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百度文库-上海电解铝用大功率整流器的设计

编辑::ag国际亚游手机版 来源/news93320.html   发布时间:2019-06-26 17:35:00

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电解铝用大功率整流器的设计

    随着电力电子和计算机技术的迅速发展,各种电力电子装置也广泛应用在冶金、化工和高压直流输电等关键技术领域。特别是在冶金方面,我国已经在短短的几十年时间,成为了有色金属工业大国,这些金属大都是用熔盐电解的方法制得的。其中铝、锰、铜等金属的电解已形成大规模的工业生产。例如,我国电解铝和电解铜在?2010?年的产量已经达到?1666?万吨和?480?万吨,嫣然已成为世界电解金属的大国。但是这些行业都是属于高能耗高谐波污染的行业,而且消耗的是二次能源——电力,在产生效益的同时也消耗了巨大的电能和自然资源。我国虽然地大物博,但是我国是能源资源严重短缺的国家,石油、天然气人均剩余可采储量仅仅是世界平均水平的?7.7%和?7.1%,储量比较丰富的煤炭也只有世界平均水平的?58.6%,因此节约能源在可持续发展中占有很重要的部分。“十一五”计划期间,工业的迅速发展对能源的需求急速增加,由?2005?年的?15.96?亿吨增加到了?2010?年的?24亿吨左右标准煤。在《“十二五”节能减排综合性工作方案》中明确指出在节能减排方面,到?2015?年国内所生产的总值能耗比?2010?年下降?16%;全国氮氧化物和氨氮排放总量比?2010?下降?10%。由此可以看出,我国所有的高能耗、高污染的行业必须在未来五年里实现节能的目标,这意味着其生产系统必须进行节能的改造。而整流系统是电解工业的核心装置,其整流效率、供电可靠性直接跟电解生产的过程有密切的联系。所以通过对整流系统部件的优化设计来提高大功率整流系统的节能刻不容缓。大功率整流系统利用电力电子器件将交流电变换为直流电,由于电力电子的非线性及系统的大电全、稳定与控制,而且也增加供电设备的负担,增大了它们的电能消耗,且引起变压器的振动与噪声污染等环境问题。随着全球能源日益紧张与环境污染的加重,大功率整流行业的谐波治理、功率因数提高及系统综合节能降耗是一个亟待解决的问题。

    早期的电解加工直流电源以直流发电机组为主,具有电源噪声大、效率低、稳压精度不高、体积庞大等缺点。随着半导体技术尤其是电力电子技术的发展用大功率硅二极管整流开发出了性能明显好于直流发电机组的大功率直流电源,并逐步取代了直流发电机组直流电源。硅整流直流稳压电源稳定、可靠、效率和功率因数都较高,主要缺点是稳压精度较低,在5%左右,且短路保护时间长,约25ms。另外值得注意的是硅整流电源的铁耗、铜耗较高,导致成本偏高。为了进一步提高电源性能和降低成本,大功率可控硅器件的发展把电源推到了一个新的水平。于是,可控硅调压及稳压的直流电源又逐渐取代了硅整流电源,使得电源的稳压精度提高到了1%,短路保护时间仅为10ms。近年来,随着大容量模块式可控硅、可关断晶闸管(GTO)以及集成触发模块的出现,解决了可控硅直流稳压电源的可控硅器件的触发和均流问题,从而使电源容量增大,运行更加稳定可靠。通过对整流供电系统的改造,可以提高供电系统的可靠性,对降低单吨铝的电耗、减少环境污染,提高企业的生产效率和经济效益以及促进企业的现代化进程,具有重要意义。电解工业中的主要生产设备——电解槽,?需要由直流电源供电,硅整流装置担负着将高压三相交流电源变换为电压较低的直流电源的任务。而作为电解电源使用的大电流硅整流装置从原理上来讲是非常简单的,简单地说就是一个工频整流电路,但由于其工作电流较大,伴随而来的电磁场以及谐波问题己到了不可忽视的地步。另外,大电流硅整流装置的每一个整流臂均由多只硅器件并联而成,这样就存在电流均匀分配的问题,对于每一个整流臂甚至整个硅整流装置来说,均流系数同样是一个非常重要的技术指标;同时,借助现代数字化功能实现传统已有大功率整流技术及装备的升级换代对于提高系统可控性、可靠性、安全性等性能具有十分重要的意义。

国内外整流技术现状

    整流系统主要是由整流变压器、滤波器、整流柜等装置组成的,其中整流变压器的损耗在整流系统部件中占有很大的部分,整流柜中的电力电子器件是整个整流系统的核心部件。目前,国内外大功率整流系统大多采用二极管、晶闸管作为整流元件,半导体二极管的出现开辟了能量变换的新方式,由它构成的整流系统具有谐波小的优点,但是二极管的开通与断开不能控制。随着晶闸管的出现,以晶闸管为代表的整流技术,具有调压范围广精度高、可靠、高效率以及控制灵活、操作简单的优点,并且在相关领域得到了广泛应用和发展。近阶段,GTR、GTO、MOSFET、IGBT等这些大功率可关断器件,在整流系统中得到了应用,具有控制灵活、谐波减小等优点。但是,目前可关断器件的价格、电路复杂、产生高次谐波、耐压等级、容量等因素限制了晶闸管在实际工程中的广泛应用。目前晶闸管整流在我国电解领域占有主导地位。

    现阶段,大功率整流系统在电解化工行业大多应用多重化技术,基于新型整流变压器的整理系统不仅可以减少整流系统对整个电力系统的谐波污染,而且还可以减小输出的电压和电流畸变率。但是传统的整流系统采用的整流变压器接线方式对于材料的利用率很低。?在大电流工业应用中,晶闸管相控整流器是最常用的技术。晶闸管整流器效率较高,大约97%。晶闸管整流器的一个重要特点是输入电流有谐波。这是由于触发角变化产生无功,因此需要进行谐波及无功补偿。晶闸管整流器的主要优势是:高效率、高可靠性、负载电流控制得好、成本低和技术成熟。缺点是:产生无功、产生电流谐波、需要使用滤波器。

未来发展趋势

    晶闸管整流器以其在性能、效率、可靠性与成本上的优势成为一项最实用的技术。斩波整流器在效率、性能方面优于晶闸管整流器,但能否战胜晶闸管整流器还要依赖于实际经验的积累,只有这样,才能使之趋于成熟。

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