一种新型极化整流器的研究和设计

旷永红，周 鹏

（1.湖南工程学院 应用技术学院，湘潭411101；2.株洲科瑞变流电气有限公司，株洲412007）

0 引 言

极化电源作为电化整流系统的备用电源，能为电解槽提供几十至几百安培的直流电流，以便进行槽电压的检测；或当正常运行的电解槽突然或计划停车时，为电解槽提供正向极化电流，用来保护电解槽.传统的极化电源采用相控整流技术，由于设计要求时，选择较大的余量，再加运行前期和运行中后期，由于电解槽单元电压的变化，使得极化整流器常处于控制角较大的运行状态，谐波和无功问题非常突出，使隔离变压器发热，能量损耗严重，并且影响动力电源的稳定性.新型极化电源采用整流－斩波技术，通过调PWM脉冲占空比的调节来调节输出电压和电流.采用开关器件IGBT，开关频率高，损耗小，变流效率高，使得极化整流器的功率因数可达0.95以上.

1 主回路变流方式研究

极化整流器为一个恒压源，通过稳定的电压输出达到保护电解槽的目的.极化电源整流器的容量和额定值是由电解槽的槽电压来决定的，国内所需极化电源的电压通常在一百多伏到四百多伏范围内，国外化工企业极化电压有在450V以上的情况，极化整流器通常采用380V的动力电源，根据极化电压的不同，新型极化电源的设计方案有两种.

1.1 极化电源电压在450 V以下的，采用整流－降压斩波模式，此种模式的结构图如图1所示

图1 整流－降压极化电源模式

这种模式的极化电源的主回路图如图1所示，进线为三相交流380V，进线侧有Y型连接的电容（3～5C），起滤波作用，通常前端会有熔断器作为交流侧过载保护（图中没有画出），整流主电路采用三相全控桥式，三相整流桥后为一平波电容，使UD1近似为一稳定直流源，后续电路为降压斩波电路，由开关管IGBT、电抗器L1，续流二极管VD2、防反电流保护二极管VD1，以及其他附件如直流传感器、IGBT开关保护电容等.

＼三相380V电源通过整流桥整流和大电容平波后，直流电压UD1和三相交流的关系为：

其中α1为三相交流整流的整流系数，约为1.35，α2为平波电容作用后电压的上升系数，约为1.1.降压斩波电路的特点是输出电压比整流后的电压要低，其原理为：当IGBT开通，VD2截止，电流经开关IGBT、电抗器和VD1流向负载电解槽.UD＝UD1；UL1＝UD1－UD，IGBT截止，VD2导通续流，UVD2＝0，UL＝－UD.设负载电压不变，不计电阻.

由于ton＜T，输出平均电压UD总小于UD1，所以称之为降压斩波器，通过控制ton来控制输出电压的大小.

由式（1）、（3）得出这种降压模式的极化电源输入三相交流和输出直流的关系为：

控制α即脉冲占空比在0%～90%范围调节时，输出极化直流电压可在0～507V范围，考虑回路阻抗损耗和安全余量，实质可调的极化直流电压约在0～450V.

1.2 极化电源电压在450 V以上的，采用整流－升压斩波模式，此种模式的结构图如图2所示

图2 整流－升压极化电源模式

从图2可分析得出交流输入与极化直流电压输出的数量关系为：

控制α即脉冲占空比在0%～90%范围调节时，输出极化直流电压可在564～5500V范围，考虑回路阻抗损耗、安全余量和实际设计中电感值L1不能过大，实质可调的极化直流电压可控制在450～1000V.

由此可得，不同的极化电压可以选择不同的斩波方式，当电压在450V以下时，可采用整流－降压斩波方式，当电压在450V以上时，可选择整流－升压斩波方式.

2 控制系统设计方案

2.1 控制系统的组成

整个控制系统由通信部分、控制部分、脉冲产生和功率放大部分、操作面板等几大部分组成，各部分功能为：

（1）通信部分：由图2中所示功能部件MCU2完成，主要实现与PLC200的PPI通信，通信信息中包括给定信息、状态信息和报警信息.

（2）控制部分：由功能部件MCU1完成，极化电源有直流电流和直流电压反馈，当电压反馈和电流反馈与给定值有偏差时，MCU运行控制器根据外部稳压或稳流指令进行电压PI调节或电流PI调节，并发出脉冲的开通与关断信号.

