電解鋁用超大功率整流器的設計

4提高均流系數和保證均流系數穩定的措施

隨著(zhù)整流管制造水平的提高和整流管管徑的增大，如何把整流管用好，使同一臂內各并聯(lián)支路整流管的能力得到充分發(fā)揮的問(wèn)題就顯得很為突出。均流系數是評價(jià)該性能的重要指標。為了提高均流系數和保證均流系數的穩定，主要采取了以下幾方面措施：

(1)整流管壓裝工藝改進(jìn)

　　大直徑整流管與母線(xiàn)和散熱器的接觸面的接觸狀況直接受整流管壓裝工藝的影響。傳統壓裝工藝存在的問(wèn)題表現在正向伏安特性一致的整流管裝于同一母線(xiàn)上后復測其正向壓降時(shí)，其差別可以大到0.2～0.3V，從而導致接觸電阻阻值分數，影響并聯(lián)整流管之間的電流分配，是影響均流系數的諸因素中最難控制的因素。

為此，必須把改進(jìn)整流管壓裝工藝，減小壓裝對均流的影響作為重要控制因素。結合與國外同行合作制造的經(jīng)驗，采用獨特的預壓緊技術(shù)、工藝、工裝及檢測方法，使壓裝好后復測整流管的正向壓降的變化范圍控制在0.02V范圍內。

(2)主電路結構設計采用同相逆并聯(lián)同軸對稱(chēng)結構，使交變磁場(chǎng)幾乎完全抵消，克服交變磁場(chǎng)在分布電感上產(chǎn)生的附加感應電勢對電流分配的影響。

(3)同一整流臂上選配正向伏安特性曲線(xiàn)接近一致的整流管。為此在結溫為兩個(gè)不同的溫度點(diǎn)上分別測出峰值電流1000A、2000A、3000A時(shí)的UFM，根據所測值按經(jīng)驗公式計算出一個(gè)UFM作為選配整流管的依據。

5整流柜結構特點(diǎn)

　　整流柜安裝場(chǎng)地為戶(hù)內，采用絕緣安裝方式。主電路采用水－水冷卻。每柜包括六組同相逆并聯(lián)整流臂、電氣和非電氣連接結構、絕緣結構、冷卻水管道和散熱器、整流管壓緊結構、過(guò)壓保護等。

5.1整流柜體結構特點(diǎn)

　　整流柜柜體型式為雙面雙列結構，柜體總高度2.4m、寬3.2m、深1.2m。相對于單面單列的柜體，高度減少約0.6m，體積減少20％。設備比較緊湊，有利于整流室總高度的降低，還可減小整流管母排和快熔

母排的損耗。

柜殼為防磁型結構，凡可能產(chǎn)生局部渦流發(fā)熱的部位均采用防磁材料隔斷磁路。柜殼用彎板和型材焊接成整體結構，以加強機械強度，抵抗電動(dòng)力的沖擊振動(dòng)和噪聲。

柜殼表面采用靜電噴塑處理，以加強柜殼的防腐能力。

　　柜殼防護等級按IP20設計，提高防護等級。

5.2導電母線(xiàn)及電氣連接結構特點(diǎn)

　　為降低損耗、提高整流效率、主電路電氣連接采取了下述措施：

　　所有導電母排，散熱器和連接線(xiàn)的材質(zhì)均為紫銅材料。散熱器和整流管表面鍍鎳，母排表面全部鍍錫。安裝整流管和快熔的母排為擠壓成形的異形雙孔母線(xiàn)，孔為內齒輪形，增大了母排與冷卻水熱交換面積、有利于降低母排熱阻及整流管和快熔的溫升。采用一次鑄造成形的A－003銅質(zhì)散熱器，能防止滲水和散熱器受壓時(shí)產(chǎn)生局部變形的問(wèn)題，保證與整流管接觸良好、壓力均勻。散熱器進(jìn)出水嘴孔徑大（14）、水阻小，在水流為紊流狀態(tài)下，使流量達到16L/min。雙面冷卻，保證熱阻不超過(guò)0.01℃/W，有利于提高整流管的通流能力。直流匯流母排也采用擠壓成形帶內孔的銅母線(xiàn)，不再沿用焊接散熱水管的匯流母線(xiàn)。匯流母線(xiàn)與快熔雙孔母線(xiàn)之間的連接板直接焊在匯流母線(xiàn)上，既減小接觸損耗又提高結構強度。

5.3先進(jìn)的同相逆并聯(lián)結構

　　在應用同相逆并聯(lián)技術(shù)的過(guò)程中，存在著(zhù)同相逆并聯(lián)的兩個(gè)整流臂之間的距離和絕緣之間的矛盾。對于這種高電壓大電流整流器，問(wèn)題尤為突出。為此專(zhuān)門(mén)研制了一種復合結構的絕緣套管，在不多占用空間的條件下能有效地增大爬電距離。同相逆變兩臂之間通過(guò)該絕緣套管用高強度螺栓牢固地連成一體，使之具有足夠的機械強度。而兩臂之間的空間又用不小于10mm厚的絕緣板隔離，可有效地防止異物掉落到兩臂之間。主電路全部按對稱(chēng)結構設計，最大限度地使其磁場(chǎng)分布相互抵消。這樣可以保證：

（1）同相逆并聯(lián)的兩整流臂之間的直線(xiàn)距離控制在20mm以?xún)?，對消除大電流交變磁?chǎng)的危害效果顯著(zhù)。這一距離是國內其它廠(chǎng)家同類(lèi)裝置的一半。

