等效48脈波電解電源分析

張 俊

(大冶有色金屬有限責(zé)任公司冶煉廠，湖北 黃石 435005；有色金屬冶金與循環(huán)利用湖北省重點實驗室， 湖北 黃石 435005)

設(shè)備及自動化

等效48脈波電解電源分析

張 俊

(大冶有色金屬有限責(zé)任公司冶煉廠，湖北 黃石 435005；有色金屬冶金與循環(huán)利用湖北省重點實驗室， 湖北 黃石 435005)

大冶有色金屬有限責(zé)任公司30萬t銅加工清潔生產(chǎn)示范項目中，采用了等效48脈波電解電源。本文介紹了該電解電源的工作原理，以及在整流變壓器與整流柜連接方式，直流穩(wěn)流和諧波抑制等方面采取的技術(shù)措施。實踐證明，該電源具有良好的諧波抑制和穩(wěn)定的直流輸出等特點。

電解電源； 等效48脈波； 諧波抑制； 直流穩(wěn)流

0 引言

在銅電解精煉中，電解電源是為電解銅生產(chǎn)提供直流電能的電氣裝置，它將交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔埽瑸殡娊饩珶捝a(chǎn)供電。在銅電解車間，為提高電源效率，采用多個電解槽串聯(lián)供電的方法，即將若干個電解槽串聯(lián)成為一個系統(tǒng)，由一個電解電源向該串聯(lián)電解槽系列供電。電解電源的特點是大容量、大電流和中低電壓。目前常用的電解電源按電路結(jié)構(gòu)分，主要有二極管整流器和晶閘管整流器兩種[1]。由于晶閘管電解電源具有高效率、高可靠性、負(fù)載電流穩(wěn)定和利于工藝控制等優(yōu)點，其得到了廣泛應(yīng)用。

1 電解電源組成及技術(shù)參數(shù)

在銅電解電源中，小容量電源采用6脈波雙反星形帶平衡電抗器式整流器或三相橋式整流器。大容量電解電源大多采用多重并聯(lián)式12脈波、24脈波或更高脈波整流電路，以提高電源電流容量，減少電流諧波[1]。

大冶有色金屬有限責(zé)任公司30萬t銅加工清潔生產(chǎn)示范項目(以下簡稱大冶冶煉廠30萬t銅項目)中，銅電解電源由4套整流機(jī)組組成，分列于引自110 kV總降壓站的兩段10 kV母線上。每套機(jī)組經(jīng)整流變壓器移相后形成等效12脈波整流電路，同段母線上2套機(jī)組構(gòu)成等效24脈波整流電路，而整個電解電源構(gòu)成等效48脈波整流電路。該等效48脈波電解電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電解電源主要由整流變壓器、整流裝置、控制柜、冷卻器和監(jiān)控系統(tǒng)等組成。大冶冶煉廠30萬t銅項目中使用的整流變壓器主要技術(shù)參數(shù)如下：

(1)網(wǎng)側(cè)額定容量：7 865 kVA

(2)閥側(cè)額定容量：11 143 kVA

(3)網(wǎng)側(cè)額定電壓：10 kV

(4)網(wǎng)側(cè)額定電流：454.1 A

(5)閥側(cè)額定相電壓：238 V

(6)網(wǎng)側(cè)額定相電流：4×3 902 A

(7)調(diào)變輸出電流：279.2 A

(8)額定直流電壓：248 V

(9)額定直流電流：2×13 500 A

(10)整流方式：雙反星形帶平衡電抗器

(11)冷卻方式：OFAF

(12)移相電角：-26.25°，+3.75°；-11.25°，+18.75°；-3.75°，+26.25°；-18.75°，+11.25°

圖1 等效48脈波電解電源

整流器主要技術(shù)參數(shù)如下：

(1)額定直流電壓：248 V

(2)額定直流電流：2×13 500 A

(3)接線方式：雙反星形晶閘管整流

(4)調(diào)壓方式：整流變壓器有載分接開關(guān)粗調(diào)，晶閘管相控細(xì)調(diào)

(5)效率：大于99%

(6)穩(wěn)流偏差：小于±0.5%

(7)冷卻方式：強(qiáng)迫水循環(huán)水冷

1.1 整流變壓器

大冶冶煉廠30萬t銅項目中，組成電解電源的各套整流機(jī)組所采用的整流變壓器是調(diào)壓變壓器與整流變壓器組合而成的單器身有載調(diào)壓整流變壓器，其接線原理如圖2所示。

