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1、饱和电抗器在铝电解整流供电中的应用摘要：文章介绍了电解铝生产整流供电的特点，简述了饱和电抗器的工作原理，分析了电解铝生产整流供电系统中饱和电抗器调节整流器输出电流的原理，并对稳流系统做了简要介绍。关键词：饱和电抗器 整流器 恒流控制 稳流系统0 引言电能是电解铝生产的重要能源，电解铝生产采用的是直流电，电能成本约占电解铝总成本的30%-40%。当直流电流通过电解槽时，一方面是利用它产生的热能将冰晶石融化成熔融状态，并保持恒定的电解温度；另一方面实现电化学反应，完成铝电解生产过程。铝电解生产供电有以下特点：低电压、大电流的直流电；直流电能生产的连续性；直流电能供给的恒流性。电解槽使用的直流电能通
2、过硅整流装置供给。目前，国内大型整流设备除部分采用引进的可控硅整流装置外，大部分采用多相二极管整流，虽然可靠性高，但是当电网电压波动，或者电解槽发生阳极效应时会引起电解电流变化，电解电流的变化不但会破坏电解稳定的技术条件，而且使电解铝能耗大幅度增加。因此，为降低电解铝的能耗和稳定电解技术条件，采用二极管的整流器必须采取恒流控制的措施。恒定直流电流的调节方式一般为整流变压器有载调压与自饱和电抗器相结合的方式，有载调压为直流电压的粗调，自饱和电抗器为直流电压的细调，它是直流电流恒流控制的主要执行元件，调节直流电压的范围约为5070V。1 饱和电抗器1.1 概述电解铝生产用硅二极管整流装置，当采用饱
3、和电抗器与有载调压分接开关的联合调压方式时，饱和电抗器必须实现以下职能： 在有载调压分接开关的直流级差电压范围内起到细调作用； 减少有载调压分接开关的动作次数，以延长其检修周期和使用寿命，为此饱和电抗器的调压范围应大于有载调压开关的直流级差电压，通常不小于两级差电压，同时也不应小于电解一个阳极效应的电压（40-50V直流电压）； 校正电网电压短时波动所引起的电解直流电流波动； 校正各整流机组之间或同一机组两整流装置之间的负荷分配不均。1.2 工作原理饱和电抗器是利用铁磁物质磁化曲线的非线性和饱和特性，以较小的直流功率来控制较大的交流负载的一种电器，即利用铁磁物质的磁导率不是常数这一特性而工作的
4、。饱和电抗器属于交直流同时磁化的非线性电抗器，与负载串联，用来调节负载的电流和功率，可以把饱和电抗器看成一个可控制的阻抗，但它是非线性的，不能用近似线性的电抗器的概念来解释饱和电抗器。饱和电抗器的基本工作原理是利用直流绕组电流的大小来改变交流电路的电抗。原理如图1，它是一个具有交流绕组和直流绕组的铁芯磁路。当交流电压Ua和交流回路电阻Ra不变时，交流电流Ia与交流线圈La有关：在不计漏磁和铁芯损耗的情况下，线圈的电感量可用下式表示：从上式可知，交流线圈的电感量在一定的磁路L和匝数N下与磁路铁芯的磁导率成正比。改变磁导率就可以改变交流线圈的电感，从而改变电流和电抗器的容量。由于铁磁物质的磁导率不
5、是常数，在正常工作下磁导率随铁芯的饱和而减小，而铁芯饱和程度的变化可以通过改变直流绕组的励磁电流Id来实现。Id增大则铁芯的磁感应强度增大，铁芯接近饱和，磁导率减小，从而电感值减小，交流电流Ia随之增大。由此可见，直流电流的大小可以控制交流输出电流的大小，将直流绕组称为控制绕组，交流绕组称为工作绕组。1.3 调节过程如图2所示，利用饱和电抗器的输出特性，将饱和电抗器的交流工作线圈串接在整流装置的整流臂中，直流控制绕组接控制电源。在不考虑整流变压器漏抗的理想情况下，在t=0时刻以前，整流桥臂D1流过的电流为Id，电抗器BK1工作绕组中的电流为Id，此时电抗器BK1的铁芯处于饱和状态，其磁阻很小可
6、以忽略不计；在t=0时，由于Ua=Ub,则电流Id应瞬时由a相换到b相，但由于饱和电抗器BK3的阻碍作用，使的换相被推迟，其推迟的时间与饱和电抗器BK3的起始状态有关；在t=0时刻以后，由于UbUa，在电压差的作用下，饱和电抗器BK3工作绕组中的电流逐渐增加，激磁作用加大，在t=t1时刻BK3铁芯饱和，磁阻很小，整流桥臂D3完全导通，负载电流Id几乎全部流经BK3的工作绕组，与此同时，电抗器BK1的铁芯在反向电压（Ua-Ub为负）的作用下逐渐去磁，至t=t2时刻电抗器BK1的铁芯恢复到起始状态，整流桥臂D1封闭，电流为零，完成一个换相过程，如图3所示。由此可见，由于饱和电抗器交直流的同时励磁，
7、使得三相整流桥的换相点由t=0时刻延迟到t=t1时刻，改变了整流桥的直流输出电压，达到了调节的目的，其对应角度为称为饱和角，是指BK3铁芯从开始增磁至达到饱和状态的角度，它的大小主要由饱和电抗器铁芯的起始状态来决定，也就是控制绕组中的直流电流的大小来决定，随控制电流大小的变化而变化。电抗器的控制绕组有正偏绕组和负偏绕组两种，在实际应用中通常将正偏绕组称作偏移绕组，而将负偏绕组称作控制绕组。通过电抗器工作绕组的电流方向是固定的，而负偏绕组所加电流的方向与工作绕组的电流方向相反，当控制绕组（负偏绕组）中的电流增加时，饱和电抗器的饱和角增加，三相整流桥的换相延迟加大，整流桥输出直流电压减小，直流电流
