（控制理论与控制工程专业论文）大电流硅整流装置在氯碱工业中的应用.pdf

大电流硅整流装置在氯碱工业中的应用 专业：控镧理论与控制工程 研究生：陆地 指导老师：李振国尉教授 摘要 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。本论文主要研究了同相逆并联三相桥式晶闸管整流装置在氯碱工业中的应 用。由于该装置的工作电流较大，伴随而来的电磁场以及谐波等问题不可忽视。 另外，每一个整流臂由多只晶闸管并联而成，这样就存在电流均匀分配的问题， 均流系数同样是一个非常重要的技术指标。 本论文对快速熔断器、母线温度和均流系数进行了模拟实验和现场运行的测 试，并且对温度控制系统进行了控制算法的研究和系统仿真，对谐波的产生、危 害和抑制进行了比较详细地论述。 该装置经过现场运行的考验，进一步证明了它完全符合现场工作的要求，达 到了技术设计的指标。 关键词：硅整流装置、同相逆并联、模糊控制器、均流系数、谐波 研究类型：应用研究 t h e a p p f i c a f i o n o f h e a v y - c u r r e n t s i l i c o nr e c t i f i e r a s s e m b l y i n t h ec h l o r i n ea n da l k a l i i n d u s t r y s p e c i a l t y ： c o n t r o l t h e o r y a n dc o n t r o l e n g i n e e r i n g n a m e ：l n d i i n s t r u c t o r ：a s s o c i a t ep r o f l iz h e n g u o a b s t ra c t w i t h d e v e l o p m e n t o f p o w e r e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y a n da d v a n c e m e n to f h e a v y c u r r e n ts i l i c o nr e c t i f i e ra s s e m b l y sa p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y m a i n l yb e e n u s e d i ne l e c t r o l y s i sp o w e rs u p p l yo fe l e c t r o c h e m i s t r yi n d u s t r y , s o m en e wd e m a n d sh a v e b e e np u tf o r w a r df o rd e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fh e a v y c u r r e n t s i l i c o nr e c t i f i e r a s s e m b l y s a m ep h a s e i n v e r s e p a r a l l e l c o 衄e c t i o n s t h r e e - p h a s eb r i d g et h y r i s t o r r e c t i f i e r a s s e m b l y w a sr e s e a r c h e d m a i n l yt h ea p p l i c a t i o n i nt h ec h l o r i n e - a l k a l i i n d u s t r y a s t h e w o r k i n g c u r r e n to ft h i s a s s e m b l y i s v e r yb i g , c o n c o m i t a n t e l e c t r o m a g n e t i cw a v e ，h a r m o n i c sa n ds oo nc a n tb e e nn e g l e c t e d i na d d i t i o n ，e a c h r e c t i f i e ra r l nw a sm a d eo fm a n yt h y r i s t o r st h a ta r ep a r a l l e lc o n n e c t i o n ，s ot h e r eh a d t h ep r o b l e mt h a tc u t e n tw a sd i s t r i b u t e de q u a b l y , i nt h es a m ew a y , c u r r e n t s h a r i n g c o e f f i c i e n tw a sa v a r yi m p o r t a n tt e c h n o l o