等效48脉波电解电源分析

张 俊

(大冶有色金属有限责任公司冶炼厂，湖北 黄石 435005；有色金属冶金与循环利用湖北省重点实验室， 湖北 黄石 435005)

设备及自动化

等效48脉波电解电源分析

张 俊

(大冶有色金属有限责任公司冶炼厂，湖北 黄石 435005；有色金属冶金与循环利用湖北省重点实验室， 湖北 黄石 435005)

大冶有色金属有限责任公司30万t铜加工清洁生产示范项目中，采用了等效48脉波电解电源。本文介绍了该电解电源的工作原理，以及在整流变压器与整流柜连接方式，直流稳流和谐波抑制等方面采取的技术措施。实践证明，该电源具有良好的谐波抑制和稳定的直流输出等特点。

电解电源； 等效48脉波； 谐波抑制； 直流稳流

0 引言

在铜电解精炼中，电解电源是为电解铜生产提供直流电能的电气装置，它将交流电能转变为直流电能，为电解精炼生产供电。在铜电解车间，为提高电源效率，采用多个电解槽串联供电的方法，即将若干个电解槽串联成为一个系统，由一个电解电源向该串联电解槽系列供电。电解电源的特点是大容量、大电流和中低电压。目前常用的电解电源按电路结构分，主要有二极管整流器和晶闸管整流器两种[1]。由于晶闸管电解电源具有高效率、高可靠性、负载电流稳定和利于工艺控制等优点，其得到了广泛应用。

1 电解电源组成及技术参数

在铜电解电源中，小容量电源采用6脉波双反星形带平衡电抗器式整流器或三相桥式整流器。大容量电解电源大多采用多重并联式12脉波、24脉波或更高脉波整流电路，以提高电源电流容量，减少电流谐波[1]。

大冶有色金属有限责任公司30万t铜加工清洁生产示范项目(以下简称大冶冶炼厂30万t铜项目)中，铜电解电源由4套整流机组组成，分列于引自110 kV总降压站的两段10 kV母线上。每套机组经整流变压器移相后形成等效12脉波整流电路，同段母线上2套机组构成等效24脉波整流电路，而整个电解电源构成等效48脉波整流电路。该等效48脉波电解电源系统结构如图1所示。

电解电源主要由整流变压器、整流装置、控制柜、冷却器和监控系统等组成。大冶冶炼厂30万t铜项目中使用的整流变压器主要技术参数如下：

(1)网侧额定容量：7 865 kVA

(2)阀侧额定容量：11 143 kVA

(3)网侧额定电压：10 kV

(4)网侧额定电流：454.1 A

(5)阀侧额定相电压：238 V

(6)网侧额定相电流：4×3 902 A

(7)调变输出电流：279.2 A

(8)额定直流电压：248 V

(9)额定直流电流：2×13 500 A

(10)整流方式：双反星形带平衡电抗器

(11)冷却方式：OFAF

(12)移相电角：-26.25°，+3.75°；-11.25°，+18.75°；-3.75°，+26.25°；-18.75°，+11.25°

图1 等效48脉波电解电源

整流器主要技术参数如下：

(1)额定直流电压：248 V

(2)额定直流电流：2×13 500 A

(3)接线方式：双反星形晶闸管整流

(4)调压方式：整流变压器有载分接开关粗调，晶闸管相控细调

(5)效率：大于99%

(6)稳流偏差：小于±0.5%

(7)冷却方式：强迫水循环水冷

1.1 整流变压器

大冶冶炼厂30万t铜项目中，组成电解电源的各套整流机组所采用的整流变压器是调压变压器与整流变压器组合而成的单器身有载调压整流变压器，其接线原理如图2所示。

图2 调压整流变压器接线

调压整流变压器油箱结构为桶式油箱，其高压套管在箱盖上引出，而阀侧套管在箱壁侧面上安装，采用非同相逆并联方式布置。调压整流变压器本体包括3组独立铁心，分别为1组有载调压变压器铁心和2组整流变压器铁心；本体内部装配1组自耦有载调压变压器及有载分接开关和2组整流变压器。调压变压器接线方式为升压自耦接线方式，而调压方式则采用正反调压方式。整流变压器一次绕组接线方式为延边三角形移相接线方式，而二次绕组接线方式为双反星形带平衡电抗器接线方式。

1.2 整流装置

大冶冶炼厂30万t铜项目中，组成电解电源的各套整流机组所采用的整流装置主电路连接形式为两组双反星形晶闸管整流电路并联。每套机组的整流装置形成等效12脉波整流电路，四套机组的整流装置组成等效48脉波整流电路。

单台整流装置交流进线为柜侧面分上中下进线，与整流变压器阀侧出线高度相对应，连接母线实现最短距离直排连接，整流出线为柜顶两组引出。

1.3 控制系统

大冶冶炼厂30万t铜项目中，控制柜主要由PLC、直流控制装置和触摸屏等组成。PLC主要对整流装置和冷却器等设备的模拟信号和数字信号进行处理，实现整流装置和冷却器等设备连锁控制及保护并输出报警或跳闸信号。直流控制装置是整流装置的核心控制器，每套机组整流装置配置4台直流控制装置，2台作为主控制器，2台作为从控制器，其中的1台主控制器和1台从控制器互为备用。直流控制装置实现直流稳流控制、热备用通道控制和触发脉冲形成等功能。触摸屏实现整流装置和冷却器等设备的直流电压、直流电流和触发角等各种参数的显示及历史记录，是整流装置和冷却器等设备运行状态及故障报警信息的显示平台。

