（电气工程专业论文）连铝公司220kv硅整流装置的应用研究.pdf

工程硕 二学位论文 摘要 铝电解工业是高能耗产业，降低电耗的措施是多种多样的，其中在工艺上采 用大型预焙电解槽、采用先进的整流技术并稳定电流是两条最主要的途径。目前 在预焙工艺铝电解槽生产中，均采用稳流控制技术提高供电质量，降低电能消耗。 本文以2 2 0 k v 供电整流系统的技术改造为背景，针对企业铝电解供电系统老 化陈旧的实际情况，提出了采用g i s 组合电器和第三绕组调压整流变压器总体技术 方案，完成了系统的设计与调试。 论文简要概述了铝电解供电特点、国内的研究现状，指出了项目研究背景及 意义：详细阐述了2 2 0 k v 硅整流装置供电系统的组成以及各主要部件的工作原理 及特点：着重研究了2 2 0 k v 供电整流系统中的整流变压器设计方案的研制及确定； 介绍了该系统的p l c 稳流以及微机监控系统。 通过对整流供电系统的改造，提高了供电系统的可靠性。对降低单吨铝的电 耗、减少环境污染，提高企、i k 的生产效率和经济效益以及促进企业的现代化进程。 因此，具有重要意义。 关键词：铝电解硅整流装置p l c 稳流控制整流变压器 连 | 吕公词2 2 0 k v 硅整流皴簧的应用研究 a b s t r a c t b e i n g a n e n e r g y i n t e n s i v ei n d u s t r y ， v a r i o u sm e a s u r e sf b r r e d u c i n gp o w e r c o n s u m p t i o nh a sb e e ni n t r o d u c e di na l u m i n u mp r o d u c t i o n ，a m o n gw h i c hu s i n gl a r g e p r e b a k ec e l l sa n da d o p t i n ga d v a n c e dr e c t i f y i n gt e c h n i q u et os t a b i l i z ep o tc u r r e n ta r e t w op r i n c i p a la p p r o a c h e s c u r r e m l y ，s t a b i l l z e dc u r r e n tt e c h n i q u ei sb e i n gu s e di n s o d e r b e r gp o t st oi i n p r o v ep o w e rs u p p i ys t a t u sa sw e l la s1 0 w e 。p o w e rc o n s u m p t i o n t h i sp a p e rw i t ht h et e c h n i q u er e f o r m a t i o no ft h e2 2 0k vp o w e r 吼i p p l yr e c t i f y i n g s y s t e mf o rb a c k g r o u n d ，a i ma ta na g i n g0 1 da n da c t u a lc i r c u m s t a n c eo ft h eb u s i n e s s e n t e r p r i s ea l u m i n u me l e c t r o l y s i sp o w e rs u p p i ys y s t e m ，p u tf o r w a r dat o t a lt e c h n i q u e p r o j e c tw h i c hu s eg l sc o m b i n a t i o ne l e c t r i ca p p l i a n c e sa n dt h et h i r dw i n d i n gt oa d j u s t v o l t a g er e c t i f y i n gt r a n s f o r m e r ，c o m p l e t et h ed e s i g na n dd e b u go ft 1 1 es y s t e m t h et h e s i ss y n o p s i ss a i da na l u m i n u me l e c t r o l y s i sp o w e rs u p p l yc h a r a c t e “s t i c s ， p r e s e md o m e s t i cr e s e a r c hc o n d i t i o n ，p o i n t i n go u tt h ep r o j e c tr e s e a r c hb a c k g r o u n da n d m e a n i n g ；e l a b o r a t e dt h e2 