電化學整流電源的設計

摘要：介紹電化學整流電源及其設計，結(jié)合國內(nèi)外發(fā)展的情況，對系統(tǒng)設計的目前狀況和發(fā)展趨勢進行了綜述。

關鍵詞：電化學整流電源 設計方法

電化學整流電源主要用做鋁鎂電解、食鹽電解、其它金屬電解、水電解等設備的直流電源，其特點是提供強大的直流電流，而且必須連續(xù)供電；同時由于耗電量大，要求電源效率較高。近年來，隨著有色、冶金、化工工業(yè)以及功率半導體器件、控制方式和計算機應用的發(fā)展，電化學整流電源在設計技術(shù)方面也得到了很大的提高，建模、仿真、分析設計在逐步貫穿整個設計過程。

現(xiàn)代電化學整流電源的設計包括主電路設計、控制電路設計、計算機輔助設計、輔助系統(tǒng)設計、計算機監(jiān)控設計。

1 主電路結(jié)構(gòu)

電化學整流電源由于其容量較大，所以在主電路結(jié)構(gòu)上與普通的整流電路有所區(qū)別，因為這個原因，使得無論在電路結(jié)構(gòu)形式還是元器件的選擇方面，可以通用的并不是太多。

1．1 電聯(lián)結(jié)方式

常用的電聯(lián)結(jié)方式是雙反星形帶平衡電抗器聯(lián)結(jié)和三相橋式聯(lián)結(jié)。雙反星形帶平衡電抗器整流電路多用在低壓、大電流的電源中，因為在同樣輸出電流情況下，它比橋式整流少用一半整流器件，但是它的整流變壓器利用率較低，在同等功率情況下，變壓器容量比三相橋式整流變壓器高20％左右；在電壓較高的整流電路中，一般采用三相橋式整流電路，該電路的變壓器利用率高，在同等直流功率情況下，可以使用最小容量的整流變壓器，從而使整個設備的造價降低。由于三相橋式整流電路性能優(yōu)越，在大電解電源中得到了越來越廣泛的應用。

隨著銅材價格上漲導致變壓器造價提高，以及元器件的價格逐漸下降，三相橋式聯(lián)結(jié)將成為電化學整流電源的主要聯(lián)結(jié)方式。

1．2 電路結(jié)構(gòu)形式

由于電化學整流電源的最大特點是低電壓、大電流、大容量，所以合理地設計整流裝置的電聯(lián)結(jié)形式有助于降低電磁干擾、提高器件的均流度和整流設備的電效率。

國內(nèi)電化學用大電流整流電源多采用“同相逆并聯(lián)”結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)特點是消除本相磁場干擾，使整流器件并聯(lián)易于均流，缺點是整流變壓器閥側(cè)繞組結(jié)構(gòu)和接線復雜，導致整流變壓器成本高。

歐洲各公司一般不采用同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)，而采用自支持非封閉結(jié)構(gòu)，也能達到消除自身磁場干擾、均流性能好的效果，但是在進出線設計不合理時效果很差，若因冷卻要求外罩，一般均采用非導磁材料；

在國內(nèi)，目前出現(xiàn)了同相逆并聯(lián)準自支持結(jié)構(gòu)，它充分結(jié)合了兩者的特點，電路結(jié)構(gòu)形式采用同相逆并聯(lián)技術(shù)，而在柜體結(jié)構(gòu)和導電母線排的安裝設計上采用類似自支持結(jié)構(gòu)的形式，這些主要是考慮所設計的整流電源的特點和技術(shù)要求。