g yi n d e x i nt h i sp a p e r , i td i ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta n dt e s t e di nt h el o c a l ef o rq u i c k f u s e ， g e n e r a t r i xt e m p e r a t u r ea n dc u r r e n t s h a r i n gc o e f f i c i e n t m o r e o v e r , i td i dr e s e a r c ho n c o n t r o la r i t h m e t i cf o rt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e ma n dd i ds y s t e ms i m u l a t i o n a n dt o d i s c u s sc o m p a r a t i v e l yd e t a i l e d l yh a r m o n i c sp r o d u c e ，h a r ma n dr e s t r a i n t h es e to f e q u i p m e n t h a sb e e nr u ni nt h el o c a l e ，i t sr u n n i n gr e s u l tp r o v e df u r t h e r i t sd e s i g nt oa c c o r dc o m p l e t e l yw i t ht h ew o r k i n gd e m a n do fl o c a l ea n dr e a l i z e dt h e t e c h n o l o g yi n d e xo f d e s i g n k e y w o r d s ：s i l i c o nr e c t i f i e ra s s e m b l y 、s a l v ep h a s ei n v e r tp a r a l l e lc o n n e c t i o n 、 f u z z yc o n t r o l l e r 、c u r r e n t - s h a r i n g e o e l f i e i e n t 、h a r m o n i c s r e h a s h t y p e ：a p p f i c a t i o n r e s e a r c h - h 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 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，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 1 论文作者签名：嘉识 日期：知。班寻，2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留，送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：鞭导师签名孚蓼习日期：嗲力二 注：请将此页附在论文首页。 1 绪论 1 1 课题的来源及发展动态 1 1 1 课题的来源及主要技术指标 为了满足我国氯碱工业设备改造的需要，本课题是为山东塑料实验厂在产品更新换代过 程中研制、开发、生产的一种可靠性高、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( 装置型号为k h s - - 2 0 0 0 0 a 4 0 0 v ) 。该装置的主要技术指标为： ( 1 ) 额定输出电流：2 0 0 0 0 a ； ( 2 ) 额定输出电压：4 0 0 v ； ( 3 ) 电压调节范围：1 0 0 - - 4 0 0 v ； ( 4 ) 稳流精度：l ： ( 5 ) 负载等级：i 级1 0 0 i d n 连续； ( 6 ) 冷却方式：水一水冷却； ( 7 ) 水耗量：1 5 立方米d , 时( 温差5 ) ： ( 8 ) 水质要求：送入整流装置的循环水应为去离子水。 1 1 2 电化学用电解电源的发展动态 电化学用电解电源已经在化工行业、有色金属行业以及机车拖动等方面得到了广泛的应 用，现就电解电源的主要部分分别叙述如下： ( 1 ) 电解电源中硅器件的发展非常快，在k i - i s - - 2 0 0 0 0 a 4 0 0 v 同相逆并联三相桥式晶 闸管整流装置中采用的是3 英寸( 硅片直径为0 7 7 m m ，单只晶闸管为2 5 0 0 3 0 0 0 a ， 1 2 0 0 1 8 0 0 v ) 晶闸管( t h y r i s t o r ) ，目前4 英寸整流二极管、晶闸管已经达到3 6 0 0 a ，4 4 0 0 v 。 