2 0k vs i l i c o nr e c t i i 了i n gt h ec o n s t i t u t eo ft h ep o w e rs u p p l y s y s t e ma n dw o r kp r i n c i p i eo fe a c hm a i np a r t sa n dc h a r a c t e r i s t i c s ；e l n p h a s i z e dt os t u d y i nt h e2 2 0k vr e c t i f 、，i n gs y s t e mt op o w e rs u p p l yo ft h er e c t i f y i n gt r a n s l l o r m e rd e s i g n p r o j e c tt od e v e l o pa n dm a k es u r e ；i n t r o d u c et h ep l co ft h a ts y s t e ms t e a d yc u r r e n ta n d t h em i c r o c o m p u t e rs u p c r v i s ea n dc o n t r o is y s t e m p a s st ot h er e f o r ma t i o nt h a tt h er e c t i f y i n gp o w e rs u p p l ys y s t e m ，r a i s ec r e d i b i l i t y o ft h ep o w e rs u p p l ys y s t e m ，l o w e r ss i n 9 1 et o na i u m i n u mc o n s u m i n go ft h ee l e c t r i c i t y e n e r g y ， r e d u c e p o l l u t i o no ft h ee n v i r o n m e n t ， r a i s et h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n d e c o n o m i cp e r f o r m a n c eo ft h eb u s i n e s se n t e r p r i s ea n dp r o m o t et h em o d e r np r o g r e s so f t h eb u s i n e s se n t e r p r i s ec o n s e q u e n t l y ，h a v ei m p o r t a n tm e a n i n g k e yw o r d s ：a l u m i n u me i e c t r o l y z e ，s i l i c o nr e c t i f y i n gd e v i c e ，p l c ，s t a b i l i z e d c u r r e n tc o n t r o i ， r e c t i f y i n gt r a n s f o r m e r v 兰州理工大学 学位论文原创- 眭声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：印有机日期：印拜多月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校确+ 关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 作者签名：冲帝吃日期：。年乡月，日 导师签名： 勿勿1 7 日期： 。年6 月同 工程硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 1 1 1 课题背景 有色金属工业是集地质、采矿、选矿、冶炼、加工为一体的基础原材料产业。 改革开放以来，我国有色金属的产量已连续八年处于世界第二位，成为世界有色 金属生产大国【i 。目前，有色金属作为国民经济和国防建设的重要材料和战略物 资，已广泛地应用于机械、电子、化工、建筑、交通、航空、航天、军工等各个 行业，在国家建设和发展中具有十分重要的地位【2j 。 有色金属冶炼过程是有色金属生产的主要过程。生产品种多、流程长、工艺 复杂、环境恶劣( 高温、高尘、高腐蚀性) 。近年来，通过引进、消化和吸收国外 先进技术，进行自主研究与开发，我国有色金属冶炼的技术和装备水平得到了较 大的提高，技术经济指标有了较好的改善。然而，总体水平与国外相比还有较大 的差距，远远不能属于有色金属生产的强国。主要表现在劳动生产率低、生产成 本和能耗高、环境污染严重及矿物回收率低等方面。这些差距对我国有色金属工 业的发展产生了严重的铷约作用，特别是在我国加入w t o 后，将严重威胁到我固 有色金属工业的生存和发展，大大削弱其参与国际市场竞争的能力。