摘要：簡要敘述整流裝置穩(wěn)流的重要性及自動(dòng)穩(wěn)流裝置在整流系統(tǒng)中的應(yīng)用。介紹了自動(dòng)穩(wěn)流裝置的結(jié)構(gòu)、性能、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：整流；自動(dòng)穩(wěn)流；整流變壓器；晶閘管整流柜；數(shù)字觸發(fā)調(diào)節(jié)負(fù)反饋
1 自動(dòng)穩(wěn)流系統(tǒng)簡介
自20世紀(jì)9O年代以來．隨著大功率晶閘管整流裝置的推廣應(yīng)用和引進(jìn)離子膜電解裝置的相繼投產(chǎn)，為直流輸出電流作自動(dòng)調(diào)節(jié)的自動(dòng)穩(wěn)流裝置也逐漸成熟。在氯堿生產(chǎn)中，由于直流電流、高壓電網(wǎng)的波動(dòng)、電解槽數(shù)目的增減等都直接影響電解槽的穩(wěn)定運(yùn)行。直流電流的不穩(wěn)定輸出也影響到電流效率的變化．造成電解產(chǎn)品的單耗加大。而晶閘管自動(dòng)穩(wěn)流裝置將很好地解決這一問題，它能穩(wěn)流輸出直流電流并且同計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)一起達(dá)到精確的穩(wěn)流效果。
目前，以大功率整流設(shè)備輸出電流作為調(diào)節(jié)對(duì)象的自動(dòng)穩(wěn)流系統(tǒng)有3種方式，一種為安培．時(shí)式自動(dòng)穩(wěn)流系統(tǒng)，另一種為比例式自動(dòng)穩(wěn)流系統(tǒng)，還有一種是計(jì)算機(jī)自動(dòng)穩(wěn)流系統(tǒng)。安培．時(shí)式自動(dòng)穩(wěn)流系統(tǒng)是可獲得較高精度的長時(shí)間內(nèi)平均電流值的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)速度慢、慣性大，不適宜在電化學(xué)工業(yè)整流所內(nèi)應(yīng)用。比例式自動(dòng)穩(wěn)流系統(tǒng)是反應(yīng)瞬時(shí)電流值變化的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，慣性小、響應(yīng)速度快．這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能比較適合電化學(xué)過程。另外．新型的計(jì)算機(jī)自動(dòng)穩(wěn)流系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制原理來穩(wěn)流的。閉環(huán)負(fù)反饋通過CPU內(nèi)部邏輯運(yùn)算來達(dá)到精確控制輸出電流。
2 可控硅穩(wěn)流裝置的結(jié)構(gòu)
2．1可控硅穩(wěn)流裝置的組成
可控硅穩(wěn)流系統(tǒng)由整流變壓器、可控硅整流裝置、極化電源、計(jì)算機(jī)雙通道控制柜等組成。在吳華宇航化工有限公司工程建設(shè)過程中．電解槽要求分期、分批投入運(yùn)行，投入生產(chǎn)的電解槽數(shù)量不同，就要求整流機(jī)組輸出的電流、電壓也不同。使用可控硅直降式整流機(jī)組時(shí)，由于一開始運(yùn)行的電解槽數(shù)量要求的直流電壓低，可控硅整流機(jī)組處于深控狀態(tài)。這時(shí)，可控硅的控制角盯很大，整流機(jī)組產(chǎn)生的諧波電流大，電網(wǎng)電壓波形嚴(yán)重畸變，功率因數(shù)很低，可控硅整流機(jī)組震動(dòng)嚴(yán)重，這是可控硅整流裝置使用的主要風(fēng)險(xiǎn)。而采用有載調(diào)壓整流變壓器和可控硅整流裝置結(jié)合的整流機(jī)組，可控硅整流裝置實(shí)現(xiàn)了單機(jī)組的直流電流控制，使電流調(diào)節(jié)為連續(xù)無級(jí)調(diào)節(jié)。只要將整流變壓器的調(diào)壓開關(guān)調(diào)到合適的檔位，使整流機(jī)組的交流電壓降低，可控硅整流機(jī)組工作在控制角盯接近零的狀態(tài)。這時(shí)整流機(jī)組的工作情況與二極管整流機(jī)組的工作情況基本相同，這樣就可以避免使用可控硅帶來的風(fēng)險(xiǎn)。
2.2整流變壓器
整流變壓器采用ZHSFPZ一13600／35型27級(jí)有載調(diào)壓變壓器，結(jié)構(gòu)為1臺(tái)變壓器帶2臺(tái)整流柜，整流變壓器均采用自耦中性點(diǎn)調(diào)壓接線方式。閥側(cè)（二次）繞組為兩組正反角接的方式。網(wǎng)側(cè)額定電壓為35kV，閥側(cè)直流電壓為430V，阻抗電壓=8％，等效脈波p=6，2臺(tái)整流變壓器網(wǎng)側(cè)為 7．5°、22．5°互差15°的電角度，組成單機(jī)組12脈波，2套機(jī)組構(gòu)成等效24相整流，從而有效地抑制了23次以下的諧波，改變了系統(tǒng)電源質(zhì)量。