从4 英寸硅器件的稳定程度及制造水平来看，国外的公司( 如a b b 、g e 、f u j i 等) 比国内 的制造厂要好一些，特别在组装工艺水平、参数一致性及检测手段等方面更优于国内的制造 厂，并且国外5 英寸硅器件已形成批量生产规模。 ( 2 ) 快速熔断器的保护特性和它的可靠运行是非常重要的。一方面是接触面的电阻过大， 发热量将增大。国内外厂家均采用提高接触面材质的办法来降低接触面的电阻；另一方面采 用水冷的方法带走热量，或两个措施并举，国外己研制出自带散热器或冷却器的快速熔断器。 目前，国外快速熔断器短路电流已达2 0 0 k a 以上，国内也可达1 0 0 k a 。 ( 3 ) 国内硅整流装置一般采用同相逆并联结构，其特点是可消除磁场干扰，均流好，缺 点是接线复杂，阀侧有短路的可能；国外的公司一般不采用同相逆并联结构，而是在提高硅 l 一 西安建筑科技大学硕士学位论文 器件的质量上下功夫，采用白支持非封闭结构，可达到消除磁场干扰、均流好的效果，若需 要外壳，一般采用非导磁材料。 ( 4 ) 在玲却方式上，国内外都是采用水一水或水一风冷却等方式。 ( 5 ) 在控制、保护及触发回路，国内外都正在开发研制智能型、自诊断型和全数字型的 系统。国外现已设计出最新控制器一p s r ( 高速可编程) ，这样，使晶闸管整流装置( t h y r i s t o r r e c t i f i e ra s s e m b l y ) 的安全可靠性将大大提高。 ( 6 ) 谐波吸收装置主要有两种型式：接在调压变压器的第三绕组上；接在高压交流母线 e 。 1 2 课韪研究的意义和主要应用领域 1 2 1 课题研究的主要目的和意义 随着电力电子技术( p o w e re l e c t r o n i c s ) 的发展以及电化学( e l e c t r o c h e m i s t r y ) 工业作为电 解( e l e c t r o l y s i s ) 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。 本课题主要是研究电力电子成套装置在氯碱工业中的应用。氯碱工业中的主要生产设备 电解槽( e l e c t r o l y t i cb a t h ) ，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。而作为电解电源使用的大电流硅整流装置从原理上来讲 是非常简单的，简单地说就是一个工频整流电路，但由于其工作电流较大，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( r e c t i f i e r a r m ) 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，对于每一个整流臂甚至整 个硅整流装置来说，均流系数同样是一个非常重要的技术指标。 1 2 2 电力电子技术的主要应用领域 电力电子成套装置的主要应用领域“3 大致可分为： a 电力系统用装置：电力电子是电力系统的二次控制，它已广泛地应用在电力的发电、 输电、配电、用电等电力一切领域，特别是二十世纪8 0 年代后期发展起来的灵活( 柔性) 交 流输电系统( f a c t s ) 非常引人注目。f a c t s 的电力电子成套装置包括晶闸管串联补偿器 ( t c s c ) 、动态静止无功补偿器( s v c ) 、静止无功发生器( s v g ) 、晶闸管制动装置( t c d b ) 、 综合潮流控制器( u p f c ) 、晶闸管移相器( t c p s ) 等，近年来，在扬水电站、超导贮能、新 能源等方面的电力电子应用都有了新的发展。 b 各种电源：化工电解电源、焊接机电源、电弧炉电源、中频电源、各种恒压恒频或变 西安建筑科技大学硕士学位论文 压变频电源、不停电电源、电车或地铁变电所电源、臭氧发生电源和充电电源等等。 e 电机车和汽车：电力机车目前正由传统的直流电机传动( d c m o m r d r i v e r ) 向交流电机 传动( a cm o t o rd r i v e r ) 过渡。硅器件多采用g t o ，但是，最近由于i g b t 的大容量和高电压 的发展，现已开发出以i g b t 为电机车主传动的装置。在汽车工业，电力电子是汽车电子化 的不可缺少的重要部分。它广泛地应用在汽车的发动机的动力系统控制、交流发电机的电压 调节、牵引和制动控制、驱动器、点火器、电泳、空气囊、空调和音响等方面。在电动汽车 中电力电子更占重要地位。电动汽车分为直流电机配斩波器和交流电机配逆变器两种，因此， 控制方式分为斩波器控制、变频器控制和发电机驱动控制。 d 开关用装置：各种交直流无接点开关、固态继电器、接触器等等。电源中的调功器也 可属于这一类。 e 电动机调速装置：包括直流电机调速系统和交流电机调速系统。 f 信息、通讯：计算机、通讯领域对电源要求的可靠性很高。因此，开关电源和u p s 的应用也日益广泛。目前，由于智能m o s f e t 、i p m 和s m a r tp o w e r 等的发展，大大提高了 u p s 和开关电源的性能。 