饱和电抗器在铝电解整流供电中的应用

饱和电抗器在铝电解整流供电中的应用摘要：本文介绍了电解铝制整流供电的特点，简要阐述了饱和电抗器的工作原理，分析了电解铝制整流供电系统饱和电抗器调节整流器输出电流的原理，对稳流系统进行了简要介绍。关键词：饱和电抗器整流器恒流控制稳流系统0引言电能是电解铝生产的重要能源，电解铝生产采用直流电，电能成本约占电解铝总成本的30%-40%。 直流电流通过电解槽时，利用其产生的热能使冰晶石熔化为熔融状态，保持一定的电解温度，同时实现电化学反应，完成铝电解生产过程。 铝电解生产供电为低电压、大电流的直流电力直流电力生产的连续性可供给直流电力的恒流性。电解槽使用的直流电力可以通过硅整流装置供给。 目前国内大型整流设备除部分引入的晶闸管整流装置外，大部分采用多相二极管整流，可靠性高，但电网电压波动或电解槽产生阳极效应时，电解电流发生变化，电解电流的变化不仅破坏了电解稳定的技术条件，还大幅度增加了电解铝的能耗因此，采用二极管的整流器必须采取恒流控制措施，以降低电解铝的能耗，稳定电解技术条件。 恒直流电流的调节方式，一般在整流变压器中有负载调压和自饱和电抗器耦合的方式，负载调压有直流电压的粗调，自饱和电抗器有直流电压的微调，是直流电流恒流控制的主要驱动器，调节直流电压的范围约为5070V。1饱和电抗器1.1概要电解铝制硅二极管整流装置在采用饱和电抗器和负载调压分接开关并用调压方式的情况下，饱和电抗器必须实现以下功能在搭载调压抽头开关的直流段差电压范围内发挥微调作用为了减少有负载调压分接开关的动作次数，延长其检查周期和寿命，饱和电抗器的调压范围不得大于有负载调压开关的直流段差电压，通常为2段差电压以上，同时小于电解阳极效应的电压(40-50V直流电压)校正电网电压短时波动引起的电解直流电流波动修正各整流单元之间或同一单元的两个整流装置之间的负载分配偏差。1.2动作原理饱和电抗器是利用强磁性物质的磁化曲线的非线性和饱和特性，以小的直流电力控制大的交流负载的电气设备，利用强磁性物质的导磁率不一定的特性发挥作用。 饱和电抗器是与交流直流同时磁化的非线性电抗器，与负载串联连接，可以调节负载的电流和功率，将饱和电抗器视为可控阻抗，但是不能以非线性的、接近线性的电抗器的概念来解释饱和电抗器。饱和电抗器的基本工作原理是利用直流线圈电流的大小来改变交流电路的电抗。 原理如图1所示，是具有交流绕组和直流绕组的铁心磁路。当交流电压Ua和交流电路电阻Ra变化时，交流电流Ia与交流线圈La有关系不考虑漏磁通和铁芯损耗时，线圈的电感量由下式表示由上式可知，交流线圈的电感量以一定的磁路l和匝数n与磁路铁心的导磁率成比例。 改变导磁率可以改变交流线圈的电感，改变电流和电抗器的容量。 由于铁磁性物质的磁导率不是常数，在通常的动作中磁导率随着磁芯的饱和而减少，磁芯的饱和度的变化可以通过改变直流绕组的励磁电流Id来实现。 Id变大时铁心的磁感应强度变大，铁心接近饱和，导磁率变小，因此电感值变小，交流电流Ia变大。 因此，直流电流的大小能够控制交流输出电流的大小，将直流绕组称为控制绕组，将交流绕组称为动作绕组。1.3协调程序如图2所示，利用饱和电抗器的输出特性，饱和电抗器的交流操作线圈与整流器的整流臂串联连接，并且控制电源与直流控制线圈连接。 在考虑整流变压器泄漏电阻的理想情况下，如果将流过整流桥臂D1的电流设为Id，将流过电抗器BK1的动作绕组的电流设为Id，则电抗器BK1的铁心处于饱和状态，在该磁阻小到能够忽略的程度的t=0的情况下，由于Ua=Ub， 电流Id应该瞬间从a相变换为b相，但由于饱和电抗器BK3的阻碍作用，变换延迟，该延迟的时间在与饱和电抗器BK3的开始状态相关的t=0时刻以后，由于UbUa，因此在电压差的作用下饱和电抗器BK3的动作绕组中的电流逐渐增加，励磁作用变大， 在t=t1时刻，BK3铁心饱和，磁阻小，整流桥臂D3完全导通，负载电流Id几乎全部流过BK3的动作绕组，同时电抗器BK1的铁心在反向电压(Ua-Ub为负)的作用下逐渐减磁，在t=t2时刻，电抗器BK1的铁心返回初始状态， 由于整流桥臂D1关闭，电流变为零而完成一个，因此通过饱和电抗器的交流的同时励磁，三相整流桥的转相点从t=0时刻延迟到t=t1时刻，使整流桥的直流输出电压变化，达到调整的目的，其对应角度为，称为饱和角， BK3铁心从开始增磁到达饱和状态的角度，其大小主要由饱和电抗器铁心的初始状态决定，即由控制绕组中的直流电流的大小决定，随控制电流的大小变化。