造成这些差 距的原因是多方面的，但冶炼过程控制技术落后、自动化、信息化水平低是主要 原因之一【3 l 。 兰州连城铝业有限责任公司( 原兰州连城铝厂) 是国家大型一档企业和全国 5 1 2 家重点国有企业。兰州连城铝厂是国民经济第三个五年计划的重点建设项目， 筹建于1 9 6 6 年，1 9 7 0 年破土动工兴建，1 9 7 4 年4 月碳索投产，同年1 2 月电解系 列部分投产，1 9 7 8 年底全部竣工投产，设计年产铝锭6 万吨，碳素4 7 4 万吨。1 9 9 2 年兰州连城铝厂控股组建了甘肃宝川铝业公司年产3 万吨铝锭，并于1 9 9 4 年投产， 达到年产1 0 万吨的电解铝厂，拥有5 2 4 台7 5 k a 侧插自焙阳极电解槽，年耗能 1 5 2 0 0 0 万千瓦时，是典型的高污染、高耗能企业。1 9 9 6 年4 月1 2 曰国家环保局 批准实施大气污染物排放综合标准和国务院发布了关于环境保护若干问题 的决定，决定明确指出：现有排污单位超标排放污染物的必须限期治理。1 9 9 9 年1 月，国家经贸委以中华人民共和国固家经贸委令( 第6 号) 发布了淘汰 落后生产能力、工艺和产品的目录，明令要在2 0 0 0 年以前淘汰6 0 k a 以下自焙 稽。因此从国家的法律和规定上，自焙槽的电解铝厂必须加以改造以满足国家同 连铝公t d2 2 0 k v 硅整流城骨的应用刊f 究 益严格的环保要求。1 9 9 9 年9 月沈j 5 只铝镁设计研究院完成了兰州连城铝厂环境 治理及节能降耗技改： 程可行性研究( 以下简称兰州连城铝业技改工程) ，同年 1 0 月15f _ = 1 一一1 6r i l 出原中因铝、【k 集团公司组织专家进j j 审查，并通过了审查， 同意新建个2 2 0 k v 硅整流装置，给电解生产供电。 1 1 ，2 研究意义 利用电子技术改造传统产业是近二十年来中国经济发展的重要成果，大大促 进了企业竞争实力和综合国力的增强。而在电子技术改造传统行业中，工、自动 化技术又是其中的重要组成部分【4 】。对传统过程工业而占，利用先进的自动化硬 件及软件组成工业过程自动化系统，大大提高了生产过程的安全性、可靠性、稳 定性。提高了产品产量和质量、提高了劳动生产率、提高了企业的综合效益。因 此，工业过程自动技术是一门确保增产、高质、降耗，确保安全生产的高新技术。 特别是7 0 年代以来【5j ，由于世界范围内出现的能源危机和市场激烈竞争，工 业生产规模更趋庞大，设备更新换代f ；| 新月异。工业生产要进一步提高产量，降 低成本，节约原材料和减少能源浪费，就要求自动化技术能充分发挥设备的生产 力，最终达到优质高产低耗的控制目标。对于铝电解行业，直流电流的平稳度既 是影响铝电解产量的重要因素，也是提高电流效率、降低吨铝电耗的有效方式。 目前在预焙工艺铝电解槽生产中，平均1 吨铝锭要消耗电能1 4 5 0 0 k w h 左右， 电费占吨锚成本的3 6 以j ：，严重威胁和制约着企业的发展，影向企业经济效益 的提高和竞争生存能力的提升。为提高供电质量，降低乜能消耗，丌发应用稳流 控制系统是企业面临的重要课题。 “铝电解生产中p l c 稳流控制技术的开发与应用”足兰州连城铝、i k 有限公司 重大技改项r 。兰州连城钒业有限公司现有一个系列2 0 0 k a 预焙工艺电解锅q ：产 线，年产电解铝1 2 万吨，年需用电景约l8 亿度电，此系列铝电解生产采用2 2 0 k v 二极管整流机组供电，即采用4 台2 2 0 0 整流变压器并联运行，通过大功率极管整 流，向电解生产提供2 0 0 k a 直流电流。每当电解槽发生阳极效应时电解电流将降 低5 0 0 0 人左右，以2 2 8 台电解槽组成的一个系列为例，则每2 4 小时将因阳极效应而 减少电解电流的时侧祟计值将达到1 0 1 2 小时，则每年减少铝锭4 0 0 0 吨左右；同时 频繁的阳极效应和长期的电流波动将破坏电解槽的热平衡，降低电流效率，造成 生产不丁f 常和电能损耗增大。 为维持系列直流电流的稳定，经沈阳铝镁设计院、沈阳沈变中型变压器厂、 兰州连城铝q k 公司共同研讨，提 5 采用“整流变压器有载丌关一整流极箭一 自饱和电抗器”进行电压调节，以实现电解生产供电电流平稳。老系统采用r 初 级电子技术一分直元件模拟控制电路，装置投运后，调试【_ 习难，一直存存1 ：作 性能不稳定、抗干扰能力差、控制电流工作点漂移、系统故障率高等诸多问题。 工程颂：l 学位论义 降低交流电耗及运行费用，提高稳流精度及电流效率，延长电解槽寿命，减少运 行成本，仍然是铝行业供电系统值得研究的重要课题。 随着p l c 大量进入工业控制设备市场，结合铝行业的特点，在消化和吸收长 城铝业、包头铝厂引进法国c e g e l e c 公司、美国a b 公司稳流控制方案的基础上 兰连城铝业开发了基于美国a b 公司p l c 的数字化自动稳流控制系统。 1 1 3 课题来源 本课题研究源于兰州连城锅厂环境治理及节能降耗技改工程项目。 