进一步提高国产可控硅整流器的应用水平

廖秀华

（广州市化工设计院，广东广州510655）

进一步提高国产可控硅整流器的应用水平

廖秀华

（广州市化工设计院，广东广州510655）

分析了国产可控硅整流器的应用现状，指出了其应用中的不足，提出了进一步提高应用水平的见解。

氯碱生产；可控硅整流器；应用水平

十多年来，国内氯碱生产企业普遍实现了离子膜法烧碱工程的改造、扩建及新建。在新的工艺技术推动下，整流技术也上了一个新台阶，尤其以硅晶闸管整流取代硅二极管整流；国产可控硅整流器取代进口同类整流器为主要标志。国产可控硅整流器的广泛应用表明，中国的可控硅整流技术和设备制造已趋于成熟，然而，其应用水平还需进一步提高，使可控硅整流的优良性能得到更充分的发挥。

1 国产可控硅整流器的应用现状

（1）主设备配置方案日趋完善。在离子膜电解槽供电中，调压、变压、整流三大设备的配置格局已经形成，自耦式有载调压、三相全控桥式整流电路、单机组十二脉波整流相数、自耦变移相配合整流变移相的等效多相制以及延边三角移相方法等都为业内普遍采用。由于电槽系列规模扩大，整流与电槽“一拖二”的配置方式，包括并列式和串联式，均被企业所选取。随着企业规模大型化，直降式整流正在逐步取代重复降压整流，使设备简化和线损节约得到一定效果。

从国外引进的可控硅整流装置，普遍采用带无载调压的整流变压器，附带无功补偿滤波设备的模式。而国内同类设备，由于采用了有载调压、多相制整流以及对控制角自动限制等措施，在不装设滤波补偿设备情况下，自然功率因数可达到0.90～0.94，谐波电压、电流参数也能符合国标。

多年实践证明，上述的设备配置方案符合我国国情，适合企业生产发展的需要。当然，亦存在有待完善之处。

（2）可控硅整流的可靠性有一定的改进。业内均认为可控硅整流较好，但是不可靠，所以，在隔膜电解槽时期很少被采用，在离子膜电解槽初期也以进口为主。目前，国产可控硅整流设备的可靠性问题已基本解决，在离子膜法烧碱项目中，除个别企业仍从国外引进外，绝大多数企业都采用了国产设备，并且经受了时间和实践的检验。在普遍的1机对2槽，没有并联（备用）机组的供电方式下，因整流器故障而停产、元件损坏、快熔烧断之类的事故已很少出现。总结起来，是元器件质量可靠、大功率元件和大规模集成电路芯片应用的硬件因素、先进的数字化调节、监控技术的引入和可靠性理念贯彻的软件因素共同起作用的结果。

然而，设备可靠性有一定改进并不等于问题全部被解决，大大小小的故障还不同程度地发生。据报导，某企业的离子膜槽5套可控硅整流器2005年共跳闸停电9次；另一家企业的2套同类设备1年内因故障停产检修3次；尚有一家企业一次烧毁同一桥臂5只晶闸管；还有一家企业先后投产的5套整流器运行不稳定、事故多，后来对其控制系统进行了彻底的改造。上述故障大都因控制系统的原因所引起。

设备可靠性理念强调，任何产品初期的可靠性均不可能达到预期的水平，需要一个不断完善的过程。国产的可控硅整流器正是经历了这种从不可靠到基本可靠的过程。

设备可靠性的理论认为，可靠性来自于设备的设计和生产，可靠性设计应与功能设计同步，其内容有简化设计、冗余设计、电磁兼容性设计和热设计等。这些原则应在设计工作中细化、量化[1]。

（3）不同厂家所制造的设备质量存在一定差距。国内的整流设备厂家所生产的设备都能满足电化生产的要求，可量化的技术指标亦无太大的差异，所存在的差距仍然在于可靠性、稳定性和综合自动化水平方面。

对设备稳靠性的检验，最基本的是在正常条件下能否保持连续按质按量供电，这一点不难做到。难做到的是对控制器件的老化、软故障的出现、外部的干扰等具有较强抵御能力和能采取有效的应对措施，使供电不受影响。

有的设备运行初期一切正常，但一段时间后便露出故障苗头，尤以电流不稳定居多，电网电压波动、系统受雷击、晃电引起的电流波动、器件击穿、突然跳闸停电，谐波干扰至触发脉冲丢失或误封锁等。对于这些现象，有的厂家设备很少发生，甚至可以避免，即使发生了也易于判断，方便处理，有的则不然，这就是稳靠性的差别。所以，常有甲厂生产的设备由乙厂来改造的情况发生。