电抗器的控制绕组有正偏压绕组和负偏压绕组两种，在实际应用中一般将正偏压绕组称为偏置绕组，将负偏压绕组称为控制绕组。 通过电抗器的动作绕组的电流方向一定，施加于负偏置绕组的电流方向与动作绕组的电流方向相反，当控制绕组(负偏置绕组)的电流增加时，饱和电抗器的饱和角增加，三相整流桥的转相延迟增大，整流桥输出直流电压减少，相应地直流电流减少。在电解效应导致电解直流电压上升、电网的电压下降的情况下，使电抗器的控制电流Ik相应地减少，减少对应的电抗器的饱和角，减少三相整流桥的旋转角延迟，增加整流装置的输出电压，相应地增加电解直流电流，起到自动调整的作用，反之亦然1.4正偏置绕组的作用正偏置绕组也称为偏置绕组，主要起到增加饱和电抗器的调压深度的作用，和平衡同一整流单元的2台整流装置之间的负荷的作用。从图4可以知道，由于更好地利用饱和电抗器的线性操作范围(即，为了增加饱和电抗器的饱和深度)，饱和电抗器的调压范围更大，图4的h轴(磁场强度)可以向下偏移。 增加该饱和电抗器调压深度的绕组称为正偏置绕组。 向正偏置绕组施加电压Up时，饱和电抗器的调压深度增加，该电压称为偏置电压，绕组中的电流称为正偏置电流。如图5所示，当在正向偏置线圈中流过电流Ip时，横轴从h增加h位置，即线性区域ob的区段增加，具有增加调压深度的作用。双稳流控制系统2.1整流单元单体的稳定流控制整流单元a、b的2台饱和电抗器的负偏置绕组串联连接而形成控制绕组，在其上施加控制电压而构成电抗器的控制电路，流过的电流是控制电流Ik，Ik调节整流装置的输出电流。向a台电抗器的正偏置线圈施加固定电压，形成正偏置电流Ip，增加电抗器的调压深度。 对b台电抗器的正偏置线圈施加可变电压，实现a、b台整流装置平均分担负载的目的，防止两装置间负载分担不均匀引起的过载事故。稳定流控制如图6所示，恒流控制的原理是对整流板的直流输出电流进行电流转换而形成反馈If，利用规定的电流Ig与PLC进行比较而形成比较电压，对比较电压进行PID运算，控制PLC的输出脉冲的占空比，使IGBT的输出电流、即控制电流Ik变化而调整整流装置的输出电流。 在系统的调整过程中，当电解槽产生阳极效应时槽电压上升，电解电流下降时，由于PID调节器的作用，IGBT的导通角变小，输出电压下降，饱和电抗器控制电流IK下降，铁心的饱和角变小，二极管的导通延迟时间变小，整流装置的输出电流增加，电解电流减少平衡控制平衡控制电路图与稳态流控制电路图相同，只是给出的信号和反馈信号不同。 平衡控制的原理是，将a台饱和电抗器的正偏置电流保持恒定，将a台整流装置的输出电流设为规定的信号，将b台整流装置的输出电流设为反馈信号，通过PLC进行信号比较和PID运算之后，控制PLC的输出脉冲的占空比，使IGBT的输出电流变化，从而使a、b台整流装置的输出电流变化在该调节过程中，当b台整流装置的输出电流大于a台整流装置的输出电流时，PLC控制器中的比较信号电压降低，经过PID运算，IGBT的导通角变小，输出电流降低，即b台电抗器的正偏置电流降低， 由于电抗器的正偏置绕组中的电流方向与动作绕组中的交流电流方向相同，因此正偏置电流的增磁作用变弱，b台电抗器铁心的饱和角变大，二极管的导通延迟时间变长，b台整流装置的输出电流减少，以取得a、b台整流装置的平均分担负载的平衡为目的。饱和深度控制通过将单相整流桥的输出电压施加在a台电抗器的正偏置线圈上，形成固定的偏置电流Ip，降低电抗器的动态磁化曲线和动态磁滞回线的横轴方向，发挥增加饱和电抗器的调压深度的作用。2.2电解系列稳定流控制一般而言，某个电解序列的直流电流在200KA-500KA之间，通常从一些整流单元并联供电，而电解序列的总直流电流等于这些单元的输出电流之和。 为了实现稳定串联直流电流的目的和多台整流单元的电流调节的同步性，通常设置串联电流稳定流的总控制器，从串联直流电流传感器取得反馈信号，进行总控制器PLC与串联设定电流的比较和PID运算， 输出结果作为单体组稳定流的分配给出，输送至各单元PLC，实现串联稳定流控制，起到稳定串联电流的作用。饱和电抗器的控制深度一般为60V左右，饱和或切断时电抗器失去调节电压的作用，经过一定的延迟，总调PLC能够自动同步调节多台整流单元上搭载的调压开关的升级或降级，因此能够扩大调压范围，电解串联三句话以饱和电抗器为主驱动器的稳流控制系统广泛应用于供给一定直流电流的行业，尤其是电解铝行业，不仅能提高电解直流电流的稳定性，还能提高电解电流效率，在稳定电解槽工艺条件方面具有重要