整流所現(xiàn)安裝4臺(tái)整流變壓器帶8臺(tái)整流機(jī)組。為了避免晶閘管整流使功率因數(shù)降低，采用有載調(diào)壓粗調(diào)，控制觸發(fā)角作為細(xì)調(diào)相結(jié)合的調(diào)壓方式，當(dāng)導(dǎo)通角小于升檔設(shè)定值時(shí)上位機(jī)提示進(jìn)行升檔，避免因?qū)ń亲詣?dòng)聯(lián)動(dòng)，有載調(diào)壓開關(guān)頻繁換檔而降低開關(guān)的壽命。
2．3整流柜
整流柜采用KHS一13500A／430V型，二期采用KHs_18000A／430V型，直流額定電流分別為13．5kA和18kA。為三相橋式同相逆并聯(lián)接線方式，柜內(nèi)匯流整流電路的整流器件和保護(hù)元件分別采用KP3000A／1600V型晶閘管和RSG_6D-500V／3600A型快熔，每橋臂采用3只晶閘管并聯(lián)，整流柜電流與電壓裕度均大于3，同臂均流系數(shù)>10．9，工業(yè)水強(qiáng)迫循環(huán)冷卻。晶閘管整流裝置的效率較高，約為97％，晶閘管一個(gè)重要的特點(diǎn)是輸入電流有諧波，這是由于觸發(fā)角產(chǎn)生無功，因此需要進(jìn)行諧波及無功補(bǔ)償。該整流框優(yōu)點(diǎn)為高效率、高可靠性、負(fù)載電流控制好，成本低，技術(shù)成熟。缺點(diǎn)為產(chǎn)生無功、產(chǎn)生電流諧波、需要使用濾波器電流有紋波。
2．4雙通道計(jì)算機(jī)控制柜
采用RICS一5D型號(hào)雙通道計(jì)算機(jī)控制柜，控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制，主要由雙通道計(jì)算機(jī)觸發(fā)及穩(wěn)流系統(tǒng)、PLC監(jiān)控與綜合保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成。通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)上操作和監(jiān)控，與DCS系統(tǒng)互聯(lián)。自動(dòng)穩(wěn)流精度優(yōu)于±0．5％。移相范圍0～150。，采用沉冗技術(shù)，當(dāng)運(yùn)行通道發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)切換到熱備用通道，切換過程無電流擾動(dòng)，可以不停電更換故障通道，更換過程無電流擾動(dòng)，數(shù)控操作器和數(shù)字調(diào)節(jié)觸發(fā)器及雙通道熱備用控制器用簡潔可靠的微型網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，自動(dòng)檢測數(shù)控操作器的加入、退出、故障。
整流柜的穩(wěn)流調(diào)節(jié)控制器觸發(fā)采用單片機(jī)數(shù)字雙通道系統(tǒng)，其中的數(shù)字控制和數(shù)字觸發(fā)2個(gè)通道互為熱備用。2個(gè)通道都能夠獨(dú)立運(yùn)行并具備自動(dòng)診斷功能，可根據(jù)運(yùn)行情況方便地進(jìn)行無擾動(dòng)切換。繼電保護(hù)控制核心采用S7—200型PLC可編程控制器。CPU功能強(qiáng)大、節(jié)點(diǎn)容量大、擴(kuò)展數(shù)量多、單柜機(jī)組PLC就地安裝控制，就地實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)控制和保護(hù)，使保護(hù)有效可靠，在傳送給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)就地／遠(yuǎn)方控制。
2．5極化電源
在整流柜主電路掉電或電解槽停車檢修期間，及時(shí)投入極化電源可以有效地保護(hù)電解槽采用可控硅脈沖封鎖控制，響應(yīng)速度快，同時(shí)可以在電解槽增減單元變化后調(diào)節(jié)分接裝置減少極化系統(tǒng)裝置的諧波危害。形成對(duì)離子膜電解槽的正、負(fù)2個(gè)電極及離子膜進(jìn)行保護(hù)，防止離子膜電解槽正、負(fù)2個(gè)電極被腐蝕。
3 穩(wěn)流工作原理及應(yīng)用
3．1穩(wěn)流電流的給定
（1）就地給定。在整流控制柜上手動(dòng)設(shè)定所需的運(yùn)行電流，一般用于調(diào)試階段。
（2）OP一05操作器給定。點(diǎn)動(dòng)、連續(xù)升／降、快速升／降。
?。?）上位機(jī)／DCS操作給定在主控室上位機(jī)上點(diǎn)動(dòng)、連續(xù)升／降、直接輸人數(shù)值。在正常運(yùn)行時(shí)，操作人員可在主控室靈活控制各整流器的運(yùn)行電流。彼此不受約束。