8、相应减小。 当电解效应造成电解直流电压升高或电网电压下降，电解直流电流下降时，可以使电抗器的控制电流Ik相应减小，对应的电抗器饱和角减小，三相整流桥的换相角延迟减小，整流装置的输出电压增加，电解直流电流相应增加，起到了自动调节的作用，反之亦然。1.4 正偏绕组的作用 正偏绕组也叫做偏移绕组，主要起到两个作用：一个是增加饱和电抗器的调压深度，另一个是平衡同一整流机组两台整流装置之间的负载。由图4可知，为了更好的利用饱和电抗器的线性工作范围（即为了增加饱和电抗器的饱和深度），增大饱和电抗器的调压范围，可以使图4中的H轴（磁场强度）向下偏移来达到这个目的。我们就把这个增加饱和电抗器调压深度的绕组叫做
9、正偏绕组。在正偏绕组上加入电压Up就可以使饱和电抗器的调压深度增加，此电压叫做偏移电压，绕组中的电流叫做正偏电流。如图5所示，在正偏绕组中通过电流Ip时，横轴将由H移到H位置，即线性区ob段增加，达到了增加调压深度的作用。2 稳流控制系统2.1 单台整流机组稳流控制将整流机组A、B两台饱和电抗器的负偏绕组串联起来，形成控制绕组，其上加控制电压，构成电抗器控制回路，流过的电流为控制电流Ik，Ik用来调节整流装置的输出电流。在A台电抗器的正偏绕组加固定电压，形成正偏电流Ip,以增加电抗器调压深度。在B台电抗器的正偏绕组加可变电压，形成平衡电流，以达到A、B两台整流装置平均分担负荷的目的，防止两装置
10、之间由于负荷分担不均匀而造成的过负荷事故。 稳流控制如图6所示，稳流控制的原理是将整流柜的直流输出电流经电流变换后形成反馈If，与给定电流Ig在PLC中比较后形成一个比较电压，比较电压经PID运算后，控制PLC输出脉冲的占空比，从而改变IGBT的输出电流，也就是控制电流Ik，用来调节整流装置的输出电流。系统的调节过程是：当电解槽发生阳极效应时，槽电压上升，电解电流下降时，由于PID调节器的作用，IGBT的导通角将变小，输出电压降低，饱和电抗器控制电流IK下降，其铁芯的饱和角变小，二极管导通滞后时间变小，整流装置输出电流增加，从而使电解电流达到恒定。 平衡控制平衡控制原理图与稳流控制原理图相同，
11、只是给定信号与反馈信号不同。平衡控制的原理是保持台饱和电抗器的正偏电流不变，将A台整流装置的输出电流做为给定信号，将B台整流装置的输出电流做为反馈信号，在PLC中进行信号比较和PID运算后，控制PLC输出脉冲的占空比，改变IGBT的输出电流，从而控制台饱和电抗器的正偏电流，使A、B台整流装置的输出电流始终保持一致。其调节过程是：当B台整流装置的输出电流大于A台整流装置的输出电流时，PLC控制器中的比较信号电压下降，经PID运算后IGBT的导通角变小，输出电流下降，也就是B台电抗器的正偏电流下降，由于电抗器正偏绕组中的电流方向与工作绕组中的交流电流方向相同，正偏电流的增磁作用减弱，B台电抗器铁芯
12、的饱和角加大，二极管导通滞后时间加长，B台整流装置的输出电流减小，起到平衡A、B台整流装置平均分担负荷的目的。 饱和深度控制将单相整流桥的输出电压加到A台电抗器的正偏绕组，形成固定的偏移电流Ip，从而可使电抗器的动态磁化曲线和动态磁滞回线的横轴向下移，起到增加饱和电抗器调压深度的作用。2.2 电解系列稳流控制一般来说，某个电解系列的直流电流在200KA-500KA之间，通常由几个整流机组并联供电，电解系列总直流电流等于这几个单机组输出电流之和。为了达到稳定系列直流电流的目的和多台整流机组电流调节的同步性，通常设置系列电流稳流总调控制环节，从系列直流电流传感器取反馈信号，反馈至总调PLC与系列设
13、定电流进行比较和PID运算，输出结果做为单机组稳流的分调给定，送至各机组PLC，实现系列稳流控制，起到稳定系列电流的作用。饱和电抗器的控制深度一般为60左右，当其饱和或截止时，电抗器就失去了调节电压的作用，经一定的延时后总调PLC能自动同步调节多台整流机组有载调压开关的升级或降级，从而可以扩大调压范围，使电解系列电流能够在电解阳极效应或电网电压发生较大波动时仍能保持恒定。3 结束语由饱和电抗器为主要执行元件构成的稳流控制系统在需要提供恒定直流电流的行业特别是电解铝行业应用广泛，不仅可以提高电解直流电流的平稳度，而且可以提高电解电流效率，对稳定电解槽的工艺技术条件有重要作用。随着半导体器件和数字电路的发展成熟与应用，稳流系统从最初的模拟电路控制逐步发展到数字式控制，且其逐步具有了扩展功能，可以实现电解槽的离极保护和整流装置的逆流保护，随着科学技术的发展，今后在变电站综合自动化系统中集成稳流系统可能会成为现实。参考文献1付新民，李建勇，郭莉莉. 数字式稳流控制在铝电解整流系统中的应用 有色设备. 2004(5) 2吕崇伟，王 毅. 饱和电抗器原理与特性试验. 电力建设. 2006年1月
