅整流装置( s i l i c o nr e c t i f i e ra s s e m b l y ) 、控制系统( c o n t r o l s y s t e m ) 、交流互感器( a cm u t u a li n d u c t a n c e ) 、直流传感器( d cm u t u a li n d u c t a n c e ) 、直流 母线刀开关( s w i t c hf o rd cb u s b a r ) 及纯水冷却装置( p u r ew a t e rc o o l i n ge q u i p m e n t ) 等部 分组成。 图2 1 是电解用晶闸管整流装置的框图。 9 工程硕士学位论文第二章大功率整流电源系统的分析与设计 图2 - 1 电解用晶闸管整流装置框图 2 1 3 大功率电解整流电源装置的联结型式和调压方式选择 1 、常用联结型式 用于电解的整流装置有整流管和晶闸管整流装置两大类。由于控制方式的不同，在 选择联结方式时应有不同的区别。常用的联结型式为六脉波双反星形带平衡电抗器联结 和三相桥式联结。当输出相同的直流电压时，前者每臂承受的峰值电压为后者的两倍， 而输出相同的直流电流时，前者的每臂平均电流为后者的一半。因此前者适用于电压较 低、电流较大的电路，后者适用于输出电压较高的电路【3 】。对大电流的电解电源装置， 由于负载波动导致谐波含量高，同相反并联三相桥式联接可大大减少谐波造成的影响 【2 3 1 。对于额定直流电压、额定直流电流的常用电联结方式可参见表2 1 【2 4 1 。 表2 - 1 电解用整流装置的电联结方式 额定直流电压范额定直流电流 序号电联结型式 围( 范围( a ) 15 0 03 1 5 0 0 双星形带平衡电抗器联结 两套双星形带平衡电抗器的同相逆并联联结，也 25 0 02 5 0 0 0 用一般并联联结 33 1 5 1 6 0 0 0 单桥联结 43 1 51 2 5 0 0 双桥同相逆并联联结和一般并联联结 55 0 01 2 5 0 0 1 2 脉波双桥联结 63 1 5 2 5 0 0 0四桥两组同相逆并联联结和一般并联联结 1 0 工程硕士学位论文第二章大功牢整流电源系统的分析与设计 7l5 0 0 i 四套双星形带平衡电抗器的两组同相逆并联联结 5 0 0 0 0l l 和一般并联联结 2 、常用调压方式 对于整流二极管整流装置的调压方式可采用带调压开关的变压器、调压器、饱和电 抗器及其组合方式，一般有以下几种：有载分级自耦调压器和饱和电抗器联合调压；整 流变压器的网侧绕组有载分级调压和饱和电抗器联合调压；感应调压器或移圈调压器调 压；串联调压；对容量不大、调压要求不高、允许停电调压的设备，也可用无载分级调 压或变压器网侧绕组星一三角转换方式进行调压。 对于晶闸管整流装置，可以利用晶闸管的相控特性进行电压调整。原则上可以在输 出电压的o 1 0 0 范围内调节。为提高晶闸管整流装置的功率因数，避免在深控状态 下长期工作，为此可以和整流变压器网侧绕组有载分级调压方式以及有载或无载分级自 耦调压器联合调压。硅整流二极管和晶闸管整流装置在电气性能、结构特点、适用范围 等方面各有特点，它们的特性比较见表2 2 【2 4 1 。 现在常用的方式主要采用有载变压器进行粗调，采用晶闸管整流装置进行细调。 表2 - 2 硅整流二极管和晶闸管整流装置的特性比较 项目晶闸管整流装置 硅整流二极管整流装置 利用晶闸管本身的开关特性，进行门极相用有载调压开关和饱和电抗器 电压调整 位控制调压，调压范围0 一1 0 0 联合调压，使用电磁器件 1 ) 控制精度高，反应速度快( 取决于控制 用饱和电抗器调压范围小，响 电路时间常数) 应速度为0 1 0 5 s 。大幅度调压 控制性能 2 ) 可以实现软起动，并可用门极脉冲封锁 必须采用有载开关，调压速度慢 方式分断电路 采用晶体管、集成电路、大规模集成电路 采用磁性元件调压，耗电稍多 控制电路 和可编程控制器等，消耗电能少 对硅器件特性的 电路采取抑制d i d t 和d v d t 的措施，开通 要防止硅器件积蓄效应产生的 时间分散引起电流不平衡，干扰引起误触发，浪涌 考虑 要抑制硅器件积蓄效应产生的浪涌 效率 稍高 稍低 输出电压较低时( 晶闸管深控) ，功率因数 较好 功率因数 降低 谐波 较多较少 因不使用有载调压开关和饱和电抗器，安较大 安装面积装面积较小。户外式整流变压装置安装面积 可大幅度减少 整流柜结构内安装部件多、较复杂简单 工程硕士学位论文 第二章大功率整流电源系统的分析与设计 2 2 大功率电解整流电源分析及设计 2 2 1 整流主电路的分析 由于离子膜烧碱电解所需的直流电流很大，其整流装置如果采用三相半波整流电 路，则每相需要多至十几个晶闸管并联，使均流、保护等一系列问题复杂化，并且存在 直流磁化等问题【1 6 】。如果采用三相桥式电路，输出直流电压脉动频率为3 0 0 h z ，可以减 少谐波分量，提高系统的功率因数。 同相逆并联是一种在交流导排电流大，导排距离长的条件下减小感抗优势比较明显 的技术。当系统采用同相逆并联三相桥式联接方式，利用相同相位、极性相反的两根导 排组成的母线在整流