從長遠發(fā)展角度來看，同相逆并聯(lián)與自支持結(jié)構(gòu)會并存，它們也是整流電路的兩種主要結(jié)構(gòu)形式。

1．3 整流器件選擇

對于電化學整流電源，由于電流和功率較大，考慮到器件的并聯(lián)均流技術(shù)，所以整流器件選擇余度不是很大，主要是電力整流二極管和晶閘管。

用二極管做為電化學整流電源的整流器件，具有以下特點：

●系統(tǒng)控制電路相對簡單；

●電源調(diào)壓采用整流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組有載分段調(diào)壓（粗調(diào)）和閥側(cè)繞組串接飽和電抗器調(diào)壓（細調(diào)）的聯(lián)合調(diào)整方式，這樣使得整流電路結(jié)構(gòu)較復雜；

●整流輸出的穩(wěn)流控制通過飽和電抗器進行；

●對于操作人員來說操作、維護相對簡單。

用晶閘管做為電化學整流電源的整流器件，具有以下特點：

●系統(tǒng)控制電路相對復雜；

●電源調(diào)壓采用晶閘管移相控制方式，或采用整流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組有載分段調(diào)壓（粗調(diào)）和晶閘管相控調(diào)壓（細調(diào)）的聯(lián)合調(diào)整方式；

●整流輸出的穩(wěn)流控制通過控制晶閘管觸發(fā)脈沖來完成；

●對于操作人員來說操作、維護比較復雜。

選擇哪種整流器件主要是考慮電源的容量和器件的水平，目前國內(nèi)外在大功率整流器件上的發(fā)展水平（主要考慮電流峰值）有較大的差距，表1為可用于電化學整流電源設計的器件國內(nèi)外發(fā)展水平的對比。

表1 整流器件國內(nèi)外發(fā)展水平比較

近年來有些研究機構(gòu)采用IGBT作為整流器件的小功率樣機已經(jīng)實驗成功，但它的最大問題是并聯(lián)均流技術(shù)和成本價格。

2 控制策略

隨著大功率電力電子器件的出現(xiàn)和微型計算機的發(fā)展，先進的控制方法在電力電子行業(yè)的應用研究也深入到各個方面。對于電化學整流電源的控制來說，觸發(fā)控制（對于晶閘管整流電源）和穩(wěn)流控制是兩個主要的方面。

2．1 觸發(fā)控制

目前大多數(shù)的晶閘管整流電源已經(jīng)實現(xiàn)了全數(shù)字觸發(fā)，這樣對于保證系統(tǒng)安全可靠運行和進行計算機監(jiān)控提供了有利的條件。在這里觸發(fā)控制包括觸發(fā)電路、整流電路保護等。對于晶閘管整流電路的觸發(fā)控制現(xiàn)在比較成熟，觸發(fā)控制主要采用PI或PID控制。

2．2 穩(wěn)流控制

穩(wěn)流控制環(huán)節(jié)是目前電化學整流電源必不可少的，這是電化學工藝與節(jié)能的要求。對于二極管整流電源來說，穩(wěn)流控制通過調(diào)壓變壓器配合飽和電抗器進行調(diào)節(jié)；而晶閘管整流電源則通過調(diào)壓變壓器配合控制晶閘管觸發(fā)來進行調(diào)節(jié)，目前大多采用PI或PID調(diào)節(jié)。

近年來，隨著計算機技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，線性最優(yōu)控制、自適應控制、智能控制技術(shù)目前在穩(wěn)流控制中已得到了較好的應用。采用全數(shù)字計算機控制技術(shù)，且綜合各種控制的智能控制策略，是現(xiàn)代電化學整流電源控制策略的發(fā)展方向。

3 實現(xiàn)計算機輔助設計

計算機輔助設計在電力電子系統(tǒng)開發(fā)和研究過程中的作用越來越受到人們的重視，對于解決設計中的費時、費力、成本高等問題效果明顯。電化學整流電源由于其成本高、可靠性要求高，以及設計過程中計算量大的特點，所以其設計過程更適合采用計算機來進行。計算機輔助設計包括對象建模、輸入輸出設計、仿真分析，它的一般設計流程框圖如圖1所示。