以上所述的设备稳靠程度的差别，国产设备存在，引进的国外设备也不例外。据报道，湖北双环氯化工厂、北京化工股份、青岛海晶、山东潍坊亚星、石化齐鲁氯碱等单位由不同国家的引进可控硅整流器都有运行不稳定的现象，控制系统已由国内厂家改造或面临改造（已制定改造方案）。技术较先进、涉足行业较早的国外公司如瑞士ABB公司，设备运行中出现问题则较少。这说明不同厂家、不同时期的设备总有从不完善到完善的过程，时间长了也必然有老化问题发生，一劳永逸是不可能的。

（4）控制系统的技术水平有较大提高。控制系统的技术水平决定了整流系统整体的先进性与稳定性。目前，国内厂家正在使用的整流器绝大部分为国产，而早期设备以进口为主。国内常见的整流控制系统大多采用PLC与单片机相结合的结构，PLC负责外围信号的采集、通讯、连锁逻辑控制与输出等功能，数字触发器负责根据给定反馈及同步信号形成触发脉冲。PLC与单片机相结合的控制系统在硬件及软件设计上仍存在着某些不足之处。在硬件上，由于PLC本身的功能欠缺，需要添加额外的电路板来实现交流采样或将交流信号转换成直流信号后由PLC或单片机采样，这给信号采样精度带来不小的问题，而且，当面临较多信号量时，只能通过扩展PLC模块来实现功能，给系统成本带来很大压力；在软件上，由于硬件性能的限制，这些系统还存在应用程序无法灵活组态、通讯能力薄弱、控制模型不透明、调节参数无法实时调整等诸多问题。

目前，国内已有整流厂家采用工业计算机或嵌入式微控制器代替PLC+单片机模式，控制系统的功能更多、性能更好、可靠性更高、人机界面也更为友好。控制系统的技术进步使工厂实现了“遥控、遥调、遥测、遥信”，也为实现“无人值班、少人值守”创造了先决条件。

2 对进一步提高可控硅整流器应用水平的建议

2.1 改进应用中的不足

2.1.1 加强主设备选型的论证

目前，离子膜烧碱项目的整流设备选型中，有的还沿用隔膜烧碱时期二级管整流的传统做法，缺乏具体的分析和论证，得出结果会使整流额定电压偏高、调变的调压范围偏大、有载开关调压级数偏多。由此带来调压整流变压器组额定容量和型式容量偏大，设备容量浪费，成本增高，运行费用增大的不良后果。这些情况应从加强论证入手，加以改变。

关于设备选型问题，应根据规模进行计算和分析，得出主电量典型值。推荐对于国内普遍采用的2.7 m2高电流密度，自然循环复极式离子膜电解槽，单元槽电压设计值定在3.4 V较合适，调压范围在80%～105%、调压级数选14级更经济适用。而通常的设计与此推荐值都有一定的差别，对2种方案的有关数据进行对比见表1。

表1所列的是可量化的项目对比，看不出结构方面的差别。由于调压级数偏多时（M型有载开关分接级数17级以上，V型开关分接级数13级以上），就要采用正反调或粗细调的调压电路，而不能采用最为简单可行的线性调压电路，必须配带分接选择器（以前称为范围开关），势必带来绕组和接线的复杂化，运行中也用不上。基于这种分析，业内已开始认同这种观点，并陆续采用17级以内的线性调压电路，实践证明了这种选择的正确性。

表1 设备选型方案对比表

2.1.2 改进整流控制系统的软、硬件设计

尽管控制系统的技术水平有了较大提高，但与相关技术领域和相关行业的技术进步相比，仍有很大的提升空间。

可控硅整流器的应用范围十分广泛，涉及电力、冶金、表面处理、建材等行业，应加强行业之间的技术交流与沟通，把其他行业的先进适用技术引入到氯碱行业。比如，在电力系统广泛使用的交流采样技术，具有精度高、时间常数小的优点，移植到氯碱行业整流设备中，不仅可提高控制系统的调节性能，还可全面监测包括整流变压器在内的整流器的所有电气参数，更能实现交直流冗余反馈。国内外市场占有率高、技术领先的整流器生产厂家都具有跨行业的特点，这也是行业之间无缝技术交流的结果。

当前，数字集成电路制造技术发展迅速，技术更新换代的周期愈来愈短，ARM、DSP、FPGA等嵌入式智能控制芯片集成度愈来愈高，功能愈来愈强大。这些高性能微处理器应用于整流器控制系统设计，实现了“总线不出板”，甚至“总线不出芯片”，单个芯片即可实现以前整个系统的功能。加之电磁兼容设计技术越来越受到重视，使得整流控制器性能和可靠性出现飞跃式发展。另外，嵌入式操作系统的引入可以提高应用程序可靠性、可扩展性，系统开发者甚至可以将程序单元模块化，让项目设计人员通过简单的组态就能实现1套适用的控制软件。典型的例子是1套控制器可实现12脉整流甚至更多，这种模式不仅改善了谐波污染问题，而且大大节省了成本，同时还提高了设备运行的可靠性和性能。

