電化學(xué)整流電源的設計

摘要：介紹電化學(xué)整流電源及其設計，結合國內外發(fā)展的情況，對系統設計的目前狀況和發(fā)展趨勢進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)整流電源 設計方法

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、水電解等設備的直流電源，其特點(diǎn)是提供強大的直流電流，而且必須連續供電；同時(shí)由于耗電量大，要求電源效率較高。近年來(lái)，隨著(zhù)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(xué)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(gè)設計過(guò)程。

現代電化學(xué)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、輔助系統設計、計算機監控設計。

1 主電路結構

電化學(xué)整流電源由于其容量較大，所以在主電路結構上與普通的整流電路有所區別，因為這個(gè)原因，使得無(wú)論在電路結構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)結方式

常用的電聯(lián)結方式是雙反星形帶平衡電抗器聯(lián)結和三相橋式聯(lián)結。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(gè)設備的造價(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(lái)越廣泛的應用。

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

1．2 電路結構形式

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，所以合理地設計整流裝置的電聯(lián)結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。

國內電化學(xué)用大電流整流電源多采用“同相逆并聯(lián)”結構，這種結構特點(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)是整流變壓器閥側繞組結構和接線(xiàn)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)結構，而采用自支持非封閉結構，也能達到消除自身磁場(chǎng)干擾、均流性能好的效果，但是在進(jìn)出線(xiàn)設計不合理時(shí)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，目前出現了同相逆并聯(lián)準自支持結構，它充分結合了兩者的特點(diǎn)，電路結構形式采用同相逆并聯(lián)技術(shù)，而在柜體結構和導電母線(xiàn)排的安裝設計上采用類(lèi)似自支持結構的形式，這些主要是考慮所設計的整流電源的特點(diǎn)和技術(shù)要求。

從長(cháng)遠發(fā)展角度來(lái)看，同相逆并聯(lián)與自支持結構會(huì )并存，它們也是整流電路的兩種主要結構形式。

1．3 整流器件選擇

對于電化學(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)：

●系統控制電路相對簡(jiǎn)單；

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

●整流輸出的穩流控制通過(guò)飽和電抗器進(jìn)行；

●對于操作人員來(lái)說(shuō)操作、維護相對簡(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)：

●系統控制電路相對復雜；

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

●整流輸出的穩流控制通過(guò)控制晶閘管觸發(fā)脈沖來(lái)完成；

●對于操作人員來(lái)說(shuō)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)整流電源設計的器件國內外發(fā)展水平的對比。

表1 整流器件國內外發(fā)展水平比較

近年來(lái)有些研究機構采用IGBT作為整流器件的小功率樣機已經(jīng)實(shí)驗成功，但它的最大問(wèn)題是并聯(lián)均流技術(shù)和成本價(jià)格。

2 控制策略

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

2．1 觸發(fā)控制

目前大多數的晶閘管整流電源已經(jīng)實(shí)現了全數字觸發(fā)，這樣對于保證系統安全可靠運行和進(jìn)行計算機監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)控制現在比較成熟，觸發(fā)控制主要采用PI或PID控制。

2．2 穩流控制

穩流控制環(huán)節是目前電化學(xué)整流電源必不可少的，這是電化學(xué)工藝與節能的要求。對于二極管整流電源來(lái)說(shuō)，穩流控制通過(guò)調壓變壓器配合飽和電抗器進(jìn)行調節；而晶閘管整流電源則通過(guò)調壓變壓器配合控制晶閘管觸發(fā)來(lái)進(jìn)行調節，目前大多采用PI或PID調節。

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

3 實(shí)現計算機輔助設計

計算機輔助設計在電力電子系統開(kāi)發(fā)和研究過(guò)程中的作用越來(lái)越受到人們的重視，對于解決設計中的費時(shí)、費力、成本高等問(wèn)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，以及設計過(guò)程中計算量大的特點(diǎn)，所以其設計過(guò)程更適合采用計算機來(lái)進(jìn)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(kāi)發(fā)的CAD軟件主要是通用電路分析、仿真軟件，而專(zhuān)門(mén)針對電化學(xué)整流電源開(kāi)發(fā)的CAD軟件包還沒(méi)有，所以進(jìn)行這方面的研究和開(kāi)發(fā)也將是電化學(xué)整流電源設計技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)方向。

4 輔助設計系統

4．1 冷卻系統設計

電化學(xué)整流電源由于電流較大、功率損耗大，故冷卻系統設計是一個(gè)重要的環(huán)節。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(gè)整流臂的散熱體與冷卻管路相聯(lián)結時(shí)，要充分考慮兩端的電位情況，設計時(shí)應盡量考慮等電位聯(lián)結。由于水冷系統故障將會(huì )使整流器件發(fā)熱損害，為此需要對進(jìn)口水壓、水溫和冷卻母線(xiàn)的溫度進(jìn)行監視控制。從以后的發(fā)展來(lái)看，水冷方式依舊會(huì )占據主導地位，提高冷卻水質(zhì)、實(shí)現智能化是發(fā)展的趨勢。

4．2 諧波抑制設計

電化學(xué)整流電源一般容量很大，是電力系統的主要諧波源之一。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(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)，配置相應的濾波器和補償器，達到諧波抑制和補償的效果在此就特別重要。

利用有源濾波器APF（ActivePowerFilter）和價(jià)格低廉的無(wú)源濾波器仍是諧波補償的重要手段。目前國內大多數的電化學(xué)整流電源通過(guò)加設無(wú)源濾波器進(jìn)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(méi)有得到很好的推廣，在這一方面，國內電化學(xué)整流行業(yè)明顯落后于國外的同行?，F在有些電化學(xué)整流電源設計和制造廠(chǎng)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(wú)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(shuō)是一個(gè)兩者兼顧的做法，但是從長(cháng)遠的角度來(lái)說(shuō)，電力有源濾波將逐漸在諧波抑制行業(yè)占據主導地位。

5 計算機監控系統設計

監控系統，主要完成工業(yè)控制中數據采集、顯示和遠方控制；對運行數據進(jìn)行分析，監測系統目前的狀態(tài)；對歷史數據進(jìn)行分析，預測電源的運行狀態(tài)。對于電化學(xué)整流電源來(lái)說(shuō)，可靠、安全運行是必要的。進(jìn)行遠端實(shí)時(shí)監控有利于系統的正常運行；有助于保證安全運行或及時(shí)發(fā)現故障，從而迅速進(jìn)行排除以降低維護費用；通過(guò)分析運行的歷史數據有利于進(jìn)行故障診斷分析。所以對電化學(xué)整流電源建立一套完善的監控系統是其技術(shù)發(fā)展的趨勢。目前應用于各行業(yè)的監控系統有很多種，在前端進(jìn)行數據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控系統將會(huì )根據電化學(xué)整流電源的特點(diǎn)和用戶(hù)具體的要求而得到相應的發(fā)展。