目前針對電力電子行業(yè)開發(fā)的CAD軟件主要是通用電路分析、仿真軟件，而專門針對電化學整流電源開發(fā)的CAD軟件包還沒有，所以進行這方面的研究和開發(fā)也將是電化學整流電源設計技術(shù)發(fā)展的另一個方向。

4 輔助設計系統(tǒng)

4．1 冷卻系統(tǒng)設計

電化學整流電源由于電流較大、功率損耗大，故冷卻系統(tǒng)設計是一個重要的環(huán)節(jié)。在冷卻手段上自然風冷方式效果不佳，所以采用不多；油冷卻方式絕緣效果好、體積較小，但是成本較高，所以也很少采用；從成本、體積、性能、價格方面綜合考慮，水冷方式比較適合電化學整流電源。

電化學整流電源水冷卻系統(tǒng)由冷卻水泵、去離子設備、蓄水箱、水管和散熱器等組成?？紤]到大電流情況下水的電解有可能腐蝕端接處，所以整流柜中各個整流臂的散熱體與冷卻管路相聯(lián)結(jié)時，要充分考慮兩端的電位情況，設計時應盡量考慮等電位聯(lián)結(jié)。由于水冷系統(tǒng)故障將會使整流器件發(fā)熱損害，為此需要對進口水壓、水溫和冷卻母線的溫度進行監(jiān)視控制。從以后的發(fā)展來看，水冷方式依舊會占據(jù)主導地位，提高冷卻水質(zhì)、實現(xiàn)智能化是發(fā)展的趨勢。

4．2 諧波抑制設計

電化學整流電源一般容量很大，是電力系統(tǒng)的主要諧波源之一。大量諧波電流注入電網(wǎng)，將造成電壓畸變，供電質(zhì)量下降，危害供電設備和用電設備，同時也使供電效率下降。因此研究電化學整流電源產(chǎn)生的諧波特點，配置相應的濾波器和補償器，達到諧波抑制和補償?shù)男Ч诖司吞貏e重要。

利用有源濾波器APF（ActivePowerFilter）和價格低廉的無源濾波器仍是諧波補償?shù)闹匾侄?。目前國?nèi)大多數(shù)的電化學整流電源通過加設無源濾波器進行諧波補償，而有源濾波器由于其成本較高和控制手段相對復雜沒有得到很好的推廣，在這一方面，國內(nèi)電化學整流行業(yè)明顯落后于國外的同行。現(xiàn)在有些電化學整流電源設計和制造廠家提出了混合補償方法，即對于能量較大的特征諧波采用無源濾波器，而對一些非特征諧波和能量相對較低的諧波采用有源濾波器，這也可以說是一個兩者兼顧的做法，但是從長遠的角度來說，電力有源濾波將逐漸在諧波抑制行業(yè)占據(jù)主導地位。

5 計算機監(jiān)控系統(tǒng)設計

監(jiān)控系統(tǒng)，主要完成工業(yè)控制中數(shù)據(jù)采集、顯示和遠方控制；對運行數(shù)據(jù)進行分析，監(jiān)測系統(tǒng)目前的狀態(tài)；對歷史數(shù)據(jù)進行分析，預測電源的運行狀態(tài)。對于電化學整流電源來說，可靠、安全運行是必要的。進行遠端實時監(jiān)控有利于系統(tǒng)的正常運行；有助于保證安全運行或及時發(fā)現(xiàn)故障，從而迅速進行排除以降低維護費用；通過分析運行的歷史數(shù)據(jù)有利于進行故障診斷分析。所以對電化學整流電源建立一套完善的監(jiān)控系統(tǒng)是其技術(shù)發(fā)展的趨勢。目前應用于各行業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)有很多種，在前端進行數(shù)據(jù)采集和控制的主要有PLC、RTU、小型DCS控制單元等；而集中控制室主要有工控機或其它計算機組成的集中控制單元。今后由這幾種方式組成的監(jiān)控系統(tǒng)將會根據(jù)電化學整流電源的特點和用戶具體的要求而得到相應的發(fā)展。