整流控制系统不能局限于控制数字化，更要实现整流设备的数字化，比如数字化均流、数字化检测等。这就需要把整流控制系统科学地分解为相对独立的功能单元，各单元之间通过高速通讯网络连接。功能的分散化可以让系统结构更为合理可靠，消除各单元之间的不利耦合，使系统拓扑更为明晰。系统各模块之间若采用光纤通讯，各模块从电气上隔离开来，杜绝电磁干扰，可大幅提高系统的可靠性。

整流器控制系统还应支持多种通讯协议和接口，实现与工厂自动化系统的无缝连接，甚至适应物联网的发展要求，融入到互联网中。诸如常见的以太网、RS485串行口等将作为标准配置，对于要求保密性的外联接口，厂家可以开发支持OPC Server的上位机软件，将网络细节隐藏起来，也可满足设备安全的要求。

2.2 配合做好电化学整流器行业标准的修订和执行

电化学整流器有对口的标准可依，目前执行的行业标准《电化学整流器》是1998年的版本，有的内容仍然适用，有的应作修改、补充，如离子膜电解槽负载，有规范意义的条款已不多。最近，全国电力电子学标准化技术委员会已提出并批准，对标准进行修订且指定了起草单位和起草人员。为了进一步提高电化学整流器的标准水平，使国内自主开发的技术在标准中有所反映，可以把对标准的修订意见汇集起来，以中国氯碱工业协会的名义向标准主管部门反映。

然而，对目前标准版本中的合理条款执行，也有不尽人意之处，如整流变压器调压方案问题，对二级管整流和晶闸管整流就有区别。关于晶闸管整流变压器的调压标准，分接调压范围低于50%额定值时，分接档数一般应不多于13级，并优先采用无载分接调压，至于是否一律采用无载分接调压，需结合国情、地情等对有载和无载分接调压2种调压方案加以论证，从这一侧面说明了对晶闸管整流变压器的有载调压范围并无多高的要求。

2.3 开展配合工艺节电的应用研究

长期以来，工艺节电和整流节电都是各行其道，对整流如何配合工艺节电的课题尚未认真提上议事日程，特别是利用可控硅的优良调节性能方面，未引起足够的关注。

以电解槽的电流质量而论，稳流精度、电流调节速度和电流随工艺参数的自动调节都可通过可控硅的控制电路去实现，对于这些参数对工艺节电有无帮助且如何实现，必须与工艺人员一道研究和开发。关于电解槽稳流精度的指标，现行标准是稳流偏差一般不超过±1%；离子膜槽设计文件多数是±0.5%，有的厂家的保证值定为0.1%，如果此值是工艺提出，则是新的要求；如是厂家的承诺，则表明厂家的稳流水平。在某种意义上，将其弄清对我们的工作亦有帮助。

2.4 进一步做好技术交流和技术培训

为适应氯碱整流技术进步的新要求，推动整流设备的更新换代，中国氯碱工业协会自2006年以来先后举办了5个年度的整流技术研讨会，共收集技术论文160多篇，全部在当年的论文集上刊登，部分在研讨会上宣读。此外，协会还组织编写出版了《电化学整流实用技术手册》（上册）一书，并以此为教材举办岗位技术培训班2期。会议代表和受训学员来自生产、设计、研发、制造单位的专业人员和技术领导。对整流技术进行广泛的交流，涵盖了综述分析、方案论证、专题研讨和经验介绍等方面。普遍反映，每参加一次活动都会有所收获和启发，认可其在使用和生产、强电和弱电、单位和行业的技术互补和信息沟通方面是其他方式所不能代替的交流平台。其不足之处是受时间限制，主题欠突出，研讨不深透。

为使交流和培训工作能收到更好的效果，对今后的工作有待改进之处建议如下。

（1）采取点面结合的交流研讨方式，面上的题目自选，保留目前这种方式。增加点上交流方式，选择若干专题，进行重点突出，论证充分、权威性强的业内高层次交流。

（2）为满足与会者对整流设备的研发内容和掌握国内外研发动态，建议会上安排业内研发专家作专题讲座。

（3）为便于整流和电解之间的沟通和协调，建议互派专家参会，即整流会议邀请电解专家到会。电解会议也邀请整流专家到会，共同探索整流与电解最完美的结合方案。

（4）通过研讨和培训，发现整流设备中的精品、整流技术中的精华和整流人员中的精英，加以总结推广和鼓励。对于特别优秀的学员，由协会或建议单位予以表彰奖励。

（5）加强与生产单位的联系沟通和信息报道。使单位了解派出人员的动态和交流感受，争取单位对交流和培训工作的更大支持。

Improve domestic silicon controlled rectifier application level

LIAO Xiu－hua
（Guangzhou Chemical Design Institute，Guangzhou 510655，China）

The application status of domestic silicon－controlled rectifier was analyzed and deficiency in its application was pointed，the view is proposed to further enhance the application level.

chlor－alkali production；silicon－controlled rectifier；application level

TM461

A

1009－1785(2011)03-0004-03

2010-09-15