电解电源及其控制技术的现状与展望.doc

电解电源及其控制技术的现状与展望第1期2006年1月氯碱工业Chlor.AlkaliIndustryNo.1Jan.,2006【整流】电解电源及其控制技术的现状与展望乔树通,姜建国,左东升(上海交通大学,上海200240)关键词】电解电源;晶闸管;斩波;控制摘要】分析了电解电源的主要特征,介绍了国内,外各种电解电源及其控制技术.提出:晶闸管整流技术是目前电解电源的首选,而斩波整流是一种有前景的技术;在控制装置方面,高性能控制系统仍然以国外产品为主.指出了我国整流控制装置的发展方向.中图分类号】TM46文献标识码B文章编号1008133X(2006)01000605SituationandprospectsofelectrolysiselectricsupplyanditscontroltechniqueQOSh一tong,JIANGJianguo,ZOUDongsheng(ShanghaiTrafficUniversity,Shanghai200240,China)Keywords:electrolysiselectricsupply;thyristor;choppingwave;controlAbstract:Themajorcharacterofelectricsupplyforelectrolysisisanalyzed,Avarietyofelectricsup-plyforelectrolysisanditscontroltechniqueathomeandabroadareintroduced.Itispointedthat,thyristorrectificationtechnologyistheprimaryselectionofelectrolysiselectricitysupply;choppingwaverectificationisaprospestivetechnique;andforcontroldevices,theoverseasproductsarestilltakenasthemajorhighperformancecontrolsystem.Thedevelopmentdirectionofdomesticrectificationcon-troldevicesisalsopointedout.前言电力电子器件的发明使电解电源在经历旋转变流机组后从静止离子变流器时代进入硅整流时代,电力半导体器件制造技术,电力电子技术,微电子技术,控制技术,传感器技术的发展,以及有色金属,冶金,化工等行业中作为电解电源的大电流硅整流装置应用技术的不断提高,对大电流整流装置的设计和制造提出了新的要求,不仅整机性能要满足工业生产的特殊要求,而且整机效率和可靠性也越来越成为硅整流装置的重要指标.目前,国,内外电解电源以二极管加饱和电抗器稳流与晶闸管稳流为主体,后者具有显着的优越性.近几年来,随着大电流电力电子器件IGBT的出现,国外已有斩波控制整流器作电解电源的实例,该整流器由二极管整流与电力晶体管斩波组合来产生可控电流,该种整流方法具有无需谐波滤波器,功率因数高,系统结构灵活等优点叫.由于环境,能源,社会高效化等方面的要求,以及相关技术对电力电子装置的渗透,电解电源朝着大容量,高性能,标准化,智能化,全数字化控制,系统化,模块化和绿色化的方向发展_4J.由电力半导体器件构成的大电流整流器已有大约5O年的历史,在电化学,电解冶金,直流电弧熔炉,等离子体焰柜等领域中得到应用.目前铝电解用整流系统的电流已超过300kA,功率达数百MW,并且具有精确的性能.在这些整流器中,散热能力限制了整流设备的功率和电流等级.实际上,-0-收稿日期2005一O8一l5作者简介乔树通(1978一),2004年于中国矿业大学获得电力电子与电力传动硕士学位,现为上海交通大学电气工程专业博士研究生,研究大功率电力电子技术和交流电机控制.6第1期乔树通等:电解电源及其控制技术的现状与展望中,大电流整流器中单个可控硅的损耗可能超过1kW,需要水冷,因此,在计算大电流整流器效率时必须考虑这些损耗.此外,在大电流整流器中,由于使用场合的特殊性,系统可靠性成为首要问题.1电解电源的应用场合及主要指标大电流整流器常用在诸如氯碱,电解冶炼铜等电化学和冶金工业中.