實(shí)踐證明，設(shè)置上述3種給定，操作靈活、快速，在需要切換某臺(tái)機(jī)組時(shí)系列電流無明顯波動(dòng)，在計(jì)算機(jī)控制機(jī)組投入切換的過程中，各機(jī)組的輸出電流值自動(dòng)平均分配。可靠地保護(hù)了電解生產(chǎn)的需要。
3．2計(jì)算機(jī)閉環(huán)反饋系統(tǒng)
為了使自動(dòng)穩(wěn)流系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，運(yùn)行信號(hào)的采集采用雙回路形式，既有直流反饋，又有交流反饋，同時(shí)使用帶有屏蔽功能的雙絞線來傳輸信號(hào)，形成1個(gè)可靠的閉環(huán)系統(tǒng)。交流反饋信號(hào)取自整流變壓器的閥側(cè)電流互感器。直流信號(hào)取自直流母排上的直流互感器。直流互感器采用ZY型直流互感器，其應(yīng)用霍爾感應(yīng)原理制成，具有精度高，損耗低，測量準(zhǔn)確的特點(diǎn)。正常情況下取直流信號(hào)為反饋信號(hào)，形成閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)與控制柜的給定信號(hào)通過CPU內(nèi)部比較來調(diào)整直流電流的輸出，從而保證穩(wěn)流系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定。
3．3穩(wěn)流過程
每臺(tái)整流控制柜中的自動(dòng)穩(wěn)流系統(tǒng)采用獨(dú)立的電流小閉環(huán)控制系統(tǒng)。具有優(yōu)越的穩(wěn)流性能。當(dāng)系統(tǒng)工作在自動(dòng)穩(wěn)流方式時(shí)，CPU對(duì)電流給定信號(hào)和反饋信號(hào)相比較，將其偏差作PI調(diào)節(jié)運(yùn)算，當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，輸出電流厶隨之波動(dòng)，電流反饋信號(hào)，f跟著變化，經(jīng)Pi調(diào)節(jié)運(yùn)算輸出1個(gè)相應(yīng)的移相控制量給觸發(fā)器，使觸發(fā)器輸出脈沖的相位（（1r角）相應(yīng)地改變，從而達(dá)到調(diào)整直流輸出電流，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)穩(wěn)流的目的，穩(wěn)流過程可簡述如下：
3．4整流柜的信號(hào)保護(hù)系統(tǒng)
每臺(tái)整流柜均配置1臺(tái)整流控制屏，具有完善的保護(hù)功能。每臺(tái)控制屏內(nèi)配置1個(gè)德國西門子公司的S7—200型PLC可編程控制器，PLC繼電保護(hù)系統(tǒng)具有下述功能：發(fā)生單只快熔熔斷、整流橋臂過熱、冷卻水溫過高等故障時(shí)報(bào)警；發(fā)生電源缺相、過流等故障時(shí)封鎖脈沖使直流電流輸出降到零：發(fā)生操作過電壓故障、多快熔熔斷、緊急停車時(shí)封鎖脈沖及高壓跳閘，使直流電流輸出降到零；冷卻水水壓低于0．1MPa時(shí)先報(bào)警，如果在9s未消除故障。則封鎖脈沖及高壓跳閘，使直流電流輸出降到零。可控硅整流裝置自動(dòng)穩(wěn)流系統(tǒng)框圖見圖1。
從圖1可以看到，數(shù)字調(diào)節(jié)觸發(fā)控制器是穩(wěn)流系統(tǒng)的核心?？删幊炭刂破魇欠€(wěn)流系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)和保障的基礎(chǔ)。
4 結(jié)語
吳華宇航化工有限公司的可控硅穩(wěn)流裝置投運(yùn)以來一直穩(wěn)定運(yùn)行。在2004年10月滿負(fù)荷考核期間。整流電流為9800A。通過自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)及現(xiàn)場實(shí)際檢測。整流電流波動(dòng)范圍在+50A范圍內(nèi)，穩(wěn)流精度≤±0．5％，提供了高穩(wěn)定性的直流電流，確保電解槽的安全生產(chǎn)。
綜上所述．隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、可控硅整流技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，用計(jì)算機(jī)作為整流所數(shù)據(jù)管理和穩(wěn)流控制設(shè)備。可以達(dá)到很好的穩(wěn)流效果，變流效率也有較大提高。該公司所用的可控硅整流設(shè)備運(yùn)行3年來。系統(tǒng)整體性能優(yōu)良，穩(wěn)定精度、均流系數(shù)、諧波管理等技術(shù)指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，有效地保證了整流的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
