电化学整流电源的设计

    摘要：介绍电化学整流电源及其设计，结合国内外发展的情况，对系统设计的目前状况和发展趋势进行了综述。

    关键词：电化学整流电源  设计方法

    电化学整流电源主要用做铝镁电解、食盐电解、其它金属电解、水电解等设备的直流电源，其特点是提供强大的直流电流，而且必须连续供电；同时由于耗电量大，要求电源效率较高。近年来，随着有色、冶金、化工工业以及功率半导体器件、控制方式和计算机应用的发展，电化学整流电源在设计技术方面也得到了很大的提高，建模、仿真、分析设计在逐步贯穿整个设计过程。

    现代电化学整流电源的设计包括主电路设计、控制电路设计、计算机辅助设计、辅助系统设计、计算机监控设计。

1 主电路结构

    电化学整流电源由于其容量较大，所以在主电路结构上与普通的整流电路有所区别，因为这个原因，使得无论在电路结构形式还是元器件的选择方面，可以通用的并不是太多。

1．1 电联结方式

    常用的电联结方式是双反星形带平衡电抗器联结和三相桥式联结。双反星形带平衡电抗器整流电路多用在低压、大电流的电源中，因为在同样输出电流情况下，它比桥式整流少用一半整流器件，但是它的整流变压器利用率较低，在同等功率情况下，变压器容量比三相桥式整流变压器高20％左右；在电压较高的整流电路中，一般采用三相桥式整流电路，该电路的变压器利用率高，在同等直流功率情况下，可以使用最小容量的整流变压器，从而使整个设备的造价降低。由于三相桥式整流电路性能优越，在大电解电源中得到了越来越广泛的应用。

    随着铜材价格上涨导致变压器造价提高，以及元器件的价格逐渐下降，三相桥式联结将成为电化学整流电源的主要联结方式。

1．2 电路结构形式

    由于电化学整流电源的最大特点是低电压、大电流、大容量，所以合理地设计整流装置的电联结形式有助于降低电磁干扰、提高器件的均流度和整流设备的电效率。

    国内电化学用大电流整流电源多采用“同相逆并联”结构，这种结构特点是消除本相磁场干扰，使整流器件并联易于均流，缺点是整流变压器阀侧绕组结构和接线复杂，导致整流变压器成本高。

    欧洲各公司一般不采用同相逆并联结构，而采用自支持非封闭结构，也能达到消除自身磁场干扰、均流性能好的效果，但是在进出线设计不合理时效果很差，若因冷却要求外罩，一般均采用非导磁材料；

    在国内，目前出现了同相逆并联准自支持结构，它充分结合了两者的特点，电路结构形式采用同相逆并联技术，而在柜体结构和导电母线排的安装设计上采用类似自支持结构的形式，这些主要是考虑所设计的整流电源的特点和技术要求。

    从长远发展角度来看，同相逆并联与自支持结构会并存，它们也是整流电路的两种主要结构形式。

1．3 整流器件选择

    对于电化学整流电源，由于电流和功率较大，考虑到器件的并联均流技术，所以整流器件选择余度不是很大，主要是电力整流二极管和晶闸管。

    用二极管做为电化学整流电源的整流器件，具有以下特点：

    ●系统控制电路相对简单；

    ●电源调压采用整流变压器网侧绕组有载分段调压（粗调）和阀侧绕组串接饱和电抗器调压（细调）的联合调整方式，这样使得整流电路结构较复杂；

    ●整流输出的稳流控制通过饱和电抗器进行；

    ●对于操作人员来说操作、维护相对简单。

    用晶闸管做为电化学整流电源的整流器件，具有以下特点：

    ●系统控制电路相对复杂；

    ●电源调压采用晶闸管移相控制方式，或采用整流变压器网侧绕组有载分段调压（粗调）和晶闸管相控调压（细调）的联合调整方式；

    ●整流输出的稳流控制通过控制晶闸管触发脉冲来完成；

    ●对于操作人员来说操作、维护比较复杂。

    选择哪种整流器件主要是考虑电源的容量和器件的水平，目前国内外在大功率整流器件上的发展水平（主要考虑电流峰值）有较大的差距，表1为可用于电化学整流电源设计的器件国内外发展水平的对比。

表1 整流器件国内外发展水平比较

    近年来有些研究机构采用IGBT作为整流器件的小功率样机已经实验成功，但它的最大问题是并联均流技术和成本价格。

2 控制策略

    随着大功率电力电子器件的出现和微型计算机的发展，先进的控制方法在电力电子行业的应用研究也深入到各个方面。对于电化学整流电源的控制来说，触发控制（对于晶闸管整流电源）和稳流控制是两个主要的方面。