2 主要技术特点分析

2.1 非同相逆并联

在大功率整流设备中，整流变压器与整流柜的连接方式主要有同相逆并联和非同相逆并联等两种。所谓同相逆并联是将同一相的整流元件分成两个电流相反的并联支路，这两个支路的引线相邻布置。采用同相逆并联接线将电流往复的导体接近配置，使之产生的磁场相互抵消，从而解决局部过热等问题。但它所带来的问题也很明显，如整流柜体和整流变压器结构复杂等。大冶冶炼厂30万t铜项目中，整流变压器与整流柜的连接则采用了非同相逆并联接线，如图3所示。

图3 非同相逆并联接线

非同相逆并联有别于同相逆并联的双桥接线结构，采用传统的单桥接线结构。非同相逆并联接线方式使得整流变压器阀侧出线轴对称布置，整流装置的交流进线合理布置，有效地改善了沿长度方向的磁场分布，提高了支路元件之间的电流均衡度，降低了引线电抗和磁场损耗。同时，采用非同相逆并联结构，也使得整流变压器和整流柜的局部结构设计简单。调压整流变压器阀侧套管在箱壁侧面上引出，整流柜侧面进线，分上下排列。整流装置直接安装在整流变压器的侧面。结构上的特殊设计，使得整流变压器至整流柜的交流连接铜排大大缩短，既节省了一次投资费用，又降低了整流设备的损耗，提高了整流效率。

2.2 直流稳流

整流机组输出直流稳流是通过调节其输出直流电压来实现的。大冶冶炼厂30万t铜项目中，每套整流机组利用有载调压变压器和晶闸管联合自动调压，这种调压方式运用调压整流变压器有载分接开关有载有级调压粗调和晶闸管相控调压细调相结合。

大冶冶炼厂30万t铜项目中，每套整流机组控制柜均设有电流闭环调节系统，采用电流负反馈单闭环控制方式，通过对晶闸管触发角的控制，实现输出直流电压的快速变化，从而实现该机组输出直流电流的快速稳定和精确控制。电网电压或负载等的扰动所引起的系列电流变化，均可通过迅速调节输出电压而保持系列电流的稳定。调节电路为电流闭环PI调节，可实现直流输出电流的连续、平滑和精确调节控制。该调节系统静态误差为零，动态超调小于0.2%。

系统工作时，直流控制装置比较电流给定信号UA和由电流传感器检测到的输出直流电流反馈信号UB，将其偏差进行PI调节运算。当系统扰动如电网电压或负载大小发生变化时，输出电流Id随之波动，电流反馈信号UB随着变化，经PI调节运算，使直流控制装置输出脉冲的相位(即触发角α)相应地改变，输出直流电压也相应变化，从而达到调整直流输出电流、实现闭环自动稳流的目的。图4为整流系统结构框图。

图4 整流系统结构框图

当触发角α超出设定范围时，自动运行状态下，调压整流变压器可自动升(或降)有载分接开关档位调节输出交流电压，以使系统运行于最佳工作状态；而手动运行状态下，触发角α以设定的上限或下限值，通过PLC发出整流变压器升(或降)档提示信号。

2.3 谐波分析

大冶冶炼厂30万t铜项目中，等效48脉波电解电源分别向2个电解槽系列供电。因而对于每个电解系列而言，其电解电源为等效24脉波电解电源。现对同段母线上2套整流机组整流装置构成的等效24脉波整流装置输出直流电压进行谐波分析。

当整流装置输入相电压有效值为U2L时，m脉波整流装置输出直流电压的傅立叶级数分解式为

k=1,2,3,…

(1)

根据式(1)可以得出，大冶冶炼厂30万t铜项目中，同段母线上2套整流机组整流装置构成的等效24脉波整流装置输出直流电压表达式如下式所示，此时取m=24：

(2)

由式(2)可以得出24脉波整流装置输出直流电压的纹波系数为0.002 6。等效24脉波整流装置输出直流电压比较平直，其谐波成分可以忽略。

3 结语

大冶冶炼厂30万t铜项目中的等效48脉波电解电源2012年投入运行至今，运行状况良好。电解电源作为铜电解关键设备，安全连续运行至关重要。采用等效48脉波电解电源，提高了电解电源的可靠性，电流谐波含量降低，减少了对电网的污染。

[1] 《电气工程师手册》编辑委员会.电气工程师手册[M].北京：中国电力出版社，2008．

Equivalent48-pulseelectrolyticpoweranalysis

ZHANG Jun

The copper electrolysis of the 300,000 t copper processing and clean production demonstration project of Daye Nonferrous Metal Co., Ltd. adopts the equivalent 48-pulse electrolytic power source. This paper introduces the working principle of the electrolytic power supply, the technical measures taken in the connection between the rectifier transformer and rectifier cabinet, DC steady current and harmonic suppression. Practice has proved that the power supply has good harmonic suppression and stable DC output characteristics.

electrolytic power; equivalent 48 pulse; harmonic suppression; DC steady current

TF811

B

1672-6103(2017)06-0033-04

张 俊(1982— )， 男， 湖北武汉人， 硕士， 高级工程师， 从事有色金属冶炼设备电气技术和管理工作。

2017-02-20