摘要：通过对某厂铜电解整流系统进行改造，应用高效可控硅整流系统，有效的提高了系统控制的精确性和稳定性，在提高了产能的同时，实现了能耗的降低，提高了企业的经济效益。
关键词：高效可控硅；整流系统；节能降耗
1 铜电解各个系整流系统简介
1.1 整流系的基本情况
某电厂铜电解各个生产系统的设计电流密度为230m2，直流电流最大输出量分别为8800A、8900A和11800A（依次分别为一系、二系、三系）。整理系统中采用了组合二极管桥式整流方案，应用有载调压整流变压器，其的定容量分别为1000、1300和1700kVA。
1.2 整流系中问题问题及原因
通过分析发现，该厂的整流系统中主要存在以下几方面问题：
（1）变压器和母排。整流系统中的变压器存在油温高的问题，调查发现，在运行过程中，将电流控制在最大值时，系统中变压器的温度超过了75℃，其主要的降温手段为风冷以及降低负载，但是在夏季无法起到良好的降温效果，这导致变压器的运行面临比较大的风险，这也直接制约了大电流生产的实行。对这一问题的原因进行分析，变压器内部二次绕组，是采用串联的方式来进行连接的，因此其在铁心中心会产生具有同一方向的磁场，在这样的情况下，会产生比较大的磁滞，从而造成了变压器内部损耗大，从而造成了较高的油温。另一方面，母排的温度也比较高，甚至达到110℃，这主要是由于交流母排所产生的涡流比较大，进而造成了线路中的阻抗比较大，交流压降过大，最终造成了母排温度较高。
（2）整流器问题。该系统中的整流器由数个整流二极管组成，相互之间通过并联的方式连接。在运行过程中，使用循环水对其进行降温，运行过程中存在着管压降过高的问题，加之短网铜母线的温度也比较高，会将热量传递给二极管，而由于二极管循环水是直接应用的自来水，导致其内部比较容易出现结垢的问题，造成管路的堵塞，影响到换热的效果。这样就造成了二极管本身问题比较高，相应的损耗也进一步增大，不仅阻碍了生产过程中电流的提升，而且其自身运行的安全性也受到了影响。
（3）直电流控制问题。这一系统中，不能够实现直流电流的精确控制，在这样的情况下，工艺的调整和产品质量控制都会受到一定的影响。
2 整流系统的改造
2.1 改造方案
通过分析整流系统中存在的问题，并且深入研究导致这些问题的原因，并且结合现代控制技术以及实际的生产需求，对整流系统进行了改造。改造工作主要进行了以下几方面的内容：
（1）主电路接线。改造中，采用同相逆并联技术来进行主电路的接线，通过这样的方式，使交流短网，以及相邻同相导电铜排产生的磁场能够实现相互抵消，这样可以消除磁场的对外干扰，并且实现各相之间的阻抗对称，同时保持电流的均衡。同时，对整流电路进行改造，其不再使用多只元件并联的方式，而是使用大容量的晶闸管元件，通过这样的方式，不仅可解决由于多元件并联而造成的均流问题，同时也有效的降低了损耗，提高了能量转化效率。
（2）为了应对变压器温度过高的问题，增加冷却方式，采用强制有循环风冷的方式来对其进行冷却，这样可以保证变压器可以提高输出负载。
（3）为了解决自来水中存在较多杂质的问题，采用纯水冷却装置，保证冷却的效率，提升整流元件运行的稳定性。
（4）为了准确的对电流进行控制，应用闭环控制的方式，实现对电流进行实时的调整。
2.2 高效可控硅整流系统
高效可控硅整流系统，应用了反星形同相逆变并联的整流电路，其中包含4组三相半波整流电路，电路处于并联状态，因此每组电路只需要提供总负载电流的25%就可以了。这一电路与改造之前的电路相比，输出电路I0可以提高一倍，同时这一电路中应用的变压器，其次级两绕组的极性是相反的，这样铁芯的直流磁化问题能够被消除。整流电源控制系统框图如1中所示：
整个系统是一个反馈型闭环控制回路，主要由调节器、触发器、负载、A/D采样模块等部分组成。其中，给定环节的作用是，按照生产过程的要求设定整流电源控制系统的输入信号，然后经过整流，将直流电输送到负载，A/D模块的主要作用是收集反馈电流，然后将其收集到的电流与设定值进行比较，并将计算出的偏差输送给智能调节器，使其通过模糊自适应整定PID控制算法来进行控制，调节触发角，最终实现系统对电流的精确控制。触发电路能够根据获得的电源同步信号，以及控制器发送来的控制信号，对晶闸管进行移相控制。
图1 整流电源控制系统框图
2.3 高效可控硅整流系统控制效果
通过进行整流系统改造，应用高效可控硅整流系统，能够达到以下效果：
（1）高性能化。能够有效的降低设备自身的损耗，系统中通过应用乔氏逆并联整流技术，能够实现对强电流下的空间强交变磁场的有效的抑制，不仅降低了磁场对系统的干扰，还有效的降低了动态铁损，减小了涡流发热的问题，有效的提高了整流的效率，整流效率能够达到95%。同时，其还能够使短路阻抗减小，有效的提高了系统的可靠性。
（2）标准化。在改造后的系统中，通过应用大功率的晶闸管，有效的降低了系统中并联的管数，从而有效的降低了管压，同时由于应用的管数减少，装置的结构也得到了简化，并且使系统的均流系数得到了明显的提升，超过了90%。
（3）智能化和全数字化。系统经过该造之后，通过应用智能控制算法，能够达到自动调压和稳流，从而实现系统的高精确控制，通过测试，稳流精度可以达到0.1%以内，而且整个系统都应用了数字化技术，不仅提高了精度，而且对于性能的提升也有重要的帮助。
（4）系统化。在该系统中，将电网、电压器、整流器、电解槽、水装置以及控制系统等，整合成为了一个整体，通过从系统层面上进行考虑，对系统进行了整体的优化，从而会系统的性能得到了提升。
2.4 高效可控硅整流系统的节能情况
在完成整流控制系统的改造之后，通过应用高效可控硅整流系统，有效的降低了能源的消耗，与改造之前相比，相同时间内的产量得到了提升，耗电量和单耗都实现了下降。从铜电极生产的技术经济指标上分析，电解直收率获得了提高，而残极率则实现了降低了，其中电解直收率从原来的80.2%，降低到了80.5%，而残极率则从18.4%下降到了17.8%。从结果上看，通过应用高效可控硅整流系统，获得了非常好的节能效果，降低了电解铜过程中的电能损耗，降低了电解铜生产对于环境的影响，有效的提高了企业的经济效益。
结论
该厂在进行整流系统改造，应用高效可控硅系统之后，整流装置一直安全、稳定运行，并没有因为该装置问题造成过停电、停产等情况的发生。而且系统操作起来更加方便，还有效的保证了晶闸管触发角工作时出在合理范围，并且有效的提高了功率因数，高次谐波分量也极大的降低了。系统状态能够清晰的被观察到，为系统故障的诊断和查找等提供了便利。通过应用该整流装置，有效的降低了能源消耗，提高了生产的自动化程度。
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论文作者:马振杰
论文发表刊物:《电力设备》2019年第7期
论文发表时间:2019/9/18
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