（2）最短爬電距離不小于50mm，實(shí)際耐壓強度不小于10kV。

（3）同相逆并聯(lián)的兩整流臂之間的連接結構具有足夠的機械強度，以抗拒電動(dòng)斥力的沖擊，也減小振動(dòng)噪聲。

5.4冷卻水路特點(diǎn)

　　水路管道盡可能地增大其內徑，增大水的流量，降低水的流速，使管內的水流呈紊流狀態(tài)，有利于熱交換。

總匯流水管和管接頭用不銹鋼管制造，可減小管壁腐蝕對水質(zhì)的影響。導電母排上的管接頭用紫銅棒加工而成，由于各母排間電位不同，在高壓直流電的作用下，電化學(xué)腐蝕是不可避免的，為此在水支路匯流到總匯流水管時(shí),將接到各母線(xiàn)上的水管按正、負極分別匯流，使之處于同一電位，減緩電化學(xué)腐蝕。

5.5絕緣結構設計

　　對于直流電壓達1220V的整流柜，主電路對柜殼的耐壓強度按4000V（工頻電壓）設計。整流管外殼厚度35mm，35mm厚的管殼耐壓強度可達到8000V（工頻電壓）。整流管壓緊機構采用雙重絕緣，正常情況下壓板上是不帶電的，對安全有利。運行時(shí)也可以緊固整流管的壓緊螺栓。

6自動(dòng)控制系統

　　整個(gè)自動(dòng)控制系統是參照國外公司提供的同類(lèi)模式，并結合青銅峽鋁廠(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行設計和配置的。并要求其自動(dòng)化程度、技術(shù)水平達到國外公司同類(lèi)系統的相應水平。該系統以PLC為核心，配以工控機作終端，自動(dòng)控制系統框圖見(jiàn)圖1。所有信號，包括故障、保護和控制信號均由PLC和工控機進(jìn)行監視和控制。該系統具有數據采集、過(guò)程控制、報警、圖形數據顯示、統計報表打印等功能，適合大型整流電源系統使用。

　　由4（各機組PLC）＋1（總PLC）和工控機（上位機）組成的自動(dòng)監控系統，其監控范圍包括整流設備（調壓變壓器＋整流變壓器＋整流裝置）及其輔機。工控機和總PLC可以通過(guò)各機組的PLC完成對整流設備及其輔機的運行狀態(tài)監視、調整、控制和有關(guān)數據的采集。自動(dòng)控制系統的操作方法和操作程序需要變動(dòng)時(shí)，用戶(hù)可以根據實(shí)際情況，通過(guò)修改上、下位機控制程序（軟件）作相應的調整。

7穩流控制電路特點(diǎn)

　　現在大型鋁電解廠(chǎng)均采用了槽控技術(shù)，以進(jìn)一步提高鋁電解生產(chǎn)的綜合技術(shù)經(jīng)濟指標。槽控技術(shù)要求自動(dòng)穩流裝置能高精度地保持電解槽電流瞬時(shí)值的恒定。晶閘管整流裝置在穩流精度和響應速度方面能

滿(mǎn)足槽控技術(shù)的要求。二極管整流裝置的穩流控制系統的執行機構是自飽和電抗器和有載調壓開(kāi)關(guān)（簡(jiǎn)稱(chēng)OLCT），為使其接近晶閘管自動(dòng)穩流裝置的水平，其自動(dòng)穩流系統的設計具有以下幾點(diǎn)特點(diǎn)：

（1）給每個(gè)整流機組配置的控制柜中都有一套獨立的自動(dòng)閉環(huán)調節或手動(dòng)開(kāi)環(huán)調節電流的單元和位移繞組調節電源?？梢元毩⒄{節每個(gè)整流機組的輸出電流和飽和電抗器的設定工作點(diǎn)。避免各機組之間飽和電抗器B－H特性的分散性和整流變壓器輸出電壓及阻抗不完全相等對飽和電抗器線(xiàn)性調壓范圍的影響，同時(shí)也增加了調節的靈活性。

（2）輸入電流調節器的電流反饋信號分別取自本機組直流側的直流電流檢測裝置（DCCT）和整流變一次側的交流電流互感器（ACCT）。二者之間可以在線(xiàn)切換，當其中一路出現故障時(shí)，另一路會(huì )自動(dòng)投入，以防止反饋電流信號丟失帶來(lái)的嚴重后果。

（3）控制柜內的電流調節器是用模擬電路組成的無(wú)靜差比例積分（PI）調節器。其電流給定信號取自分調電位器或PLC給出的給定信號。PLC中的數字調節器和控制柜中的模擬調節器也可以在線(xiàn)切換。

（4）飽和電抗器控制繞組和位移繞組的直流電源都是經(jīng)過(guò)了濾波的單相整流電源，簡(jiǎn)單可靠?；芈分写?lián)有足夠大電感的平波電抗器，可以實(shí)現強制激磁。

（5）設有飽和電抗器線(xiàn)性工作區（即上、下飽和點(diǎn)）的檢測環(huán)節。檢測飽和電抗器的工作點(diǎn)所在區段，并發(fā)出升降OLCT擋位的請求信號。

（6）電流調節器采用無(wú)靜差的PI調節器，比例大小和積分時(shí)間長(cháng)短能分別調節，可獲得高的穩流精度和快響應速度。

圖1自動(dòng)化監控系統框圖