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，結合國內外發展的情況，對系統設計的目前狀況和發展趨勢進行了綜述。

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、化工工業以及功率半導體器件、控制方式和計算機應用的發展，電化學整流電源在設計技術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、輔助系統設計、計算機監控設計。

1 主電路結構

電化學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，因為這個原因，使得無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 電聯結方式

常用的電聯結方式是雙反星形帶平衡電抗器聯結和三相橋式聯結。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，從而使整個設備的造價降低。由于三相橋式整流電路性能優越，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，三相橋式聯結將成為電化學整流電源的主要聯結方式。

1．2 電路結構形式

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。

國內電化學用大電流整流電源多采用“同相逆并聯”結構，這種結構特點是消除本相磁場干擾，使整流器件并聯易于均流，缺點是整流變壓器閥側繞組結構和接線復雜，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結構，而采用自支持非封閉結構，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，目前出現了同相逆并聯準自支持結構，它充分結合了兩者的特點，電路結構形式采用同相逆并聯技術，而在柜體結構和導電母線排的安裝設計上采用類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和技術要求。

從長遠發展角度來看，同相逆并聯與自支持結構會并存，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

對于電化學整流電源，由于電流和功率較大，考慮到器件的并聯均流技術，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：

●系統控制電路相對簡單；

●電源調壓采用整流變壓器網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側繞組有載分段調壓（粗調）和晶閘管相控調壓（細調）的聯合調整方式；

●整流輸出的穩流控制通過控制晶閘管觸發脈沖來完成；

●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，目前國內外在大功率整流器件上的發展水平（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外發展水平的對比。

表1 整流器件國內外發展水平比較

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

2 控制策略

隨著大功率電力電子器件的出現和微型計算機的發展，先進的控制方法在電力電子行業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，觸發控制（對于晶閘管整流電源）和穩流控制是兩個主要的方面。

2．1 觸發控制

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

2．2 穩流控制

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

近年來，隨著計算機技術和控制技術的發展，線性最優控制、自適應控制、智能控制技術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，且綜合各種控制的智能控制策略，是現代電化學整流電源控制策略的發展方向。

3 實現計算機輔助設計

計算機輔助設計在電力電子系統開發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開發的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的CAD軟件包還沒有，所以進行這方面的研究和開發也將是電化學整流電源設計技術發展的另一個方向。

4 輔助設計系統

4．1 冷卻系統設計

電化學整流電源由于電流較大、功率損耗大，故冷卻系統設計是一個重要的環節。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由冷卻水泵、去離子設備、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，所以整流柜中各個整流臂的散熱體與冷卻管路相聯結時，要充分考慮兩端的電位情況，設計時應盡量考慮等電位聯結。由于水冷系統故障將會使整流器件發熱損害，為此需要對進口水壓、水溫和冷卻母線的溫度進行監視控制。從以后的發展來看，水冷方式依舊會占據主導地位，提高冷卻水質、實現智能化是發展的趨勢。

4．2 諧波抑制設計

電化學整流電源一般容量很大，是電力系統的主要諧波源之一。大量諧波電流注入電網，將造成電壓畸變，供電質量下降，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的效果在此就特別重要。

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的重要手段。目前國內大多數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，國內電化學整流行業明顯落后于國外的同行。現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，主要完成工業控制中數據采集、顯示和遠方控制；對運行數據進行分析，監測系統目前的狀態；對歷史數據進行分析，預測電源的運行狀態。對于電化學整流電源來說，可靠、安全運行是必要的。進行遠端實時監控有利于系統的正常運行；有助于保證安全運行或及時發現故障，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據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控系統是其技術發展的趨勢。目前應用于各行業的監控系統有很多種，在前端進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根據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展。