（3）脉冲产生和功率放大电路：主要由单稳态触发器、专用PWM脉冲产生芯片TL494完成PWM脉冲的产生；由要驱动400A／1200V级别的大功率IGBT，因此PWM脉冲需要经过功率放大电路，使脉冲的驱动能力满足需求.

（4）操作面板：由汉字显示屏和操作按键组成，主要完成基本信息、报警信息的显示，面板稳流稳压的给定.

（5）整个系统的给定分为给定有三种：操作面板给定、上位机给定、定位器给定，上位机给定由PLC与控制器通过PPI通讯实现.

（6）直流反馈：共有两路，电流反馈和电压反馈，分别用于稳流控制和稳压控制.

图3 控制系统原理图

2.2 控制算法

极化电源电流电压稳定效果主要由控制算法决定，极化电源的工作环境是一个有阻感性负载，系统函数难以确定，对于较复杂控制系统常采用PID控制.PID控制即比例、积分、微分控制，是工业领域系统函数未知情况下广泛应用的一种控制算法，本控制器中采用的是增量式PID算法.增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量Δu（k）.采用增量式算法时，计算机输出的控制量Δu（k）对应的是本次执行机构位置的增量，而不是对应执行机构的实际位置，因此要求执行机构必须具有对控制量增量的累积功能，才能完成对被控对象的控制操作.执行机构的累积功能利用算式u（k）＝u（k－1）＋Δu（k）程序化来完成.

增量式PID控制算式：

式中Δe（k）＝e（k）－e（k－1）

进一步可以改写成：

Δu（k）＝Ae（k）－Be（k－1）＋Ce（k－2）

一般计算机控制系统的采样周期T在选定后就不再改变，所以，一旦确定了Kp、Ti、Td，只要使用前后3次测量的偏差值即可求出控制增量.增量式算法优点：① 算式中不需要累加.控制增量Δu（k）的确定仅与最近3次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果；②计算机每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发生故障时影响范围小、不会严重影响生产过程；③手动－自动切换时冲击小.

3 极化电源系统设计

由于目前国内的电解槽所需的极化电源的直流电压要求绝大部分在450V以下，本文所述的系统设计将采用第一种模式，整个系统包括极化电源控制器、极化电源监测设备、变流主回路设计.

系统框图为：整个极化电源系统有三部分组成：极化电源主回路、极化电源控制器、PLC检测系统，其中检测系统与大功率整流装置共用一套PLC系统.

图4 极化电源系统设计原理图

3.1 极化电源主回路

主要功能是将380V的三相交流变流成极化电源所需的直流电压电流，主要原理及设计方法2.1和2.2部分已做说明.

3.2 极化电源控制器

设计中采用PWM脉冲宽度调制技术，保持脉冲的周期不变，改变脉冲的占空比达到调节输出电压的目的.

整个控制器由通信部分、控制部分、脉冲产生和功率放大部分组成，通信部分实现与检测系统的通信.控制部分实现稳流稳压控制，当电压反馈和电流反馈与给定值有偏差时，MCU运行控制器根据外部稳压或稳流指令进行电压PI调节或电流PI调节，实时改变脉冲的占空比.脉冲产生和功率放大电路主要完成PWM脉冲的产生；通过功率放大电路，使脉冲能满足大功率IGBT驱动的要求.

控制器的启停由PLC监测系统根据DCS控制信号或根据实际运行电流电压值进行控制，控制器接收到启动信号后，通过继电器闭合主回路380V电源，然后根据给定电流电压和实际运行电流电压值进行调节，产生PWM脉冲信号，控制电压电流输出.

3.3 PLC检测系统

设计中PLC检测通常采用与大功率整流装置采用同一系统，这样有利于整个整流系统的统筹，与便于给定、显示、报警和控制等多环节保持与大功率整流器的无缝连接，在极化电源中，PLC主要有两个功能：一是根据DCS的极化启停信号或根据电解槽电流值大小来控制极化电源控制器的启停；二是实时采集极化电源主回路的电流电压、PWM占空比等运行参数和极化电源的报警信号，根据状态信息和报警信号来启停极化电源控制器，并将状态信息和报警信号送DCS.

4 结 论

新型极化电源克服了传统相控整流方式的缺点，主回路采用二极管整流－斩波变流技术方式，使得整个系统变流效率高、功率因数可达到0.95以上，电压和电流额定值调节、安装和使用更方便；控制器采用脉冲宽度调制技术，稳定可靠、响应速度快、稳流稳压精度高，这种极化电源已在天津某化工企业投入使用，运行效果良好，各项性能指标均达到了设计要求.

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