電解整流裝置分析及改進(jìn)

謝 濤

（攀鋼集團(tuán)研究院有限公司，四川攀枝花 617000）

0 引言

在鍍鋅機(jī)組中，原料帶鋼表面有一層油污，這會(huì)造成鍍鋅板嚴(yán)重質(zhì)量問題，如脫鋅、鼓包、花紋和分層等。為了提高涂鍍效果，必須對(duì)帶鋼進(jìn)行清洗?？梢酝ㄟ^熱堿和刷輥的方式對(duì)帶鋼表面清洗進(jìn)行機(jī)械清洗，其缺點(diǎn)是只能對(duì)帶鋼表面大部分污漬進(jìn)行清洗，不容易清洗掉那些在帶鋼表面凹凸處和粘附較為牢固的點(diǎn)。為此在清洗系統(tǒng)中引入電解清洗技術(shù)。電解清洗就是堿液在電流的作用下，發(fā)生水點(diǎn)電解過程產(chǎn)生H2和O2，電解產(chǎn)生的氣體聚集在帶鋼表面，大量的氣體析出對(duì)油膜產(chǎn)生強(qiáng)大的乳化作用。電解清洗過程實(shí)際上是電極極化和氣體對(duì)油膜的機(jī)械撕裂作用的綜合，因此能在帶鋼表面和凹點(diǎn)深處產(chǎn)生氣泡把油污帶走，再通過刷輥的刷洗，很快使帶鋼的表面變得清潔。

在帶鋼油污相同的情況下，電流密度越大、清洗速度越快，為電解清洗提供穩(wěn)定電源是才是重中之重。針對(duì)攀鋼冷軋廠2#鍍鋅機(jī)組中，電解清洗存在的問題進(jìn)行分析和解決，從而提高2#鍍鋅的清洗質(zhì)量。

1 電解清洗系統(tǒng)

電解清洗系統(tǒng)由電解槽、循環(huán)系統(tǒng)、變壓裝置、控制裝置、整流裝置、整流冷卻裝置和上位機(jī)系統(tǒng)等組成。其中，整流變壓器和整流柜在該系統(tǒng)中是主要設(shè)備，起到將高壓交流電源變?yōu)榈蛪旱闹绷麟娫?；控制柜和上位監(jiān)控系統(tǒng)共同完成整套整流裝置的控制、調(diào)節(jié)、監(jiān)視、報(bào)警及通信功能，保障安全穩(wěn)定的運(yùn)行；電解槽內(nèi)裝有兩組極板，裝滿清洗帶鋼的堿液，為電解系統(tǒng)提供清洗場(chǎng)所；循環(huán)系統(tǒng)為電解清洗系統(tǒng)提供所需的清洗液；整流冷卻裝置是為了保證整流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)各極板和晶閘管進(jìn)行冷卻。不難看出，整個(gè)系統(tǒng)中的核心部分是變壓裝置、控制裝置和整流裝置。

1.1 變壓裝置

在電解清洗系統(tǒng)中，經(jīng)常采用低電壓大電流的可調(diào)直流電源，電流可達(dá)幾千安到上萬安。為了使系統(tǒng)電流達(dá)到所需的數(shù)值，常采用三相半波整流技術(shù)進(jìn)行整流。為保證電源的穩(wěn)定性，2#鍍鋅整流裝置采用12 脈波整流方式，在系統(tǒng)中為保證電源的穩(wěn)定性，采用雙反星型變壓器，兩臺(tái)變壓器采用同一變壓器供電，在整流器變壓器中由于一次側(cè)分別采用星形、三角形接法，兩組變壓器二次側(cè)之間自然相差為30°。這樣就可以得到12 相差30°的電源。

1.2 整流裝置

在整流柜中共由24 個(gè)晶閘管、熔斷器和冷卻回路組成，整流元件分布在水冷母排上。在整流過程中由于在每一導(dǎo)通區(qū)域只有一只可控硅導(dǎo)通，并不能使設(shè)備在相間很平衡的工作，為使兩組并聯(lián)整流器能更有效地工作，將電抗器L1、L2 接于兩組星形的中點(diǎn)O1 和O2 之間，這地方的電抗器為均衡電抗器，其作用是：設(shè)備工作時(shí)兩組整流橋輸出的瞬時(shí)電壓差加在電抗器L 的兩端，電抗器可以補(bǔ)償兩組整流橋相應(yīng)兩相線電壓的差值。

由于采用雙繞組進(jìn)行降壓變壓器，這樣在二次輸出的電流是單相整流技術(shù)的兩倍，這是因?yàn)槊恳粋€(gè)變壓器上都有兩組三相半波整流電路并聯(lián)，這樣輸出的電流就可以增加兩倍。在電解整流系統(tǒng)中，電解槽中的堿液可以理解為一個(gè)電解水的過程，所以也可以理解為一個(gè)可變電阻。

2 電流的控制

電解清洗技術(shù)中常采用電流密度為100～210 A/dm2的高電流密度進(jìn)行清洗，但隨著堿液的消耗，電解槽中的電阻變大，當(dāng)不調(diào)整控制器的導(dǎo)通角度時(shí)，電解槽中的電流會(huì)發(fā)生波動(dòng)，以達(dá)到系統(tǒng)的電流的穩(wěn)定，來保證系統(tǒng)的清洗質(zhì)量。根據(jù)自動(dòng)控制原理，要維持電解電流恒定，就要將直流電流引入到控制的輸入端，形成電流閉環(huán)負(fù)反饋，即電流閉環(huán)控制。

