百度文庫-成都電解鋁用大功率整流器的設計
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電解鋁用大功率整流器的設計
隨著電力電子和計算機技術的迅速發展,各種電力電子裝置也廣泛應用在冶金、化工和高壓直流輸電等關鍵技術領域。特別是在冶金方面,我國已經在短短的幾十年時間,成為了有色金屬工業大國,這些金屬大都是用熔鹽電解的方法制得的。其中鋁、錳、銅等金屬的電解已形成大規模的工業生產。例如,我國電解鋁和電解銅在?2010?年的產量已經達到?1666?萬噸和?480?萬噸,嫣然已成為世界電解金屬的大國。但是這些行業都是屬于高能耗高諧波污染的行業,而且消耗的是二次能源——電力,在產生效益的同時也消耗了巨大的電能和自然資源。我國雖然地大物博,但是我國是能源資源嚴重短缺的國家,石油、天然氣人均剩余可采儲量僅僅是世界平均水平的?7.7%和?7.1%,儲量比較豐富的煤炭也只有世界平均水平的?58.6%,因此節約能源在可持續發展中占有很重要的部分�！笆晃濉庇媱澠陂g,工業的迅速發展對能源的需求急速增加,由?2005?年的?15.96?億噸增加到了?2010?年的?24億噸左右標準煤。在《“十二五”節能減排綜合性工作方案》中明確指出在節能減排方面,到?2015?年國內所生產的總值能耗比?2010?年下降?16%;全國氮氧化物和氨氮排放總量比?2010?下降?10%。由此可以看出,我國所有的高能耗、高污染的行業必須在未來五年里實現節能的目標,這意味著其生產系統必須進行節能的改造。而整流系統是電解工業的核心裝置,其整流效率、供電可靠性直接跟電解生產的過程有密切的聯系。所以通過對整流系統部件的優化設計來提高大功率整流系統的節能刻不容緩。大功率整流系統利用電力電子器件將交流電變換為直流電,由于電力電子的非線性及系統的大電全、穩定與控制,而且也增加供電設備的負擔,增大了它們的電能消耗,且引起變壓器的振動與噪聲污染等環境問題。隨著全球能源日益緊張與環境污染的加重,大功率整流行業的諧波治理、功率因數提高及系統綜合節能降耗是一個亟待解決的問題。
早期的電解加工直流電源以直流發電機組為主，具有電源噪聲大、效率低、穩壓精度不高、體積龐大等缺點。隨著半導體技術尤其是電力電子技術的發展用大功率硅二極管整流開發出了性能明顯好于直流發電機組的大功率直流電源，并逐步取代了直流發電機組直流電源。硅整流直流穩壓電源穩定、可靠、效率和功率因數都較高，主要缺點是穩壓精度較低，在5%左右，且短路保護時間長，約25ms。另外值得注意的是硅整流電源的鐵耗、銅耗較高，導致成本偏高。為了進一步提高電源性能和降低成本，大功率可控硅器件的發展把電源推到了一個新的水平。于是，可控硅調壓及穩壓的直流電源又逐漸取代了硅整流電源，使得電源的穩壓精度提高到了1%，短路保護時間僅為10ms。近年來，隨著大容量模塊式可控硅、可關斷晶閘管（GTO）以及集成觸發模塊的出現，解決了可控硅直流穩壓電源的可控硅器件的觸發和均流問題，從而使電源容量增大，運行更加穩定可靠。通過對整流供電系統的改造,可以提高供電系統的可靠性，對降低單噸鋁的電耗、減少環境污染,提高企業的生產效率和經濟效益以及促進企業的現代化進程，具有重要意義。電解工業中的主要生產設備——電解槽,?需要由直流電源供電，硅整流裝置擔負著將高壓三相交流電源變換為電壓較低的直流電源的任務。而作為電解電源使用的大電流硅整流裝置從原理上來講是非常簡單的，簡單地說就是一個工頻整流電路，但由于其工作電流較大，伴隨而來的電磁場以及諧波問題己到了不可忽視的地步。另外，大電流硅整流裝置的每一個整流臂均由多只硅器件并聯而成，這樣就存在電流均勻分配的問題，對于每一個整流臂甚至整個硅整流裝置來說，均流系數同樣是一個非常重要的技術指標；同時，借助現代數字化功能實現傳統已有大功率整流技術及裝備的升級換代對于提高系統可控性、可靠性、安全性等性能具有十分重要的意義。
國內外整流技術現狀
整流系統主要是由整流變壓器、濾波器、整流柜等裝置組成的,其中整流變壓器的損耗在整流系統部件中占有很大的部分,整流柜中的電力電子器件是整個整流系統的核心部件。目前,國內外大功率整流系統大多采用二極管、晶閘管作為整流元件,半導體二極管的出現開辟了能量變換的新方式,由它構成的整流系統具有諧波小的優點,但是二極管的開通與斷開不能控制。隨著晶閘管的出現,以晶閘管為代表的整流技術,具有調壓范圍廣精度高、可靠、高效率以及控制靈活、操作簡單的優點,并且在相關領域得到了廣泛應用和發展。近階段,GTR、GTO、MOSFET、IGBT等這些大功率可關斷器件,在整流系統中得到了應用,具有控制靈活、諧波減小等優點。但是,目前可關斷器件的價格、電路復雜、產生高次諧波、耐壓等級、容量等因素限制了晶閘管在實際工程中的廣泛應用。目前晶閘管整流在我國電解領域占有主導地位。
現階段,大功率整流系統在電解化工行業大多應用多重化技術,基于新型整流變壓器的整理系統不僅可以減少整流系統對整個電力系統的諧波污染,而且還可以減小輸出的電壓和電流畸變率。但是傳統的整流系統采用的整流變壓器接線方式對于材料的利用率很低。?在大電流工業應用中，晶閘管相控整流器是最常用的技術。晶閘管整流器效率較高，大約97%。晶閘管整流器的一個重要特點是輸入電流有諧波。這是由于觸發角變化產生無功，因此需要進行諧波及無功補償。晶閘管整流器的主要優勢是：高效率、高可靠性、負載電流控制得好、成本低和技術成熟。缺點是：產生無功、產生電流諧波、需要使用濾波器。
未來發展趨勢
晶閘管整流器以其在性能、效率、可靠性與成本上的優勢成為一項最實用的技術。斬波整流器在效率、性能方面優于晶閘管整流器，但能否戰勝晶閘管整流器還要依賴于實際經驗的積累，只有這樣，才能使之趨于成熟。
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