1 2 稳流控制系统国内现状 由于铝电解系列电流大，工艺生产连续性强，特别是电解生产过程中，要求 调压，以满足恒电流生产，目前在国外已广泛采用可控硅整流机组供电，可控硅 整流尽管有调节速度快、稳流精度高、效率高、操作简便等优点，但因其谐波治 理困难、控制系统复杂等原因，未能在国内铝电解行业广泛使用【6 ，”。国内大多数 还是以二极管整流为主。因为硅二极管整流机组多为不可控机组，为完成向电解 槽馈出所需的恒直流电流值，般多采用整流变压器有载分接开关调整变压器的 二次交流输出电压。而且大中型铝厂的硅整流所，其硅整流机组多是二台以上， n + l 方式运行，所以在调压时要求并能够实现单台变压器调节或多台变压器一起 调节。而整流变压器有载分接，1 ：关动作速度慢，又必需通过人对仪表的观察手动 完成，这就不可能及时修正系列电流的波动。同时又由于电磁场的作用和电解槽 本身的化学反应( 阳极效应) 引起的电压波动，若仅靠整流变压器有载分接开关升 高电压来维持电流，一旦阳极效应熄灭，需要降低二次交流输出电压，以降低直 流电流增大。而整流变压器有载分接开关调压速度慢，势必产生电流冲击，较大 的影响了电解生产的工艺条件。因此，铝电解生产供电系统稳流装置一般采用饱 和电抗器与有载分接开关联合调压方式f 8 。即以整流变压器有载分接开关做耜 调，辅以饱和电抗器作级间细调。有载分接丌关电压差一般按系列正常直流电压 的l 4 考虑，饱和电抗器的调压范围等于或大于个阳极效应电压，一般取4 0 7 0 v 。 综上所述，铝电解整流装置稳流控制系统是指按用户设定电流要求输出稳定 电流，并在电解负载发生变化时，各整流机组控制供给电解的系列直流电流保持 不变，以满足电解生产工艺要求的恒电流自动调节控制系统。适用于整流机组整 流元件采用二极管整流，其电流调节方式采用有载”关粗调，饱和电抗器细凋的 整流机组。饱和电抗器主要用于调整直流输出电流。即通过改变其偏移绕组或控 制绕组的电流来改变电抗器中的磁势( 电抗值) ，从而使整流元件自然换相角提前 或延迟，达到调整直流电流的目的。 旌铝公- 2 2 。k v 硅整流装置的应用研究 目前在铝电解g i 产中，供电稳流控制系统大多是采用模拟电路实现控制饱和 电抗器的电流自动调节，以达到稳流效果。山于模拟电路具有分离元件多，调试 复杂，控制精度低、抗干扰能力差、故障率高等缺陷，基本上不能满足大规模工 业控制及电解恒流生产。随着电力电子技术的发展，电化学整流装置的稳流控制 技术也在不断进步，特别是在铝电解供电系统中，大电流的调节水平将直接影响 着铝电解的生产，产品质量的好坏及电流效率的提高，电流的稳定性对控制系统 的要求也越来越高。 国内的稳流控制系统分为两种，一种是控制绕组电源采用晶闸管模块组成 的三相桥式全控电路，其控制和调节采用专用的三相全桥控制板( 大规模集成电路) 与p l c 配合，电流调节器是无差的p i 调节器，电流反馈通过直流互感器检测， 经变换后进入电流调节器。采用这种控制方式优点是脉冲对称度好，分辨率高， 计算速度快，调节精度高。缺点是需在控制电源输出端串接平波电抗器，凼回路 电感较大，快速性受到限制，故需串联电阻来提高快速性。另+ 种就是我们提出 开发研制基于p l c 控制技术的自动稳流控制系统，与传统的模拟电路控制系统相 比，p l c 自动稳流控制系统具有显著特点】： 1 可靠性高。出于采用p l c 代替原来的模拟电路，没有一个调节元件，系 统中由软件术实现信号的检测和调节、p l c 控制、高频p w m 斩波控制、 i c b t 功率器件、故障诊断等功能，【玎而减少兀件数目，简化了硬件结构， 提高了系统的呵靠性： 2 接线简单，易于调试。山于p 1 调钳，高频p w m 斩波掩制由p l c 程序控 制，没有专用硬件电路，只需修改程序参数即可调试系统，实现系统要求 的控制性能，且控制的准确度极高，有效地改善了系统动态性能： 3 稳流精度商，速度快。由 ：该系统的速度与p l c 微处理群的字长位数成 e 比，响应速度与p l c 运算速度有关，因而使系统具有稳流精度高、响应 速度快的优点； 4 投资少，收效高。p l c 稳流控制系统实现了整流变压器有载升关自动升档 降档调节电压，不仅提高了直流电流的稳定性，而且降低了人工劳动强度， 提高兰州理工大学工程学位论文第一章绪论了系列电流的自动化控制水 平；同时可以代替其他计算机系统完成所要求的功能，斟此大大降低了投 资； 5 由于p l c 具有标准的串行通讯f l ，因而可方便的与计算机通讯。 1 3 本人所完成的主要工作 对兰州连城钏业整个电解供电系统作了全面的了解，经沈刖铝镁设计研究院 工程硕d ：学位论文 及连城铝业相关技术人员多次研究讨论，并到国内生产2 2 0 k v 高压配电设备厂家 进行实地考察，完成了2 2 0 k v 配电装置的确定。 通过比较论证，结合企业具体情况设计的2 2 0 k v 第三绕组调压整流变压器 是最佳方案，实用可靠，实现了主调合一，特别是2 2 0 k 、，整流变压器解决了直降 问题，提高了运行效率且安全性能良好，适用于铝电解厂对供电系统可靠性高的 要求。 