一種極化電源裝置的研制

摘要：介紹了一種極化電源裝置，主要應(yīng)用于離子膜、電解槽的陽(yáng)極保護(hù)領(lǐng)域，采用AC-DC-AC-DC的PWM變流方式，包括主電路部分和控制系統(tǒng)部分，其中，主電路采用三相AC380 V輸入，首先通過(guò)三相整流橋模塊輸出直流電，然后經(jīng)直流濾波電容輸出低紋波高質(zhì)量的直流電，再經(jīng)過(guò)單相逆變器逆變成單相交流電，通過(guò)高頻變壓器變壓后輸出交流電，最后經(jīng)過(guò)單相全波整流輸出高頻直流電。相對(duì)于傳統(tǒng)的相控整流方式，該極化電源裝置采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件，具有開(kāi)關(guān)頻率高、損耗小、諧波少、變流效率及功率因數(shù)高等優(yōu)勢(shì)，功率因數(shù)可達(dá)0.97以上。另外，該裝置采用全數(shù)字化設(shè)計(jì)，具有實(shí)時(shí)通信功能，從而提高了裝置的控制精度，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和操作性能，保障了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：極化電源;三相整流橋;直流濾波;全橋逆變;高頻變壓器;二極管

中圖分類號(hào)：TM461? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）03-0025-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.03.007

1? ? 技術(shù)領(lǐng)域

本文介紹了一種極化電源裝置，主要應(yīng)用于離子膜、電解槽的電極保護(hù)，具體是在冶金、化工行業(yè)使用500 A以上整流器的電解槽中用于短期停車保護(hù)。

2? ? 背景技術(shù)

鹽化工行業(yè)電解槽的電極保護(hù)采用極化電源，一般電流從幾十安培到幾百安培不等。當(dāng)大功率主整流系統(tǒng)一次側(cè)停電或突發(fā)故障停運(yùn)時(shí)，極化整流系統(tǒng)需投入運(yùn)行，電解槽檢修或停電時(shí)也會(huì)投入極化整流系統(tǒng)。極化電源的主要作用是向電解槽提供一定的直流電，阻止電極向外放電，保護(hù)電解槽電極鍍層不脫落，提高電解槽電極的電流效率并延長(zhǎng)其使用壽命。

鹽化工行業(yè)對(duì)極化整流系統(tǒng)的質(zhì)量要求較高，需供給電解槽穩(wěn)定的直流電流/電壓，自動(dòng)穩(wěn)流精度±0.5%，一旦投入，電流/電壓要馬上達(dá)到額定值，要求時(shí)間短、過(guò)沖小。同時(shí)還必須減少設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的諧波，提高整流設(shè)備的安全性、可靠性，這就需要一種極化電源的控制裝置，以保證產(chǎn)品質(zhì)量與精度。而目前大部分廠家電解槽的極化電源都在300 A以下，整流電路通過(guò)晶閘管模塊相控整流方式實(shí)現(xiàn)，該方式的無(wú)功損耗和諧波分量很大，功率因數(shù)低，這在晶閘管深控時(shí)尤為明顯。

3? ? 新型極化電源裝置的研制

為了克服上述缺陷，本文提出了一種新型極化電源裝置，以大功率高頻電源作為極化電源，采用AC-DC-

AC-DC變流模式，主電路部分采用二極管全橋整流和IGBT全橋逆變，控制部分采用雙CPU結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、維護(hù)方便。

3.1? ? 主電路

該極化電源裝置主電路如圖1所示，包括三相整流橋電路、直流濾波電路、全橋逆變電路、高頻變壓器和二極管整流電路。

三相整流橋是由圖1中DT1所示的二極管三相整流橋模塊完成的，輸入三相交流380 V經(jīng)過(guò)DT1整流后輸出500 V左右直流。

直流濾波由圖1中C1所示的電容完成，C1并聯(lián)在主回路（即主電路的主要回路）中，經(jīng)DT1整流后的直流電壓含有很多紋波，經(jīng)C1濾波后可變成平滑的直流電壓。

全橋逆變是由圖1中VT1、VT2、VT3、VT4所示的IGBT完成的，VT1、VT4一組，VT2、VT3一組，這兩組導(dǎo)通和關(guān)斷是互補(bǔ)的，即交替開(kāi)通和關(guān)斷。如一個(gè)周期內(nèi)，VT1、VT4導(dǎo)通時(shí)，VT2、VT3關(guān)斷;VT2、VT3導(dǎo)通時(shí)，VT1、VT4關(guān)斷。

高頻變壓器如圖1中T1所示，經(jīng)全橋逆變后的高頻交流電，經(jīng)T1升壓或降壓到需要的高頻交流電壓值。

二極管整流由圖1中D1、D2所示的肖特基二極管完成，其特征在于經(jīng)高頻變壓器輸出的高頻交流電，分別經(jīng)D1、D2整流后輸出高頻直流電。

肖特基二極管D1，R1和C2為其阻容吸收電路，主要作用是消減由于漏感產(chǎn)生的反峰電壓。

肖特基二極管D2，R2和C3為其阻容吸收電路，主要作用是消減由于漏感產(chǎn)生的反峰電壓。

該極化電源裝置主電路還包括圖1所示的交流電流傳感器SC1、直流電流傳感器SC2、霍爾電壓傳感器SV1。其特征在于交流電流傳感器SC1為穿孔式電流傳感器，用于測(cè)量三相交流電壓的進(jìn)線電流;直流電流傳感器SC2為穿孔式電流傳感器，用于測(cè)量輸出的直流電流;霍爾電壓傳感器SV1并聯(lián)在輸出正極和輸出負(fù)極之間，用于測(cè)量輸出的直流電壓。