g 机电一体化、数控日用电器和办公自动化：电力电子在日用电器和办公自动化中的应 用越来越广泛。由于逆变器的集成化，使空调、洗衣机、微波炉、电冰箱、复印机、传真机、 手机等上升到一个新的档次。变频空调、变频电冰箱已经开始取代传统的空调和电冰箱。 1 3电力电子及其国内外发展状况和发展趋势 电力电子技术。1 是一种高新技术，它是利用电力半导体器件( p o w e r s e m i c o n d u c t o rd e v i c e ) 对电力的电压、电流、频率、相位、相数等进行变换和控制的技术。是以电力为对象，以微 电子技术、自动控制技术为手段，研究电力( 电能) 在产生、输送、分配、变换、应用等过 程中进行电力再加工的技术。 1 3 1电力电子技术的发展史 电力电子技术的形成有两个基本因素：电力半导体器件和变流技术。国际上以1 9 5 7 年美 国g e 公司研制出第一个晶闸管( s c r ) 作为电力电子技术问世的标致。最早的变流技术是 机械整流器。1 9 0 2 年水银整流器的诞生开辟了旋转变流器新时代。水银整流器在电化学、电 气牵引，特别是在静止“伦纳德”等方面应用，开创了桥式整流电路、循环变流电路、自励 式逆变电路、交流间接变换电路等变流技术，为电力电子技术打下了理论和实践基础。 第一代电力电子技术是在二十世纪5 0 年代以硅整流管、晶闸管为代表的功率半导体器 件，电路以相控电路为主，控制以相控和模拟控制为主。第二代电力电子技术是6 0 年代末 西安建筑科技大学硕士学位论文 7 0 年代初以g t o 、g t r 、m o s f e t 等为代表的自关断电力半导体器件。第三代电力电子技 术是8 0 年代开发的双机理复合功率半导体器件i g b t 、i g t 、m c t 等为代表电力半导体器件。 第四代电力电子技术将是智能化时代，它以功率集成电路( p i c ) 为代表，分为高压集成电路 ( h v i c ) 及智能功率集成电路( s p i c ) 两大类。 1 9 7 3 年，美国的w n e w e l l 用倒三角形对电力电子学进行了描述。1 ，认为电力电子学是 由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的，这一观点被全世界普遍接受。 1 9 8 7 年，国际上对电力电子学又出现了八角形定义。从三角定义到八角定义，反映出电 力电子学的迅速发展。 由此可知，( 1 ) 电力电子技术是电力变换及控制的电子技术，因此，有人称其为强电电 子学或功率电子学。( 2 ) 电力电子技术是以电力半导体器件为核心，所以又称其为电力半导 体器件及其应用技术。 1 3 2 电力电子技术的国内外发展状况及趋势 二十世纪8 0 年代以来，国内外电力电子技术飞速发展，其在电控、电源以及各种电气自 动化系统中的应用日益广泛，新的器件不断涌现、电力电子电路日趋完善，数字控制等技术 广泛应用，不仅使电力电子技术在传统的工业、交通、电力、冶金等方面的应用得到了进一 步发展，而且还扩展到信息、通讯、宇宙、家电等一切领域“。 a 国内外电力电子技术的发展状况：由于自关断和复合电力电子器件的发展，电力电子 成套装置更加适应社会和技术的发展要求，向着大( 大容量) 、小( 小型、轻量) 、高( 高性 能、高精度、高效率、高可靠) 、智( 智能化、多功能化) 的方向发展。这个时候发展的主要 特点是： ( 1 ) 自换相电路的成熟及谐振电路的高速发展：自关断器件的发展使电力电子电路得到 了空前发展，自换相电路已经成熟，得到了广泛应用。p w m 控制的自换相电力电子成套装置 使装置不产生谐波，又可使其功率因数为1 。而在8 0 年代后期出现的软开关电路利用谐振原 理把开关损耗降低为零，大大地提高了电路的工作频率。 ( 2 ) 控制技术向高性能化和多功能化发展：7 0 年代的p i d 模拟式控制，已被无速度偏 差并可同时对许多参量进行调节和综合的微处理机及微型计算机控制所代替，特别是引入了 多变量和分散控制、鲁棒控制等技术后，使控制技术逐步由模拟控制、模拟数字控制、直接 数字控制、p w m 控制发展到矢量控制、无速度传感器的矢量控制、死区时间补偿、准谐振变 流技术等控制技术，使电力电子成套装置的动态和静态指标及保护性能都得到了很大程度地 提高。 ( 3 ) 高频应用技术得到迅猛发展：高频功率半导体器件的出现，使电力电子成套装置的 工作频率已达几百千赫，体积大大缩小。与其配套的器件( 如高频传感器、高频电容器、高 4 西安建筑科技太学硕士学位论文 频变压器等) 和高频抗干扰技术的日趋完善，使电力电子成套装置的高频化应用已成为现实， 并且逐步扩大着应用领域。 b 国内外电力电子技术的发展趋势：由于环境、能源、社会高效化等要求，电力电子成 套装餐正向着以下几个方面发展： ( 1 ) 高性能化：电力电子成套装置的高性能化内容十分广泛。对于大容量装置，采用多 重化和多机并联；降低装置自身损耗；实现高效率化；采用损耗一功率密度考核装置效率； 装置实现自动调谐或自优化、遥控和远控；更加面向用户，进一步提高可使用性和维修性； 装置向着小型、轻量发展，以及降低成本等。 ( 2 ) 标准化：电力电子成套装置的备品、备件将系列化、标准化。超大功率集成电路及 专用集成电路将简化成套装置设计的工作量。 ( 3 ) 智能化：二十一世纪将诞生全智能化电力电子成套装置。智能化包括两方面，即尽 量减少硬件，实现硬件软件化；另一方面，采用智能化电力电子器件和其他智能化部件。集 成化是智能化的基础。 ( 4 ) 全数字化控制：9 0 年代已经采用3 2 位d s p ，二十一世纪全数字控制的应用将更加 广泛深入，甚至取代模拟控制。近几年来，各种现代控制理论、专家系统、模糊控制及神经 元控制等都是发展的热点，将使电力电子控制技术发展到一个崭新的阶段。 ( 5 ) 系统化：电力电子技术及其相关技术的发展，已经摆脱了局部环节的孤立发展，而 注意到整体优势，亦即将电网、整流器、逆变器、电动机、生产机械和控制系统等作为一个 整体，从系统上进行考虑。这是二十一世纪必将实现的目标。 ( 6 ) 绿色化：电力电子成套装置所消耗的大量无功功率及所产生的谐波电流严重地污染 了电网。这种污染类似现代工业对地球的污染。现在已越来越引起人们的重视，二十一世纪 这个问题必须得到解决。治理电力电子成套装置污染的方法有两种：一种是设法补偿无功功 率和谐波，即采用无功功率静止补偿装置和电力有源滤波器。但更积极的方法是使电力电子 成套装置既具有所需的功能，又不消耗无功功率，不产生谐波，为此采用自换相整流装置， 并对其进行p w m 控制。这样既可使输入电流无谐波，又可使其功率因数为l ，实现电力电子 成套装置的绿色化。 1 4 食盐水的电解及生产工艺流程 氯碱工业是基本化学工业之一，它的主要产品氯气和烧碱在国民经济中占有相当重要的 地位。生产氯气和烧碱有着悠久的历史，工业上采用电化学法始于1 8 9 0 年。我国的氯碱工业 n - - t t 岘2 0 年代才开始创建。随着国民经济的发展，氯气和烧碱的需求量逐年增长，产品 品种也不断发展。 1 4 1 食盐水的电解 电化学是研究通过电流产生化学变化和通过化学反应产生电能的科学。食盐水溶液电解 制取氯气、氢气和烧碱”3 ，就是电化学在化学工业上应用的一个重要例子。 当电解质溶液在水中时，便离解成带电的质子一离子，这种过程称为电离。食盐溶解在 水中时，便离解为氯离子( c 1 一) 和钠离子( n a + ) 。以下为反应方程式： n a c i n a + + c 1 。 ( 1 1 ) h ，o h + + o h ( 1 2 ) 2 n a + 2 h 2 0 一2 n a o h + h 2 f ( 1 3 ) 2 c 1 。一2 e 一2 c 1 ( 1 4 ) 2 c l c 1 2f ( 1 5 ) 2 h + + 2 e 一2 h ，h 2f ( 1 6 ) n a + o h 一一n a o h ( 1 7 ) 综合上面几个反应方程式，可以用一个总的反应方程式来表示食盐水溶液电解的全部反 应。 电解 2 n a c l + _+2naoh+c12h20 2 n a o h c 1 2f + h 2 f ( 1 8 ) 2 n a c l + + t + h 2 t 、l 。石， 因此，电解过程的实质是电解质溶液在直流电作用下，溶液中的离子在电极上分别放电 而进行的氧化还原反应。阳离子在阴极上得到电子而被还原，阴离子在阳极上放出电子而被 氧化。 1 4 2 食盐水电解的工艺流程 食盐溶液电解的工艺流程图如图1 1 所示。 6 精 图1 1 食盐溶液电解的工艺流程图 图中：l 一盐水高位槽； 2 一盐水预热器( 一段) ； 3 一盐水预热器( 二段) 4 一水封； 5 一电解槽； 6 一电解碱液贮槽； 7 一电解碱液泵； 1 4 3 氯和烧碱的主要用途 氯和烧碱的用途日益广泛，在工农业生产和人民生活中占有重要地位。氯和烧碱的应用 领域已渗透各行各业，如图1 2 和1 3 所示已有几十个方面。今后将会被人们越来越重视， 应用领域越来越广泛。 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 图1 2 氯的主要用途 图1 3 烧碱的主要用途 2 大电流硅整流装置的系统与分析 2 1 大电流硅整流装置系统 2 1 1 大电流硅整流装置的特征 大电流硅整流装置( h e a v y c u r r e n ts i l i c o nr e c t i f i e ra s s e m b l y ) 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”。 上述无论哪种用途的硅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。由于此类硅整流装置耗电量大，故提高硅整流装 置的效率、功率因素及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。一般铝电解工业使用电压为4 6 0 - 1 2 5 0 v ，食盐电解工业为 1 0 0 - 3 1 5 v 。 