此外,还用在直流电弧熔炉和等离子体焰柜中,这种应用在初始时刻需要高压来产生电弧,之后,则只需较低电压就可维持所产生的电弧.在目前工业应用中的大电流整流器的电流与电压定额见表1E.表1工业应用中的大电流整流器的直流定额从负载侧来看整流器,主要具有在0100%的额定电流范围内调节电流的能力.一般没有额外的要求,对于大部分工业,电流纹波是可以接受的,但对电源的要求是高功率因数和低输入电流谐波,而对于晶闸管整流器需要使用无功补偿装置,且输入的谐波电流必须满足国家标准.电解电源中使用的整流系统必须满足高效率,高可靠性和冗余冷却系统的要求.(1)高效率因为损耗必须从大功率整流设备中耗散出来.(2)高可靠性为了避免不必要的检修,这是十分重要的指标.主要是通过选择电压和电流额定值较大的电力半导体来满足这个条件,并且对于晶闸管采用十1冗余设计.这意味着当一个晶闸管损坏时,整流器运行在额定电流状态.(3)冗余冷却系统变压器和半导体器件制冷在大型整流器中也是一个关键问题因此,必须强制使用冗余冷却系统.2国外电解电源及其控制装置在大电流工业应用中,晶闸管相控整流器是最常用的技术.图1为双反星形带平衡电抗器的12脉拓扑结构的整流器,这种整流器广泛应用于低电压,大电流的场合.图l双反星形带平衡电抗器的l2脉整流器图2为12脉全桥整流器,常用在高电压,大电流场合.,一+2.z_J2,r2-一I一一一f_-j,负载图212脉全桥整流器晶闸管整流器效率较高,大约为97%.晶闸管整流器的一个重要特点是输入电流有谐波.这是由于触发角变化产生无功,因此需要进行谐波及无功补偿.为了减小晶闸管整流器的触发角,需要使用有载调压变压器,这便在增加机械运动部件的同时增加了维护量.晶闸管整流器的主要优势是:高效率,高可靠性,负载电流控制得好,成本低和技术成熟;缺点是产生无功,产生电流谐波,需要使用滤波器和电流要有纹波.目前,在晶闸管控制技术方面,ABB,SIEMEMNS,FuIIl,ALHOM等公司都有自己的7氯碱工业2006生产品.典型的是ABB公司的PSR控制系统,它是一个性能优越,功能强大的控制系统,适用于要求响应快速而且复杂的闭环控制场合.该系统最初是为变频调速设计的,目前已成功地应用于大功率整流器,变频器,静止无功补偿器和高压直流输电等电力电子装置中.PSR系统的特点:处理器模块,通讯模块,触发模块和其他模块安装在1个特定的机架上,所有的输入,输出子系统都通过总线与处理器相连接,其他的接口模块,终端模块和辅助模块安装在机柜的后面;处理器软件采用图形环境FUPLA语言编写,该语言是一个功能强大,界面友好的工具,可以创建和修改软件;系统运行状态,模拟量,数字量和报警信号可以在控制柜前门上的人机界面LCD上显示_5J.此外,ABB公司的AC800PEC和SIEMENS公司的SIMADYND控制系统是比PSR性能更高的控制系统.这些高性能控制系统的一个共同特点是它们最初是为电机调速而设计的,后来应用于使用电解电源的场合.随着大电流IGBT的产生,出现的斩波整流器是大电流应用中的一种新型整流器(如图3所示).负载图3斩波整流器示意图在负载侧由这种整流器的几个并联单元构成大电流,为负载供电.整流器的每个单元如图4所示,输入侧为三相二极管整流,经3个IGBT斩波后,再通过小电抗器并联为负载供电.8不.整流器:斩波器一l!L.LL叶HE啡一IrII呻一_+l_=|r一I4一InmI22I图4斩波整流器的功率单元与每个斩波器所对应的基本拓扑电路如图5所.一21-+:_.王2图5降压型斩波器的拓扑结构图6是与基本拓扑电路斩波器相对应的运行规则,但是IGBT开关频率的选择需要在减小直流电流波动和降低开关损耗之间折中考虑.斩波整流器的典型开关频率是1-2kHz,与等效频率为300Hz的6脉整流器相比,性能有较大提高.通过不同斩波器分散换向,从负载侧观察增加有效开关的换向次数.当运行在相对较低的开关频率时,可获得更低纹波的负载电流.这种新型变换器的控制甚至比晶闸管全控整流器的控制更简单.口口口.口口口口口口.