電化學(xué)整流電源的設(shè)計(jì)

摘要：介紹電化學(xué)整流電源及其設(shè)計(jì)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外發(fā)展的情況，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目前狀況和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)整流電源 設(shè)計(jì)方法

電化學(xué)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(shè)備的直流電源，其特點(diǎn)是提供強(qiáng)大的直流電流，而且必須連續(xù)供電；同時(shí)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(dǎo)體器件、控制方式和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的發(fā)展，電化學(xué)整流電源在設(shè)計(jì)技術(shù)方面也得到了很大的提高，建模、仿真、分析設(shè)計(jì)在逐步貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過程。

現(xiàn)代電化學(xué)整流電源的設(shè)計(jì)包括主電路設(shè)計(jì)、控制電路設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控設(shè)計(jì)。

1 主電路結(jié)構(gòu)

電化學(xué)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?yàn)檫@個(gè)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?yàn)樵谕瑯虞敵鲭娏髑闆r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(gè)設(shè)備的造價(jià)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(yīng)用。

隨著銅材價(jià)格上漲導(dǎo)致變壓器造價(jià)提高，以及元器件的價(jià)格逐漸下降，三相橋式聯(lián)結(jié)將成為電化學(xué)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(xué)整流電源的最大特點(diǎn)是低電壓、大電流、大容量，所以合理地設(shè)計(jì)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(shè)備的電效率。

國(guó)內(nèi)電化學(xué)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(diǎn)是消除本相磁場(chǎng)干擾，使整流器件并聯(lián)易于均流，缺點(diǎn)是整流變壓器閥側(cè)繞組結(jié)構(gòu)和接線復(fù)雜，導(dǎo)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(dá)到消除自身磁場(chǎng)干擾、均流性能好的效果，但是在進(jìn)出線設(shè)計(jì)不合理時(shí)效果很差，若因冷卻要求外罩，一般均采用非導(dǎo)磁材料；

在國(guó)內(nèi)，目前出現(xiàn)了同相逆并聯(lián)準(zhǔn)自支持結(jié)構(gòu)，它充分結(jié)合了兩者的特點(diǎn)，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(dǎo)電母線排的安裝設(shè)計(jì)上采用類似自支持結(jié)構(gòu)的形式，這些主要是考慮所設(shè)計(jì)的整流電源的特點(diǎn)和技術(shù)要求。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展角度來看，同相逆并聯(lián)與自支持結(jié)構(gòu)會(huì)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(duì)于電化學(xué)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(xué)整流電源的整流器件，具有以下特點(diǎn)：

●系統(tǒng)控制電路相對(duì)簡(jiǎn)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(xì)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(fù)雜；

●整流輸出的穩(wěn)流控制通過飽和電抗器進(jìn)行；

●對(duì)于操作人員來說操作、維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單。

用晶閘管做為電化學(xué)整流電源的整流器件，具有以下特點(diǎn)：

●系統(tǒng)控制電路相對(duì)復(fù)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(xì)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(duì)于操作人員來說操作、維護(hù)比較復(fù)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(guó)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(xué)整流電源設(shè)計(jì)的器件國(guó)內(nèi)外發(fā)展水平的對(duì)比。

表1 整流器件國(guó)內(nèi)外發(fā)展水平比較

近年來有些研究機(jī)構(gòu)采用IGBT作為整流器件的小功率樣機(jī)已經(jīng)實(shí)驗(yàn)成功，但它的最大問題是并聯(lián)均流技術(shù)和成本價(jià)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(jì)算機(jī)的發(fā)展，先進(jìn)的控制方法在電力電子行業(yè)的應(yīng)用研究也深入到各個(gè)方面。對(duì)于電化學(xué)整流電源的控制來說，觸發(fā)控制（對(duì)于晶閘管整流電源）和穩(wěn)流控制是兩個(gè)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(shí)現(xiàn)了全數(shù)字觸發(fā)，這樣對(duì)于保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行和進(jìn)行計(jì)算機(jī)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(hù)等。對(duì)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(xué)整流電源必不可少的，這是電化學(xué)工藝與節(jié)能的要求。對(duì)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(jìn)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(jìn)行調(diào)節(jié)，目前大多采用PI或PID調(diào)節(jié)。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，線性最優(yōu)控制、自適應(yīng)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(yīng)用。采用全數(shù)字計(jì)算機(jī)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(xué)整流電源控制策略的發(fā)展方向。

