高頻開關(guān)電源在離子膜法燒堿中的應(yīng)用探討

董辰生，宋緒凱，羅曉晶，王學(xué)軍*，

（1.山東東岳高分子材料有限公司，淄博256401；2.東岳集團(tuán)有限公司，山東 淄博256401）

當(dāng)前世界氯堿工業(yè)技術(shù)正朝著節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展，低功耗高效率離子膜法燒堿已成為發(fā)展的主流方向。氯堿企業(yè)的核心是電解槽和整流器，整流作為氯堿生產(chǎn)企業(yè)的關(guān)鍵工序和重要組成部分，其穩(wěn)定運(yùn)行直接影響整個生產(chǎn)系統(tǒng)的安全，決定著氯堿生產(chǎn)一系列技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的優(yōu)劣。氯堿企業(yè)整流系統(tǒng)正朝著節(jié)能型、智能化、全數(shù)字控制化、高整流效率、高功率因數(shù)的方向發(fā)展[1]。

目前，氯堿工業(yè)普遍采用的整流器是可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier，SCR），是一種以晶閘管（電力電子功率器件）為基礎(chǔ)，以智能數(shù)字控制電路為核心的電源功率控制電器?？煽毓?，是可控硅整流元件的簡稱，是一種具有3 個PN 結(jié)的4 層結(jié)構(gòu)的大功率半導(dǎo)體器件，亦稱為晶閘管（Thyristor），是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器。由于其能承受的電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的應(yīng)用場合仍然具有重要的地位?？煽毓枵髌髯罨镜挠猛揪褪强煽卣?。相控電源是指采用晶閘管作為整流器件的電源系統(tǒng)，其原理是交流輸入電壓經(jīng)工頻變壓器降壓，然后采用晶閘管進(jìn)行整流，并通過移相控制以保持輸出電壓的穩(wěn)定。

隨著絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的出現(xiàn)及高頻開關(guān)電路技術(shù)的成熟，使IGBT 高頻開關(guān)電源成功問世并大量投入使用，大電流高電壓的IGBT 已模塊化、集成化，其性能更好，整機(jī)的可靠性更高及體積更小。作為電力電子重要大功率主流器件之一，IGBT 非常適合應(yīng)用于直流電壓為600 V 及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、電力工程、可再生能源和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。

1 高頻開關(guān)電源整流原理

隨著科技的進(jìn)步，新的氯堿技術(shù)層出不窮，世界各國都在積極研發(fā)電解節(jié)能新技術(shù)，氯堿工業(yè)電解電源由最初的晶閘管相控整流器整流裝置發(fā)展到高頻開關(guān)電源直流電源系統(tǒng)將是技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。高頻開關(guān)電源整流器的工作原理見圖1。

圖1 高頻開關(guān)電源整流器原理圖

高頻開關(guān)電源先將輸入的工頻交流電經(jīng)整流濾波后得到直流電壓，再通過功率變換器變換成高頻脈沖電壓，經(jīng)高頻變壓器和整流濾波電路最后轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流輸出電壓。 因其采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）電路來控制大功率開關(guān)器件（功率晶體管、MOS 管、IGBT 等）的導(dǎo)通和截止時間，可以得到很高的穩(wěn)壓和穩(wěn)流精度及很短的動態(tài)響應(yīng)時間。高頻開關(guān)電源內(nèi)部還應(yīng)用了軟開關(guān)技術(shù)和無源功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)，功率因數(shù)大幅提高。

2 IGBT 電源的特點與SCR 整流的比較

2.1 重量輕，體積小

采用高頻技術(shù)，去掉了工頻變壓器，與相控整流器相比較，在輸出同等功率的情況下，開關(guān)整流器的體積只有相控整流器的1/10，重量也接近1/10。

2.2 功率因數(shù)高

可控硅整流器的功率因數(shù)cosφ1的開放角有關(guān)，一般情況下，cosφ1為0.70～0.80，而高頻開關(guān)電源的功率因數(shù)cosφ2一般為0.90～0.95。

2.3 可聞噪音低

在相控整流設(shè)備中，工頻變壓器及濾波電感工作時產(chǎn)生的可聞噪聲較大，一般大于60 dB。而開關(guān)電源在無風(fēng)扇的情況下可聞噪聲僅為45 dB 左右。

2.4 效率高

晶閘管相控電源采用硅堆調(diào)壓，響應(yīng)速度慢，反應(yīng)時間為幾十毫秒，輸入電壓突變時在輸出端會產(chǎn)生沖擊，容易燒壞二次設(shè)備。高頻開關(guān)電源直流系統(tǒng)采用無級調(diào)壓方式，響應(yīng)速度快，輸入電壓突變時，模塊在200 μs 內(nèi)調(diào)整完成，過沖小于5%。