2．1 触发控制

    目前大多数的晶闸管整流电源已经实现了全数字触发，这样对于保证系统安全可靠运行和进行计算机监控提供了有利的条件。在这里触发控制包括触发电路、整流电路保护等。对于晶闸管整流电路的触发控制现在比较成熟，触发控制主要采用PI或PID控制。

2．2 稳流控制

    稳流控制环节是目前电化学整流电源必不可少的，这是电化学工艺与节能的要求。对于二极管整流电源来说，稳流控制通过调压变压器配合饱和电抗器进行调节；而晶闸管整流电源则通过调压变压器配合控制晶闸管触发来进行调节，目前大多采用PI或PID调节。

    近年来，随着计算机技术和控制技术的发展，线性最优控制、自适应控制、智能控制技术目前在稳流控制中已得到了较好的应用。采用全数字计算机控制技术，且综合各种控制的智能控制策略，是现代电化学整流电源控制策略的发展方向。

3 实现计算机辅助设计

    计算机辅助设计在电力电子系统开发和研究过程中的作用越来越受到人们的重视，对于解决设计中的费时、费力、成本高等问题效果明显。电化学整流电源由于其成本高、可靠性要求高，以及设计过程中计算量大的特点，所以其设计过程更适合采用计算机来进行。计算机辅助设计包括对象建模、输入输出设计、仿真分析，它的一般设计流程框图如图1所示。

    目前针对电力电子行业开发的CAD软件主要是通用电路分析、仿真软件，而专门针对电化学整流电源开发的CAD软件包还没有，所以进行这方面的研究和开发也将是电化学整流电源设计技术发展的另一个方向。

4 辅助设计系统

4．1 冷却系统设计

    电化学整流电源由于电流较大、功率损耗大，故冷却系统设计是一个重要的环节。在冷却手段上自然风冷方式效果不佳，所以采用不多；油冷却方式绝缘效果好、体积较小，但是成本较高，所以也很少采用；从成本、体积、性能、价格方面综合考虑，水冷方式比较适合电化学整流电源。

    电化学整流电源水冷却系统由冷却水泵、去离子设备、蓄水箱、水管和散热器等组成。考虑到大电流情况下水的电解有可能腐蚀端接处，所以整流柜中各个整流臂的散热体与冷却管路相联结时，要充分考虑两端的电位情况，设计时应尽量考虑等电位联结。由于水冷系统故障将会使整流器件发热损害，为此需要对进口水压、水温和冷却母线的温度进行监视控制。从以后的发展来看，水冷方式依旧会占据主导地位，提高冷却水质、实现智能化是发展的趋势。

4．2 谐波抑制设计

    电化学整流电源一般容量很大，是电力系统的主要谐波源之一。大量谐波电流注入电网，将造成电压畸变，供电质量下降，危害供电设备和用电设备，同时也使供电效率下降。因此研究电化学整流电源产生的谐波特点，配置相应的滤波器和补偿器，达到谐波抑制和补偿的效果在此就特别重要。

    利用有源滤波器APF（ActivePowerFilter）和价格低廉的无源滤波器仍是谐波补偿的重要手段。目前国内大多数的电化学整流电源通过加设无源滤波器进行谐波补偿，而有源滤波器由于其成本较高和控制手段相对复杂没有得到很好的推广，在这一方面，国内电化学整流行业明显落后于国外的同行。现在有些电化学整流电源设计和制造厂家提出了混合补偿方法，即对于能量较大的特征谐波采用无源滤波器，而对一些非特征谐波和能量相对较低的谐波采用有源滤波器，这也可以说是一个两者兼顾的做法，但是从长远的角度来说，电力有源滤波将逐渐在谐波抑制行业占据主导地位。

5 计算机监控系统设计

    监控系统，主要完成工业控制中数据采集、显示和远方控制；对运行数据进行分析，监测系统目前的状态；对历史数据进行分析，预测电源的运行状态。对于电化学整流电源来说，可靠、安全运行是必要的。进行远端实时监控有利于系统的正常运行；有助于保证安全运行或及时发现故障，从而迅速进行排除以降低维护费用；通过分析运行的历史数据有利于进行故障诊断分析。所以对电化学整流电源建立一套完善的监控系统是其技术发展的趋势。目前应用于各行业的监控系统有很多种，在前端进行数据采集和控制的主要有PLC、RTU、小型DCS控制单元等；而集中控制室主要有工控机或其它计算机组成的集中控制单元。今后由这几种方式组成的监控系统将会根据电化学整流电源的特点和用户具体的要求而得到相应的发展。