电解用大电流硅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 大电流硅整流装置的系统组成 一般地说，大电流硅整流装置的系统主要有高压隔离开关( i - i 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 nr e 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 n r 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 ls 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 ) 、直流互感器( 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 ) 、综合测量装置( d e v i c eo fc o m p r e h e n s i v em e a s u r e m e n t ) 及纯水冷却 装置( p u r e w a t e r c o o l i n ge q u i p m e n t ) 等部分组成。 图2 1 是食盐电解用晶闸管整流装置的电路结构图。 里茎塞墼墼螫奎耋至圭茎堡墼圣 图2 1 食盐电解用晶闸管整流装置电路结构图 图中：p a 一脉冲放大器； p e 一移相控制器； r e g 电流调节器。 2 1 3 硅整流装置的联结型式和调压方式选择 a 联结型式“州”1 ：用于电解的硅整流装置有硅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( t h r e e p h a s eb r i d g ec o n n e c t i o n ) 。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 1 0 上m卜， 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。 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 。 表2 1 电解用硅整流装置的电联结方式 序号额定直流电压范围额定直流电流范围电联结型式 ( v )( a ) 15 0 03 1 5 0 0 双星形带平衡电抗器联结 25 0 02 5 0 0 0 两套双星形带平衡电抗器的同相 逆并联联结，也用一般并联联结 33 1 51 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 01 2 脉波双桥联结 63 1 52 5 0 0 0四桥两组同相逆并联联结和一般 并联联结 75 0 05 0 0 0 0四套双星形带平衡电抗器的两组 同相逆并联联结和一般并联联结 b 调压方式o “”“1 ：对于硅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0 - 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 。 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 电压调整利用晶闸管本身的开关特性，进行门极 用有载调压开关和饱和电抗器 西安建筑科技大学硕士学位论文 相位控制调压，调压范围0 1 0 0 联合调压，使用电磁器件 控制性能1 ) 控制精度高，反应速度快( 取决于 用饱和电抗器调压范围小，响 控制电路时间常数)应速度为0 1 - 0 5 s 。大幅度调压 2 ) 可以实现软起动，并可用门极脉冲必须采用有载开关，调压速度慢 封锁方式分断电路 控制电路采用晶体管、集成电路、大规模集成电采用磁性元件调压，耗电稍多 路和可编程控制器等，消耗电能少 对硅器件特性电路采取抑制d i d t 和d v d t 的措施，要防止硅器件积蓄效应产生的 的考虑开通时间分散引起电流不平衡，干扰引起浪涌 误触发，要抑制硅器件积蓄效应产生的浪 涌 效率稍高稍低 功率因数输出电压较低时( 晶闸管深控) ，功率较好 因数降低 谐波较多较少 安装面积因不使用有载调压开关和饱和电抗器， 较大 安装面积较小。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 2 2 主回路与控制回路 2 2 1主回路与控制回路连接图 主回路与控制回路连接图如图2 2 所示。 图2 2 主回路与控制回路连接图 1 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 2 2 大电流硅整流装置的主回路 大电流硅整流装置常见的主回路接线方式有两组三相桥并联方式和双反星形带平衡电抗 器方式两种。由于硅整流装置的单机电流日渐增大，整流变压器阀侧常有几套绕组各带硅整 流装置作并联运行，从而出现了并联装置之间、相间、臂间、硅器件间的均流问题。