3.2? ? 控制系統(tǒng)

該極化電源裝置控制系統(tǒng)部分包括控制電路、脈沖產(chǎn)生和功率放大電路、通信電路、反饋電路、操作面板?？刂葡到y(tǒng)為現(xiàn)有技術(shù)，具體如圖2所示。

通信電路由圖2中所示功能部件MCU2完成，其主要實(shí)現(xiàn)與PLC200的PPI通信，通信信息中包括給定信息、狀態(tài)信息和報(bào)警信息等。

控制電路由圖2中所示功能部件MCU1完成，極化電源由直流電流和直流電壓反饋，當(dāng)電壓反饋和電流反饋與給定值有偏差時(shí)，MCU控制器根據(jù)外部穩(wěn)壓或穩(wěn)流指令進(jìn)行電壓PI調(diào)節(jié)或電流PI調(diào)節(jié)，并發(fā)出脈沖的開(kāi)通與關(guān)斷信號(hào)。

脈沖產(chǎn)生和功率放大電路，其主要由專用PWM脈沖產(chǎn)生芯片TL494完成PWM脈沖的產(chǎn)生，然后經(jīng)過(guò)功率放大電路驅(qū)動(dòng)400 A/1 200 V級(jí)別的大功率IGBT。

操作面板由漢字顯示屏和操作按鍵組成，主要完成基本信息、報(bào)警信息的顯示以及面板穩(wěn)流穩(wěn)壓的給定。

反饋電路共有三路，即直流電流反饋、直流電壓反饋、交流電流反饋，三路反饋都送給操作面板顯示，其中，直流電流反饋、直流電壓反饋還分別用于穩(wěn)流控制和穩(wěn)壓控制。

控制系統(tǒng)的給定有三種：操作面板給定、上位機(jī)給定、電位器給定，上位機(jī)給定由PLC與控制器通過(guò)PPI通信實(shí)現(xiàn)，三種給定采用的是兼容模式，可以同時(shí)工作。

4? ? 裝置的安裝、使用及故障排除

該系統(tǒng)自2012年起在出口俄羅斯、法國(guó)、比利時(shí)等的氯堿項(xiàng)目中使用情況良好，因其體積小、易安裝、方便操作等特點(diǎn)受到用戶廣泛好評(píng)。

裝置安裝注意事項(xiàng)如下：控制部分進(jìn)出線采用電纜或穿管絕緣導(dǎo)線與變壓器或低壓饋電架空線連接;所有外部連接電纜均通過(guò)穿墻板進(jìn)入柜內(nèi);交流互感器連接控制電纜不小于2.5 mm2，其他信號(hào)控制電纜不小于1.0 mm2，保護(hù)接地導(dǎo)線最小截面積為10 mm2，柜體外接地導(dǎo)線最小截面積為25 mm2;要求接線編號(hào)清晰、準(zhǔn)確，對(duì)號(hào)入座，接頭緊固可靠。

脈沖線連接時(shí)需注意對(duì)應(yīng)其變壓器出線;與整流變壓器、高壓柜之間的保護(hù)信號(hào)連線，應(yīng)在其生產(chǎn)廠家的配合下按要求完成;穿線管道要固定，管頭進(jìn)行防水處理，多余導(dǎo)線進(jìn)行綁扎，電纜頭進(jìn)行防水、防潮處理;檢查各接線是否正確、牢固;高壓和低壓電纜應(yīng)分開(kāi)安裝。

裝置運(yùn)行步驟如下。

4.1? ? 送電前準(zhǔn)備工作

（1）檢查裝置內(nèi)部有無(wú)雜物，有則清除雜物;

（2）將電流電位器給定清零;

（3）檢查啟動(dòng)開(kāi)關(guān)是否在停止位置。

4.2? ? 送電步驟

（1）接通主回路進(jìn)線電源，確認(rèn)面板上的指示燈亮;

（2）接通極化柜進(jìn)線電源，確認(rèn)面板上的指示燈亮;

（3）本/遠(yuǎn)控開(kāi)關(guān)切換到“Local”位置為本控啟/停極化;

（4）本/遠(yuǎn)控開(kāi)關(guān)切換到“Remote”位置為DCS啟/停極化;

（5）合上主回路塑料外殼式斷路器（給定必須清零）;

（6）緩慢旋轉(zhuǎn)電流給定電位器直至達(dá)到所需要的直流電流值，電流給定電位器一般情況下第一次調(diào)整正常運(yùn)行后不需要再進(jìn)行修改（除非工藝特殊要求）。

注：電壓給定電位器在第一次調(diào)整正常運(yùn)行后也無(wú)須再設(shè)定。

4.3? ? 停電步驟

（1）將電流給定清零;

（2）停止極化柜;

（3）一般不需要關(guān)閉控制電源開(kāi)關(guān)，建議電源保持通電狀態(tài)，防止電子元器件受潮、發(fā)霉，影響下次正常開(kāi)車;

（4）停電完畢。

4.4? ? 故障排除

極化電源裝置常見(jiàn)故障現(xiàn)象分析及排除方法如表1所示。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用本文所述結(jié)構(gòu)的極化電源裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：以大功率高頻電源作為極化電源，采用AC-DC-AC-DC變流模式，主電路部分采用二極管全橋整流和IGBT全橋逆變，控制部分采用雙CPU結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、維護(hù)方便。該設(shè)計(jì)能大大減小整流器的體積，且不需要體積龐大的工頻變壓器，變流效率達(dá)到90%以上，節(jié)能20%以上，極大地降低了成本。

收稿日期：2021-12-21

作者簡(jiǎn)介：章雅（1973—），女，江蘇鹽城人，高級(jí)工程師，研究方向：工程咨詢。