3 實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(duì)于解決設(shè)計(jì)中的費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、成本高等問題效果明顯。電化學(xué)整流電源由于其成本高、可靠性要求高，以及設(shè)計(jì)過程中計(jì)算量大的特點(diǎn)，所以其設(shè)計(jì)過程更適合采用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)包括對(duì)象建模、輸入輸出設(shè)計(jì)、仿真分析，它的一般設(shè)計(jì)流程框圖如圖1所示。

目前針對(duì)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(duì)電化學(xué)整流電源開發(fā)的CAD軟件包還沒有，所以進(jìn)行這方面的研究和開發(fā)也將是電化學(xué)整流電源設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)方向。

4 輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)

4．1 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電化學(xué)整流電源由于電流較大、功率損耗大，故冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。在冷卻手段上自然風(fēng)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(jià)格方面綜合考慮，水冷方式比較適合電化學(xué)整流電源。

電化學(xué)整流電源水冷卻系統(tǒng)由冷卻水泵、去離子設(shè)備、蓄水箱、水管和散熱器等組成。考慮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(gè)整流臂的散熱體與冷卻管路相聯(lián)結(jié)時(shí)，要充分考慮兩端的電位情況，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量考慮等電位聯(lián)結(jié)。由于水冷系統(tǒng)故障將會(huì)使整流器件發(fā)熱損害，為此需要對(duì)進(jìn)口水壓、水溫和冷卻母線的溫度進(jìn)行監(jiān)視控制。從以后的發(fā)展來看，水冷方式依舊會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位，提高冷卻水質(zhì)、實(shí)現(xiàn)智能化是發(fā)展的趨勢(shì)。

4．2 諧波抑制設(shè)計(jì)

電化學(xué)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(shè)備和用電設(shè)備，同時(shí)也使供電效率下降。因此研究電化學(xué)整流電源產(chǎn)生的諧波特點(diǎn)，配置相應(yīng)的濾波器和補(bǔ)償器，達(dá)到諧波抑制和補(bǔ)償?shù)男Ч诖司吞貏e重要。

利用有源濾波器APF（ActivePowerFilter）和價(jià)格低廉的無源濾波器仍是諧波補(bǔ)償?shù)闹匾侄?。目前?guó)內(nèi)大多數(shù)的電化學(xué)整流電源通過加設(shè)無源濾波器進(jìn)行諧波補(bǔ)償，而有源濾波器由于其成本較高和控制手段相對(duì)復(fù)雜沒有得到很好的推廣，在這一方面，國(guó)內(nèi)電化學(xué)整流行業(yè)明顯落后于國(guó)外的同行。現(xiàn)在有些電化學(xué)整流電源設(shè)計(jì)和制造廠家提出了混合補(bǔ)償方法，即對(duì)于能量較大的特征諧波采用無源濾波器，而對(duì)一些非特征諧波和能量相對(duì)較低的諧波采用有源濾波器，這也可以說是一個(gè)兩者兼顧的做法，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)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(dǎo)地位。

5 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(yuǎn)方控制；對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目前的狀態(tài)；對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)電源的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于電化學(xué)整流電源來說，可靠、安全運(yùn)行是必要的。進(jìn)行遠(yuǎn)端實(shí)時(shí)監(jiān)控有利于系統(tǒng)的正常運(yùn)行；有助于保證安全運(yùn)行或及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，從而迅速進(jìn)行排除以降低維護(hù)費(fèi)用；通過分析運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)有利于進(jìn)行故障診斷分析。所以對(duì)電化學(xué)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(shì)。目前應(yīng)用于各行業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)有很多種，在前端進(jìn)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(jī)或其它計(jì)算機(jī)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(huì)根據(jù)電化學(xué)整流電源的特點(diǎn)和用戶具體的要求而得到相應(yīng)的發(fā)展。