参与了2 2 0 k v 整流变压器的制作和调试过程； 采用p l c 完成对系统稳流的自动控制，最大限度地发挥饱和电抗器、变压器 有载调压开关等设备的性能，减少了设备操作次数和维护工作量，提高了设备运 行质量，提高了系统的稳定性、可靠性。 参与组织了对该系统的测试，之后经过修改、完善相关的技术细节，系统现 已正常投入运行，符合设计要求，达到了节能的目的。 编制了该技改项目的整个技术文件和说明规程。 连铝公司2 2 0 k v 砖整流装置的应用列f 究 第二章整流和稳流控制系统 2 1 整流技术基础知识 在电能基本转换形式中，a c d c 最早f 现，a c d c 变换电路指能够直接将交 流电能转换为直流电能的电路，泛称整流电路【】“。 整流电路的主要功能： 1 调压：指直流输出电压u 。随电网电压u ，的变化而增减； 2 稳压：指电网电压u 不变时，直流输出电压u 。应在网侧电压波动和负载变化 时维持恒定。 大多数电子设备都采用工频交流电供电，这些设备的电源大部分都含有整流 电路。通常的整流器就是由三极管整流桥和滤波电容构成的。由于这种整流器只 在交流电压高于滤波电容 ：的电压时吸收能量，所以输入端电流呈脉冲状，包含 大量的谐波分量。j 。；电三波形不发生畸变，保持正弦波形，当电源电流发生畸变 时，高次谐波分量出现并升高，使得进入交流电网和直流输电线路的谐波分量增 人，并产生下列一些小良影响旧】： 1 交流电网中的发电机和电容器会由+ 谐波的附加损耗而过热； 2 列通讯设备产q 二干扰，特别是会令临近电话线路产生杂音： 3 整流器的控制不稳定； 4 还会引起电网中发生局部【l f 勺谐振过电压。 因此，必须采取限制换流器谐波输出的措施，而h 因为谐波污染电网，破坏 了以相量分析和正弦波为基础的输配电原理和系统运行，对周围的用电设备造成 十扰。 高次谐波含量的升高使得基波分量降低，还会使功率因数降低，通常电容滤 波二极管整流电路的输入端功率因数只能达到o 6 5 ，右，而其中相移无功分量几 乎为零，整流器的输入端功率因数低，意味着需要吸收较多的无功功率，这会加重 供电系统的负担，造成较大的线路损耗和容量浪费【1 。 我们知道一个脉动数为p 的整流器，在它的直流侧将主要产生n = k p 次的谐波， 而在它的交流侧将主要产生n = k p l ( k = 1 ，2 ，3 ，口) 次谐波。由上面的定义可知这样 一来不仅电路中存在大量谐波，整个电路的功率数也会随之下降。为了减小整 流电路的谐波含量，提高功率因数，我们呵以采用多相整流电路。 工程硕士学位论文 2 2 单相及多相整流电路 22 1 单相整流电路 最常见的单相全波不可控整流电路分为以下两种： 1 容性滤波单相整流器负载 容性滤波单相整流器负载的整流滤波电路如图2 1 所示，整流器输入电流，输 出电容两端电流、电压波形如图2 2 所示。很明显，由于整流器的非线性特性和输 出滤波电容器的电压保持特性，使得只有当整流后的电压大于电容上的电压后负 载上才有电流。 】k 一【 ； o jk 一e 儿一一 图2 i容性滤波单相整流器 幽22 整流器电压波形 图2 2 电路主要波形的半周期为正弦波，但输入输出电流为一时间很短、峰 值很高的a l 期性尖峰电流，该电流中含有大量的高次谐波 1 。如测试某计算机电 源中整流器的输入、输出电流波形的主要参数为：导通角时间为5 4 0 ”，m s ；波形 系数为2 6 ；整流器输出电流有效值与平均值之比为2 0 6 ；3 次谐波、5 次谐波、7 次谐波幅值分别为基波幅值的1 - 2 1 ，0 8 l ，o 6 2 ，与证弦波电流相比严重失真， 在这种工作条件下，功率因数约为o 6 ，无功功率的绝大部分为高次谐波无功功率， 基波电流相移接近零，略为超前，总谐波失真( t h d ) 约为8 0 。 2 感性滤波单相整流器负载 要降低电源高次谐波含量就是要使电流波形变为f 可采用的最简单的方法就 是在整流电路中采用电感输入型，即在整流器与电容c 之间接入电感线圈l ( 或称 平波电抗器) 。这就是用电感线圈l 阻l e 对电容c 的较大充电电流。线圈l 对电流呈 现的感抗为l ，电容c 充电电流的平均值常与放电的直流电流值相等，峰值电流被 限制时充电电流流通器件，即导通角变大，电流中所含的谐波含量减小，因此功 率因数得到改善。 连铝公司2 2 0 k v 硅整流浆置的碰用研究 卜。 图2 3感性滤波单相整流器图24电路电流波形 为改善变频空调和其它单相整流器的功率【划数，通常在整流器与滤波电容器 之间接一个滤波电感( 或称甲波电抗器) ，使其成为感性滤波单相整流器负载，其 电路如图2 3 所示，输入电流波形如图2 4 所示m l 。通常为分析方便，可近似认为电 流波形为方波，这时功率冈数为09 ( 无功功率均为高次谐波) ，t h d ：4 3 6 。 在 二述全桥不可控整流电路中，当负载是感性时，忽略变压器漏抗的作用，并 设变压器初、次级绕组匝数相同。