硅整流 装置电流越大，大电流磁场以及各部分阻抗的不对称对均流的影响越加严重。伴随着换流回 路大电流产生的强大的交变磁通，在空间形成强磁场，会增加线路电抗以及涡流，导致硅整 流装置的效率和功率因素下降、损耗增加、周围环境温度上升。为了解决这些问题，出现了 所谓同相逆并联( s a m ep h a s e i n v e r t p a r a l l e lc o n n e c t i o n ) ”1 ”1 电路。如图2 3 和图2 4 所示。 r 1 i 田 一1 、4 ，1 。3 3 1 ：) j 1 一一i 一1 一 _ 1a 7 l b i l l i i l ij r - 善一上一l 一* 一 ； 卜* 上 一：音 f ! ! ：f 争一一一一一l 一。* - ! l 图2 3 三相桥式同相逆并联电路 血 8 2 5 。 l 一 ；趣口 图2 4 双反星形带平衡电抗器同相逆并联电路 】3 西安建筑科技大学硕士学位论文 同相逆并联电路的特点是：将两个整流系统组合在一起，使两个系统紧靠在一起的铜排 电流，在任何瞬间均大小相等、方向相反，从而减少各部分线路电抗，并增加相间、臂间阻 抗的对称度。 图2 3 为两个三相桥式电路组成的同相逆并联系统，两个桥的三相交流电压互差1 8 0 0 ( 如 图2 3 a 所示) ，因此当图中左侧桥导电相序为a b 、a c 、b c 、b a 、c a 、c b 时，相应地右侧桥的 导电相序为b 7 a 、c a7 、c 7 b7 、a b 、a 7 c7 、b c7 ，将两个桥组合在起如图2 3 b 所示，使得任何瞬间两桥相邻电路内的电流大小相等，方向相反，磁通得到最大限度的抵消。 图2 4 为两个双反星形带平衡电抗器电路组成的同相逆并联系统，其构成原则和三相桥 式电路的同相逆并联相同。两个双反星形带平衡电抗器系统均独立工作，不过将其中一个系 统的整流臂硅器件极性反接，当a 。臂导电时，另一系统内的a 。7 臂导电，当b 。臂导电时，另 一系统内则为b 。7 臂导电，依此类推。从而使任何瞬间两系统相邻线路内的电流大小相等， 方向相反。 必须指出，为充分发挥同相逆并联的作用，应使两组逆并联系统的相关母线尽量靠近安 装并保证有可靠的绝缘强度。同相逆并联措施不仅可以用在硅整流装置内，也可用于整流变 压器，如图2 5 所示，这样可以使变压器漏磁和由此引起的外壳的涡流损耗减少。这种方式 图2 5 整流变压器的同相逆并联 a ) 旧式的星形接法b ) 同相逆并联接法 也减少了变压器引线的电抗分量压降，提高了硅整流装置的功率因素。 同相逆并联结构的优点：均流系数高、金属结构的涡流损耗小、噪音低，额定电流越大 的硅整流装置，同相逆并联的优点越加明显。缺点是：结构复杂、用材料较多，在额定电流 较小的硅整流装置中最为明显。为了提高同相逆并联的效果，理论上来讲，同相逆并联结构 的间距愈小愈好，但实际上间距小到一定程度效果也就不明显了。另一方面，同相逆并联的 两个臂电流不可能完全相等，这主要是整流变压器的阀侧电压和阻抗不可能完全一致，这样， 1 4 到预期的同相逆并联效果。所以，硅整流装置同相逆并联的臂间距并不是愈小愈好，要考虑 到安装、维修的方便和绝缘距离等因素。 本课题的主回路接线方式采用同相逆并联三相桥式晶闸管整流线路( 装置型号为 k h s 2 0 0 0 0 a 4 0 0 v ) ，调压方式采用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，主回路的原理图如图2 6 所示。 一j - 一 亚! ri7 一一 i _- h ? ： ，r r 一一一i 昔 ： j j i 弘 o 矗二= ； e 昌 掣祜二二耋三! i 广- 交一 i 卜i三艚 世彳芦掣隆 c 二二1 一 止! 荦= ：亳! 1 o 一 乐，一 - - x j 古0 l 兰与! = 二i 至l 广- ? 一 o 一7 1 _ 千l 滓 e 社= 三孚u r 争 ir 、j一三；上辞 峰磊生：= 副r 争 = 3 3 1 5 6 3 0 v1 0 0 1 0 4 q * e l n 6 3 0 - 1 2 5 0 v1 0 0 0 1 0 3 q c m 西安建筑科技大学硕士学位论文 其冷却水的电阻率应不小于2 5 0 0 q c m ( 对应于2 5 左右) ，酸度( p h 值) 为6 9 。当设备 中的冷却水有冰冻的可能时，应采取加热措施或其他防冻措施。 在空气湿度较大、冷却水温较低、与环境的温度差较大时，被冷却的散热导体上往往会 出现凝露并破坏电极间的绝缘而引起故障。故对冷却水的进口温度应加以控制。无露运行的 进口水温下限值见表2 8 。 表2 8 无露运行的进口水温下限值 幕 9 59 08 58 07 57 0下限温度( ) ( ) 八 温度( ) 4 03 8 53 73 53 33 1 52 9 5 3 83 6 53 53 33 12 9 52 7 5 3 63 4 53 33 1 5 2 92 7 。52 6 3 43 2 53 22 92 7 52 5 52 3 5 3 23 0 53 0 2 7 52 5 52 3 52 l 3 02 8 52 72 5 52 32 1 51 9 。