图6斩波整流的运行方式斩波整流器具有如下优点:在任何电流下都保持恒定的高效率运行;,z一1冗余方式;电流动态响应快;适应负载大范围变化的能力强且成本低;可以抑制峰值电流和往返运行,也就增加了可靠性,这归功于IGBT的快速响应(在几个ms内可以关断短路电流);由于取消了机械设备,使维护次数减少;变压第1期乔树通等:电解电源及其控制技术的现状与展望器设计只考虑最大功率,而晶闸管整流器需要对最大电压和最大电流分别进行设计.缺点为:在低压运行时,比晶闸管整流器的损耗大;电力半导体元件数量多.斩波整流器目前主要应用在直流电弧炉和等离子体焰柜等对电源性能要求高的场合,在电化学,电冶金行业也有应用实例.图7是斩波整流器应用在直流电弧炉中的实例,该斩波整流装置的额定功率为65MW,额定电流为130kA,额定电压为650V,输入侧变压器采用24脉结构.lT图7直流电弧炉采用的斩波整流器示意图3国内的电解电源及其控制装置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,而斩波整流器的应用尚处于萌芽阶段.目前,晶闸管整流器的结构主要有同相逆并联和母线框架自撑式,使用的晶闸管为7691mm,快速熔断器的分断能力达到230kA,晶闸管的均流系数可达0.95,部分单位已采用高可靠性的全数字化控制系统.目前,整流器控制系统的研制单位涵盖了高等院校,科研院所和厂矿企业.这些单位可分为两大类:一类是由从事电机控制的技术人员设计,比如:天津电气传动控制研究所,中国矿业大学和上海交通大学等;另一大类是由从事整流器,电解,电化学行业的技术人员设计,比如:九江整流器厂,西安整流器厂,平果铝业公司等.前者的优势在于可以把直流电机调速采用的控制器移植到电解整流器的控制中来,后者的优势在于对大功率电解电源所用的整流器和工艺很熟悉.对于电解电源的控制系统来讲,系统可靠性是十分关键的问题,就这一点来说,长期从事电机控制的人员对控制系统的可靠性具有更多的经验.例如,图8显示的是某公司230kA,l0万t/a电解铝用晶闸管全数字控制系统示意图,该系统已于2004年l0月投入运行.从图8可见,全数字控制系统主要包括:由触摸屏构成的用户层,可实现电流给定在内的主要操作;由可编程控制器构成的逻辑控制层可实现整流柜与控制柜继电保护,电流分配与有载调压变压器挡位调节;由高性能全数字处理器SIMADYND构成的工艺控制层可实现电流的闭环控制;由有载调压变压器,整流变压器,整流器及电解槽构成的能流层可实现大电流的产生.能流层与工艺控制层的接口是触发脉冲,电流反馈与同步信号,工艺控制层与逻辑控制层的接1:3是电流给定,电流反馈,触发角及相关状态,逻辑控制层与用户层的接口是电流给定与参数设置等,逻辑控制层各子站之间为电流值与设备状态.由此可见,全数字控制器是稳流的核心,可编程控制器是控制系统运转与保障的基础.此外,在电解槽启动或阳极效应发生时,输出电压在一定范围内变化.为了避免由于晶闸管深控而使功率因数降低,通常采用有载或无载调压变压器粗调,控制触发角细调.这就要求控制系统满足调压变压器挡位开关动作次数尽可跑少与晶闸管触发角尽可能小两个目标.图8中的全数字控制系统考虑了这种情况.4电解电源装置的发展方向晶闸管整流器以其在性能,效率,可靠性与成本上的优势成为一项最实用的技术.斩波整流器在效率,性能方面优于晶闸管整流器,但能否战胜晶闸管9氯碱工业2006年整流器还要依赖于实际经验的积累,只有这样,才能使之趋于成熟.+化-嘲-嘲一燃一MPIkMPIl豳i豳i豳瀚嚯黧摸屏图8某公司正在运行的全数字整流控制系统示意图目前,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,由国内自行研发相关接口元件以实现上述目标.同时,采取合作的方式来研发完全具有自主知识产权的控制系统也是很重要的.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.5结语目前,采用晶闸管整流器是电解电源的主要技术,可以通过无源滤波器解决低功率因数和输入谐波,此项技术已成熟,高效.因大电流IGBT的出现,斩波整流器已在直流电弧炉和等离子体焰柜中成功应用,具有输入电流谐波低,功率因数高且无需滤波器等优点,但电力电子器件数量多会影响系统的可靠性.斩波整流器以其低损耗的优势在高电压场合具有竞争力,在低电压,大电流场合,双反星形10晶闸管整流器依然是首选.在控制技术方面,国外知名公司的产品依然占据高性