因此变压器初级电流有效值i 、等于整流电流平均 值，其中存在的高次谐波有3 ，5 ，7 ，1 1 次等。 2 2 2 多相整流电路 多相整流电路适用于大功率系统，它的基本原理是利用变压器对各次不同谐波 电流的移相作用，使其高次谐波在变压器次级相互叠加而抵消。这种方法在变压 器负载平衡的情况下，对减小输入端的较低的商次惜波是有效的，其拓扑结构和 控制电路均比蕾相的复杂。 1 三相整流电路 图2 5 是一个最常见的三相全波不可控整流f 乜路，其三桐输入相 乜压波形如图 26 ( a ) 所示。 幽2 5 二相全波不可控整流电路 1 刖r 车| | 1 z l莲 工程硕f j 学位论文 图26 三相输入相电胜波形 若整流电路中负载为纯电阻r ，则a 相电流波形如图2 6 ( b ) 所示，b 和c 相电流波形 与a 相的形状相同，但相移为2 玎，3 滞后和领先) 。由图2 6 ( b ) 可看出，该波形最明 显的特点是：相电流波形i 是断续的；若电阻上并联电容滤波器，其电流断续程度 将会更加严重【l ”。 对图26 f b ) 所示波形进行傅立i 叶分解可知：a 相基波电流与a 相电压同相位，即 位移因数c o s 口= i ，但却存在相当大的电流谐波分量，因此，网侧电流畸变因数必 定小于1 ；p f 也一定小于1 。经计算表明，在这种情况卜，p f = o 9 6 9 ；t h d = 2 53 。 若电阻上并联滤波电容，则情况将更糟，p f 降到约o 6 ，t h d 变为1 3 0 左右，即 网侧功率因数变低，网侧电流波形畸变更大。 若在图2 5 各相输入端加进线电感l ，如图2 7 所示。引入电感之后，由于换相 重叠的缘故，各相电流每半周导通角将超过2 万3 ( 未引入电感时，导通角为2 口3 ) 。 若增大电感，则可埔大换相重叠角，甚至接近丌6 ，这样一来，各相电流每半周的 导通角可以接近5 ，r ，6 ，如图2 8 所示。虽然电流断续程度减弱，t h d 减小，但需注 意的是这时相电流基波分量与该相电压相位不同，有一个小的滞后。 强 岱 ? l 一 一l l 研 h ? kk 一 图27 三相全波整流电路 连锚公司2 2 0 k v 硅整流装置的腑用研究 图2 8 三相输入相电压波形 2 传统的1 2 相整流电路 传统的1 2 相整流电路电路图如图2 9 所示： 幽2 9 传统的1 2 相整流【乜路 浚电路有效的消除了3 次该电路存在个很大的缺点5 次、7 次、1 7 次、1 9 次等 谐波，就是由于工频交流电的频率较低，它的变压器、电抗器以及电容器的体积 和重量都较大，从丽增大了变换器的体积和重量，并且变压器的利用率也较低。 其中3 桅整流电路功；冬因数为o 9 5 5 ；1 2 楣整流电路功率因数为o 9 9 19 1 。 大电流硅整流装置系统 2 31 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 讯e ra s s e n l b l y ) 主要用作铝镁电解、 食盐水电解、其他会属电解、水电解、石霹化电炉羽】直流电弧炉等设备的直流电 源，其中用量塌多晌领域是锚电解和食靛电解 ：、i k 川。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l o o 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 3 2 大电流硅整流装置的组成 通常，大电流硅整流装置的系统主要有高压隔离开关( h vi s o i 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 n r 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 nr e c t 谕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 l i n d u c t a n c e ) 、直流互感器( d c m 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 e o fc o m p r e h e n s i v e m 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 rc o o l i n ge q u i p m e n t ) 等 部分组成口。 图2 1 0 是铝电解硅整流装置的电路结构图。 6 ： 图中：p a 一脉冲放大器 酗21 0 硅整流装置【乜路结构幽 连铝公司2 2 0 k v 硅整流黻簧的应用刊f 究 p g 一移相控制器； r e g 一电流调节器。 2 3 3 硅整流装置的联结型式和调压方式选择 a 联结型式：用于电解的硅整流装置有硅整流管和品闸管整流装置两大类。山 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 “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。 