5 2 82 6 52 52 3 ，52 1 52 01 8 5 2 62 4 52 32 1 51 9 51 81 6 5 b 循环水系统及其特点：正常的循环水冷却系统可以由水泵、去离子设备和对硅整流装 置冷却媒质再冷却的外循环冷却水系统组成。对用于硅整流装置冷却的内循环冷却水系统， 应注意保持适度的循环水压，使水路畅通。管道，特别是管接头处应防止渗漏现象。冷却设 备和硅整流装置的带电部位以及带电部位相互之间，应采用绝缘管路，一般要求不同电位点 之间的绝缘水管长度不小于l m ，装置和水循环冷却系统之间的绝缘水管长度不少于1 5 m 。冷 却系统故障将会造成装置过热而损坏，所以需对进口的水流量、水温和母线的温度进行监测 控制，发出声光报警信号，以减小或切断直流输出电流或分断电源。 k i - i s - - 2 0 0 0 0 a 4 0 0 v 型电解用晶闸管整流装置整流柜的冷却水系统具有如下特点：迸 出水的汇流水管均采用不锈钢制造，所有需要水冷却的导电排( 硅器件导电排、快速熔断器 导电排、汇流母线) 均采用一次成型的无氧铜单孔或双孔母线，其管路的密封性好，等效管 壁厚，散热效果好。所有导电排的水嘴均可拆卸，当冷却水质变差时，由于电化学的作用使 水嘴被腐蚀后，便于更换水嘴，或当水冷母排的管路中有堵塞物时。可拆掉水嘴进行疏通。 西安建筑科技大学硕士学位论文 水路连接软管均采用含有- - n 帘子布的橡胶软管，其不易老化，抗水压高。所有水路均按等 电位点连接。 2 6 母线温度保护电路 在电力电子成套整流装置中，因交、直流母线的温度过高而导致系统无法正常工作，以 致影响安全、可靠的生产运行，甚至造成更大的损失。在本课题中，通过对母线温度保护电 路的实验，证明该母线温度保护电路“”是一种极为简单，并且价格低廉，但相当可靠的保护 电路。 2 6 1 保护电路的电路工作原理 母线温度保护电路主要由隔离变压器t o n t n 、单相硅桥q q n 、密封温度继电器 w k w k n 、光电耦合器v g l - v g 。和微型继电器k 等组成，其电路原理图如图2 1 7 所示。 母线 图2 1 7 母线温度保护电路原理图 图中：t o t 。一隔离变压器； q 旷q 。一单相硅桥： w k l w k n _ 一密封温度继电器 墨 墨 墨 曲安建筑科技大学硕士学位论文 v 0 1 v g 。一光电耦合器； v l l v l 。发光二极管； v d 一整流二极管； v 卜晶体管： k 微型继电器。 工作原理：母线温度保护电路可构成多路温度控制系统。电路中分别采用独立的隔离变 压器和光电耦合器作为交流侧各相、直流侧正和负极之间的电气隔离。当某路发生母线温度 过高时，即超过设计使用温度时，由w k l w k 之一检测并且动作来发出信号，使晶体管v t 导通，k 发出报警信号至控制回路或中央控制室，以进行保护。 2 6 2 保护电路的特点 该母线温度保护电路与采用电流继电器( d l 型) 组成的母线温度保护电路相比，具有 线路简单、响应速度快、性能稳定、可靠性高、价格低廉等优点，并且该电路采用了全屏蔽 式结构，可避免大电流硅整流装置中的强磁场对该电路的影响。 3 l 3 控制算法的研究和仿真 3 1 控制算法的研究 按偏差的比例、积分、微分进行控制的调节器简称为p i d ( p r o p o r t i o n a l i n t e g r a l d i f f e r e n t i a l ) 调节器，是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器。”“”。它的结构简单，参数易 于调整，且在长期应用中已积累了丰富的经验。但是，p i d 控制器对非线性、时变的复杂系 统和模型不清楚的系统不能进行有效的控制，使其应用范围受到限制。常规的p i d 控制器很 难整定p i d 参数，因此比较难达到预期的效果。而在复杂控制系统中，采用模糊p i d ( f u z z y p i d ) 复合型控制器，可以达到理想的控制效果。模糊控制器是近年来发展起来的新 型控制器，其优点是不要求掌握受控对象的数学模型，而是根据人工控制规则组织控制决策 表，然后由该表决定控制量的大小。将模糊控制和p i d 控制结合起来，既具有模糊控制的灵 活性、适应性强的优点，又具有p i d 控制精度高的特点。 3 1 1p i d 控制算法及其原理 在模拟控制中，常规p i d 控制原理如图3 1 所示。系统由p i d 控制器和被控对象组成。 图3 1 常规p i d 控制系统原理图 p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值m ) 与实际输出值c ( t ) 构成控制偏差： e ( t ) = r ( o c ( t ) ( 3 1 ) 将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对被控对象进行 控制，故称为p i d 控制器。其控制规律为： 砷煳卜渺出+ 半 ( 3 2 ) 西