圖2 調(diào)壓整流變壓器接線

調(diào)壓整流變壓器油箱結(jié)構(gòu)為桶式油箱，其高壓套管在箱蓋上引出，而閥側(cè)套管在箱壁側(cè)面上安裝，采用非同相逆并聯(lián)方式布置。調(diào)壓整流變壓器本體包括3組獨(dú)立鐵心，分別為1組有載調(diào)壓變壓器鐵心和2組整流變壓器鐵心；本體內(nèi)部裝配1組自耦有載調(diào)壓變壓器及有載分接開關(guān)和2組整流變壓器。調(diào)壓變壓器接線方式為升壓自耦接線方式，而調(diào)壓方式則采用正反調(diào)壓方式。整流變壓器一次繞組接線方式為延邊三角形移相接線方式，而二次繞組接線方式為雙反星形帶平衡電抗器接線方式。

1.2 整流裝置

大冶冶煉廠30萬t銅項目中，組成電解電源的各套整流機(jī)組所采用的整流裝置主電路連接形式為兩組雙反星形晶閘管整流電路并聯(lián)。每套機(jī)組的整流裝置形成等效12脈波整流電路，四套機(jī)組的整流裝置組成等效48脈波整流電路。

單臺整流裝置交流進(jìn)線為柜側(cè)面分上中下進(jìn)線，與整流變壓器閥側(cè)出線高度相對應(yīng)，連接母線實現(xiàn)最短距離直排連接，整流出線為柜頂兩組引出。

1.3 控制系統(tǒng)

大冶冶煉廠30萬t銅項目中，控制柜主要由PLC、直流控制裝置和觸摸屏等組成。PLC主要對整流裝置和冷卻器等設(shè)備的模擬信號和數(shù)字信號進(jìn)行處理，實現(xiàn)整流裝置和冷卻器等設(shè)備連鎖控制及保護(hù)并輸出報警或跳閘信號。直流控制裝置是整流裝置的核心控制器，每套機(jī)組整流裝置配置4臺直流控制裝置，2臺作為主控制器，2臺作為從控制器，其中的1臺主控制器和1臺從控制器互為備用。直流控制裝置實現(xiàn)直流穩(wěn)流控制、熱備用通道控制和觸發(fā)脈沖形成等功能。觸摸屏實現(xiàn)整流裝置和冷卻器等設(shè)備的直流電壓、直流電流和觸發(fā)角等各種參數(shù)的顯示及歷史記錄，是整流裝置和冷卻器等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及故障報警信息的顯示平臺。

2 主要技術(shù)特點分析

2.1 非同相逆并聯(lián)

在大功率整流設(shè)備中，整流變壓器與整流柜的連接方式主要有同相逆并聯(lián)和非同相逆并聯(lián)等兩種。所謂同相逆并聯(lián)是將同一相的整流元件分成兩個電流相反的并聯(lián)支路，這兩個支路的引線相鄰布置。采用同相逆并聯(lián)接線將電流往復(fù)的導(dǎo)體接近配置，使之產(chǎn)生的磁場相互抵消，從而解決局部過熱等問題。但它所帶來的問題也很明顯，如整流柜體和整流變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜等。大冶冶煉廠30萬t銅項目中，整流變壓器與整流柜的連接則采用了非同相逆并聯(lián)接線，如圖3所示。

圖3 非同相逆并聯(lián)接線

非同相逆并聯(lián)有別于同相逆并聯(lián)的雙橋接線結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的單橋接線結(jié)構(gòu)。非同相逆并聯(lián)接線方式使得整流變壓器閥側(cè)出線軸對稱布置，整流裝置的交流進(jìn)線合理布置，有效地改善了沿長度方向的磁場分布，提高了支路元件之間的電流均衡度，降低了引線電抗和磁場損耗。同時，采用非同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)，也使得整流變壓器和整流柜的局部結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單。調(diào)壓整流變壓器閥側(cè)套管在箱壁側(cè)面上引出，整流柜側(cè)面進(jìn)線，分上下排列。整流裝置直接安裝在整流變壓器的側(cè)面。結(jié)構(gòu)上的特殊設(shè)計，使得整流變壓器至整流柜的交流連接銅排大大縮短，既節(jié)省了一次投資費(fèi)用，又降低了整流設(shè)備的損耗，提高了整流效率。

2.2 直流穩(wěn)流

整流機(jī)組輸出直流穩(wěn)流是通過調(diào)節(jié)其輸出直流電壓來實現(xiàn)的。大冶冶煉廠30萬t銅項目中，每套整流機(jī)組利用有載調(diào)壓變壓器和晶閘管聯(lián)合自動調(diào)壓，這種調(diào)壓方式運(yùn)用調(diào)壓整流變壓器有載分接開關(guān)有載有級調(diào)壓粗調(diào)和晶閘管相控調(diào)壓細(xì)調(diào)相結(jié)合。