2.1 電流閉環(huán)的組成

2#鍍鋅機(jī)組電解整流裝置控制柜中，電流閉環(huán)是由ABB 公司的DCS500 控制器、觸發(fā)器和直流電流檢測(cè)元件直流互感器組成（圖1）：上位機(jī)的給定通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到DCS500 控制器中，由控制器識(shí)別并處理進(jìn)行對(duì)比，輸出給整流裝置實(shí)時(shí)出發(fā)角度。

圖1 電流閉環(huán)原理

2.2 電流閉環(huán)系統(tǒng)分析

在生產(chǎn)過程中，由于堿液的消耗造成電解清洗槽中堿液濃度降低，這樣就造成電解槽中導(dǎo)電能力降低。根據(jù)公式I=U/R。其中，I 為電解整流槽中通過的電流，U 為加載在兩極板之間的電壓，R 為電解液的電阻。

當(dāng)系統(tǒng)導(dǎo)電能力下降、R 增加時(shí)，因?yàn)樵O(shè)定I 為一個(gè)恒定值，加載在兩極板之間的電壓必然升高，這樣才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，由于系統(tǒng)的過壓保護(hù)，造成系統(tǒng)故障，整流裝置停止運(yùn)行。

3 系統(tǒng)存在的問題分析

3.1 機(jī)組電流的設(shè)定

在電解清洗的控制系統(tǒng)中，電解整流系統(tǒng)的電流可以手動(dòng)設(shè)定和自動(dòng)設(shè)定。手動(dòng)和自動(dòng)的切換時(shí)通過在機(jī)組的HMI 畫面可以直接切換，手動(dòng)時(shí)直接在HMI 上直接給定。在上位機(jī)中，自動(dòng)控制系統(tǒng)電流I=（s×0.412+17.64）×100。其中，s 為機(jī)組速度，I為自控控制的時(shí)候機(jī)組上位機(jī)對(duì)電解清洗系統(tǒng)電流給定值。需要注意的是，在機(jī)組速度低于30 m/min 時(shí)，整流器將不在工作，這是為了防止過電流將帶鋼擊穿造成斷帶。

從上面的分析可以看出，整個(gè)電解清洗系統(tǒng)電流的大小與機(jī)組速度成正比，而上位機(jī)系統(tǒng)并不直接參與電流控制，只是將機(jī)組速度和電流的關(guān)系直接反應(yīng)出值的結(jié)果輸出給DCS500 控制器，因此可以理解為，上位機(jī)和整個(gè)電解清洗系統(tǒng)是一個(gè)開環(huán)控制，并不直接參加系統(tǒng)的控制。

在正常生產(chǎn)過程中，機(jī)組速度是固定的，因而電解電流也是一個(gè)固定值。隨著生產(chǎn)的進(jìn)行和堿液的消耗，電解槽中的電阻逐漸變大，當(dāng)電壓值過高時(shí)電解整流系統(tǒng)會(huì)跳閘保護(hù)設(shè)備。為了解決這個(gè)問題，可以改變控制方式，引入電解清洗系統(tǒng)的電導(dǎo)率進(jìn)行堿液濃度檢測(cè)，電壓環(huán)進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，這樣可以很好地解決系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.2 電壓環(huán)引入控制

在系統(tǒng)中有電壓檢測(cè)，但是電壓只作為保護(hù)回來，并沒有參與系統(tǒng)的控制，為此可以將電壓信號(hào)加載在上位機(jī)的控制系統(tǒng)：當(dāng)電壓到達(dá)一定數(shù)值時(shí)，可以將加堿液的閥門打開；當(dāng)電壓降低到一定婁值時(shí)，可以將堿液的閥門關(guān)閉。這樣可以很好地控制堿液濃度，解決電解槽中堿液波動(dòng)造成清洗質(zhì)量的波動(dòng)，同時(shí)還可以節(jié)約電能損耗和堿液的消耗。

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在堿液濃度一定的情況下，電解清洗系統(tǒng)的電壓與機(jī)組速度成正比，而卻整個(gè)系統(tǒng)的電壓在機(jī)組速度最高時(shí)不超過32 V，為此可以得到U=0.14s±2。其中，U 表示的加載在電解清洗槽的電壓，s 表示的機(jī)組速度。需要注意的是，當(dāng)機(jī)組速度不大于30 m/min 時(shí)，整流器自動(dòng)停止工作。將此公式引入自動(dòng)控制系統(tǒng)，以計(jì)算的值上、下偏差設(shè)定為5 V，這樣可以在程序中設(shè)定打開關(guān)閉加堿液的閥門，有利于降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

4 總結(jié)

引入電壓環(huán)控制后，可以很好地解決生產(chǎn)過程中電解清洗的質(zhì)量波動(dòng)問題，也解決了由于電壓保護(hù)造成設(shè)備頻繁造成設(shè)備損壞，這樣可以較好地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。