b 调压方式：对于硅整流二极管整流装置的调压方式可采用带调压丌关的变 压器、调压器、饱和电抗器及其组合方式，一般有以下几种：有载分级自祸调压器 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；感应调压器或移吲调压器凋压、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。对于品闸管整流装置，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 10 0 范围内调节。为提高品闸管整流装置的功率因数， 避免在深控状态f 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藕调压器联合调压。 2 3 4 主回路和控制回路 主网路与挣制回路连接图如图2 1 1 所示。 削2 1 1系统【1 1 1 路连接图 大电流硅整流装簧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【2 ”。“ 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娃整流装置作， ：联运行，从而出现了并联装置之间、相问、 臂间、硅器件问的均流问题。硅整流装胃电流越大，大电流磁场以及各部分阻抗 的不列称埘均流的影i 响越加严重。伴随着换流回路大电流产牛的强大的交变磁通， 在空间形成强磁场，会增加线路f u 抗以及涡流，导致硅整流装置的效率和功率 工程碗j ：学位论文 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 ei n v e r tp a r a i l e lc o n n e c t i o n ) 如图2 1 2 所示2 2 1 。 l 鞘饕 一、j j ) ； 可。| ；旷j j _ 一甘一 _ 篁_ ，卜 卜杆一= 一_ l 一一 r 一二i 斟一j 1 图2 j 2 系同相逆并联电路 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 1 2 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18 0 0 ，( 如图2 1 2 二：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a b 。，a 。c ，b l c l ，b a ，c a ，c 吧 将两个桥组合在一起( 如图2 1 2 右所示) ，使得任何瞬问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 1 2 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 乍，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 臂导电，当b 臂导电时，另一系统内则 为b 1 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。同相逆并联措施刁i 仅可以用在硅整流装 置内，也可用于整流变压器，如图2 1 3 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4 、f j 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 定电流越人的硅整流装置，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f 乜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，同相逆并联结构的问距愈小愈好，但实际上问距小到一定程度 连铝公i z 2 。k v 硅整流装置的瘟甩耐 究 效果也就 i 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，即使同相逆并联的结 构很紧密，但由于两个臂电流不相等，磁场不能完全抵消，也同样达不到预期的 同桐逆并联效果。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。 砰衡电抗蛩 奎压嚣井蠢 2 4 稳流控制系统 幽2 1 2 整流变压器同相逆并联电路 2 4 1 传统稳流控制系统原理 铝电解用二极管整流装胃f 】，采用饱和电抗器1 j 有载调上k 分接丌关联合的调 压方案，可实现电j 、的i 二稳调节。此时饱和电抗器必须实现f 列职能：在彳】载分 接开关的直流级差电压范围内起主调作用：减少有载分接开关的动作次数，以延 长其寿命和检修周期。