大冶冶煉廠30萬t銅項目中，每套整流機(jī)組控制柜均設(shè)有電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采用電流負(fù)反饋單閉環(huán)控制方式，通過對晶閘管觸發(fā)角的控制，實現(xiàn)輸出直流電壓的快速變化，從而實現(xiàn)該機(jī)組輸出直流電流的快速穩(wěn)定和精確控制。電網(wǎng)電壓或負(fù)載等的擾動所引起的系列電流變化，均可通過迅速調(diào)節(jié)輸出電壓而保持系列電流的穩(wěn)定。調(diào)節(jié)電路為電流閉環(huán)PI調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)直流輸出電流的連續(xù)、平滑和精確調(diào)節(jié)控制。該調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)誤差為零，動態(tài)超調(diào)小于0.2%。

系統(tǒng)工作時，直流控制裝置比較電流給定信號UA和由電流傳感器檢測到的輸出直流電流反饋信號UB，將其偏差進(jìn)行PI調(diào)節(jié)運(yùn)算。當(dāng)系統(tǒng)擾動如電網(wǎng)電壓或負(fù)載大小發(fā)生變化時，輸出電流Id隨之波動，電流反饋信號UB隨著變化，經(jīng)PI調(diào)節(jié)運(yùn)算，使直流控制裝置輸出脈沖的相位(即觸發(fā)角α)相應(yīng)地改變，輸出直流電壓也相應(yīng)變化，從而達(dá)到調(diào)整直流輸出電流、實現(xiàn)閉環(huán)自動穩(wěn)流的目的。圖4為整流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖4 整流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

當(dāng)觸發(fā)角α超出設(shè)定范圍時，自動運(yùn)行狀態(tài)下，調(diào)壓整流變壓器可自動升(或降)有載分接開關(guān)檔位調(diào)節(jié)輸出交流電壓，以使系統(tǒng)運(yùn)行于最佳工作狀態(tài)；而手動運(yùn)行狀態(tài)下，觸發(fā)角α以設(shè)定的上限或下限值，通過PLC發(fā)出整流變壓器升(或降)檔提示信號。

2.3 諧波分析

大冶冶煉廠30萬t銅項目中，等效48脈波電解電源分別向2個電解槽系列供電。因而對于每個電解系列而言，其電解電源為等效24脈波電解電源?，F(xiàn)對同段母線上2套整流機(jī)組整流裝置構(gòu)成的等效24脈波整流裝置輸出直流電壓進(jìn)行諧波分析。

當(dāng)整流裝置輸入相電壓有效值為U2L時，m脈波整流裝置輸出直流電壓的傅立葉級數(shù)分解式為

k=1,2,3,…

(1)

根據(jù)式(1)可以得出，大冶冶煉廠30萬t銅項目中，同段母線上2套整流機(jī)組整流裝置構(gòu)成的等效24脈波整流裝置輸出直流電壓表達(dá)式如下式所示，此時取m=24：

(2)

由式(2)可以得出24脈波整流裝置輸出直流電壓的紋波系數(shù)為0.002 6。等效24脈波整流裝置輸出直流電壓比較平直，其諧波成分可以忽略。

3 結(jié)語

大冶冶煉廠30萬t銅項目中的等效48脈波電解電源2012年投入運(yùn)行至今，運(yùn)行狀況良好。電解電源作為銅電解關(guān)鍵設(shè)備，安全連續(xù)運(yùn)行至關(guān)重要。采用等效48脈波電解電源，提高了電解電源的可靠性，電流諧波含量降低，減少了對電網(wǎng)的污染。

[1] 《電氣工程師手冊》編輯委員會.電氣工程師手冊[M].北京：中國電力出版社，2008．

Equivalent48-pulseelectrolyticpoweranalysis

ZHANG Jun

The copper electrolysis of the 300,000 t copper processing and clean production demonstration project of Daye Nonferrous Metal Co., Ltd. adopts the equivalent 48-pulse electrolytic power source. This paper introduces the working principle of the electrolytic power supply, the technical measures taken in the connection between the rectifier transformer and rectifier cabinet, DC steady current and harmonic suppression. Practice has proved that the power supply has good harmonic suppression and stable DC output characteristics.

electrolytic power; equivalent 48 pulse; harmonic suppression; DC steady current

TF811

B

1672-6103(2017)06-0033-04

張 俊(1982— )， 男， 湖北武漢人， 碩士， 高級工程師， 從事有色金屬冶煉設(shè)備電氣技術(shù)和管理工作。

2017-02-20