2.5 可靠性好

高頻開關(guān)整流器的可靠性好，其平均無故障工作時間一般大于l00 000 h，而相控整流器一般只有8 000 h。高頻開關(guān)電源設(shè)備采用模塊結(jié)構(gòu)，如模塊發(fā)生故障，可迅速更換，方便維護(hù)，有的甚至可以做到在供電系統(tǒng)下更換整流模塊，其平均修復(fù)時間小于5 min。

2.6 損耗低

在整流過程中由交流電轉(zhuǎn)變成直流電有一定的能耗，此能耗與整流方式有關(guān)?？煽毓桦婂冋髌魇且粤嚯p反星形整流為主要手段，而高頻開關(guān)電源是以三相橋式整流為主要手段，轉(zhuǎn)換損耗最小，因此高頻開關(guān)電源從整流形式上就比可控硅整流器節(jié)能?？煽毓枵髌魇且札嫶?、笨重的工頻變壓器為基礎(chǔ)，因此銅損、鐵損都很大，而高頻開關(guān)電源中的高頻變壓器的用銅量只是同規(guī)格可控硅整流變壓器的30%，因此銅損很少，又因高頻變壓器在高達(dá)10～50 kHz 的高頻下工作[2]，因此，不采用矽鋼片而是采用軟鐵體磁芯，在磁芯中幾乎沒有渦流損耗。

2.7 電網(wǎng)污染小

由于高頻開關(guān)電源的工作頻率高達(dá)10～50 kHz，可用輕巧的無源濾波器—LC 濾波器吸收高次諧波，有效防止整流器對電網(wǎng)的污染；而可控硅整流器的工作頻率在50～60 Hz，由此而產(chǎn)生的高次諧波需用笨重的LC 濾波器來吸收，其效果也不盡人意，不符合清潔生產(chǎn)的要求。

3 IGBT 與SCR 技術(shù)性能比較

高頻開關(guān)電源直流系統(tǒng)與晶閘管直流系統(tǒng)的技術(shù)性能對照見表1（同以1 000 A/12 V 為例）。

4 效益比較

若晶閘管相控電源與高頻開關(guān)電源在相同的輸入條件下，兩電源的輸出功率與兩電源的功率因數(shù)與效率有關(guān)。高頻開關(guān)電源的設(shè)備容量和運(yùn)行成本比晶閘管相控電源要低得多。

表1 SCR整流器與IGBT電源性能比較

如果直流電源系統(tǒng)的負(fù)載功率為P，若采用晶閘管相控電源，其功率因數(shù)為0.7，效率為70%，則需輸入功率為：

Pλ1=P0/（0.7×0.7）=2.041 P

若采用高頻開關(guān)電源功率因數(shù)為0.92，效率為94%，則需輸入功率為：

Pλ2=P0/（0.92×0.94）=1.156 P

顯然，采用高頻開關(guān)電源比晶閘管相控電源節(jié)省了電力增容投資。

對于負(fù)載為70 A 的80 V 直流電源系統(tǒng)來說，負(fù)載功率P=80 V×70 A=5.6（kW）。電價按0.8 元/kW·h計算，不考慮無功損耗，則采用高頻開關(guān)電源相對于晶閘管相控電源而言，每年節(jié)省的電費(fèi)為0.8×5.6×365×24（1/0.7-1/0.94）=14 520.58（元）。

另外，智能化的特點也能節(jié)省很多維護(hù)費(fèi)用，所以，高頻開關(guān)電源的經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見的。

4 結(jié)語

隨著氯堿工業(yè)的高速發(fā)展，整流系統(tǒng)規(guī)模越來越大，技術(shù)越來越先進(jìn)[3]，高頻開關(guān)電源直流系統(tǒng)的技術(shù)性能、可靠性、所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益以及系統(tǒng)構(gòu)造都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于晶閘管相控直流系統(tǒng)，必將成為氯堿行業(yè)直流電源的可選換代產(chǎn)品，以適應(yīng)氯堿工業(yè)整流技術(shù)的高速發(fā)展。

［1］劉自珍，錢永純，趙國軍.我國氯堿工業(yè)節(jié)能技術(shù)的進(jìn)展與發(fā)展方向.氯堿工業(yè)，2007，5：1-6.

［2］杜 穎，杜永甫，黨孟軍.高頻開關(guān)電源在電鍍生產(chǎn)線上的應(yīng)用.金屬制品，2010，36（2）：49-50.

［3］邢 軍.氯堿企業(yè)整流技術(shù)管理工作探討.中國氯堿，2012，8：45-46.