为此，饱和电抗器的调压范围应大于有载分接丌关的直流 级差电压，通常不少于穗级，对于本系统，还应大于一个阳极效应电压；校j f 由 于交流电源电压的短时波动所引起的直流电流波动；校正机组间或同机组各整流 柜间的负载分配不均。 二极管整流装置调几用饱和电抗器有两种类型，即：与整流臂串联的自饱和 电抗器和千目接i 饱和 u 抗器【2 j l 。 工程硕- 二学位论文 翼mm f ：、i t l r 6 妒 y i 电 孓u u 芒 j 图21 4 三相桥接自饱和电抗器接线系统图 2 4 2 饱和电抗器的调压原理 自饱和电抗器接线系统图2 1 4 和饱和电抗器铁芯磁化曲线如图2 1 5 、2 1 6 所 示。当整流臂a 1 流过电流i d 时，饱和电抗器b k l 的工作绕组电流为i d ，其铁芯处于 饱和状态，阻抗很小可以忽略不计。但在换相过程中，饱和电抗器的电抗要发生 影响。正常情况下，在e a = e b 自然换相点时刻( t = 4 ) ，如不考虑整流变压器漏抗的 作用，则电流i d 应瞬时由a i 相转换到b 3 相，可是由于饱和屯抗器b k 3 的阻止作用， 换相被推迟。因在。t = o 之前，饱和电抗器b k 3 铁芯，在控制绕组某一给定电流作 用下，铁芯的磁密及磁场强度分别为b o 和h o ，处于磁化特性的非饱和段；而在。 t = 0 以后，e b e a ，在( e b e a ) 电压作用下，工作绕组通过很小的激磁电流使铁芯 逐渐增磁，经过一定时问后，铁芯达到饱和：从铁芯开始增磁( b o ) 到达饱和磁密( b b ) 的角度a 称为饱和角( 亦称控制角) 。由于在经过。角度后，b k 3 铁：卷饱和，阻抗很 小，整流臂b 3 完全导通，负载电流i d 几乎完全流经b k 3 ，与此同时，流经a l 和b k l 的电流立即大大减小，几乎接近于零。在口角以后的t 这段时间，b k l 的铁芯在 反电压( e a e b 为负) 作用下，逐渐去磁，当磁密回复到起始值b o 时，流过a 1 的电 流为零，从而结束了换相的全过程【2 ”。 抒、 万j 孙 m 。l 一 0 。世 l汀。 一j ，】一p ，l 鼎 汐 瞰 幽215 饱平电抗器铁芯理想磁化曲线 幽21 6 门饱和电抗器各绕组相互关系 连铝公r 2 2 0 k v 硅靛流戡冒的心用研究 综上分析，自饱和电抗器的调压原理为：通过调节控制绕组电流i k 改变铁芯 的起始磁密b o ，来调整饱和角口；在不同的口角下，整流装置的直流输出电e 值 不同，从而达到调压的目的。 24 3 工作绕组、控制绕组和偏移绕组的作用 工作绕组是饱和电抗器的主绕组，其作用相当于非线性可控电抗器。但又仅 有工作绕组而无控制绕组，则初始磁密b 0 = o ，磁密变化量等了二饱和磁密( b = b b ) ， 因而饱和角为一定值而不可调，电抗也不可控。 控制绕组的作用：当调节控制电流时，能调节铁芯初始磁密b o 值，从而磁密变 化量b = b b b o ，饱和角和工作绕组电抗均可控。但控制电流只能做单向数值e 的调节，i k = 0 时，b 0 = o ，b = b b b o = b b ，控制角。调节范闭有限，不能大范阳进 行调压。 偏移绕组的作用：充分利用铁芯激磁性能，使单方向调节控制绕组电流能得 到最大控制角。最大控制角：为充分利用铁芯磁化曲线，进行大范闱调压佳b = b b 一( 一b b ) = 2 b b ，则必须使磁场强度h 从+ h m 变到一h m 。通常在自饱和电抗器e 增 设偏移绕组，在其直流磁势作用下，使铁芯预先达到饱和状态。 控制绕组的安匝l k w k 与i g w g 极性相同是增磁作用。控制绕组的电流可由0 至j 一2 l k m 进行调整，而偏移绕组的电流值i p = + i k m 是不变的。所以当i k = 0 时， 曲于 偏移绕组的安匝使铁芯已在饱和点( 此时b o b b ) ，而当w g ，1 ：始导电时，其安匝极 性与w 附日方向，结果使铁芯完全饱和，于是控制角口= o ，调压深度u do ，、当i k 从o 向一2 皿”，方向增大时，饱和电抗器的初始磁密b o 从+ b b 到一b b 间变动，控制角。 从0 到口。之间变动；当i k = 一2 l k m 时，控制角口最大，调压深度也最大，此时 u d 2 u d m ，口2 口。 2 4 4p l c 稳流控制系统组成 p l c 稳流控制系统对饱和电抗器电流控制采用功率器件i g b t 。高频p w m 斩波 控制技术，通过控制i g b t 占窄比以改变电抗器的控制电流和偏移电流，i g b t 的驱 动电路、移相电路采用t 菱集成电路，电流闭环的p i d 调节采用p l c 的软指令控制。 稳流控制系统的控制器是饱和电抗器，按其控制方式划分有两种，一种是负控制 方式，即饱和电抗器控制电流增加，整流器输出电流减少；另一种是m 控制方式， 即饱和电抗器控制电流增加，整流器输出电流也增大。按回路控制方式划分也有 两种，一。种是采用a ，b 两台饱和电抗器独立控制，即a 台电抗器控制同路：a 台i 包