侯豐

摘 要：針對(duì)目前大功率整流器的使用情況，本文首先對(duì)均流進(jìn)行簡(jiǎn)述，然后探討影響大功率整流器多個(gè)支路并聯(lián)的均流的因素，最后提出解決辦法，以期為相關(guān)學(xué)者的研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：均流;大功率整流器;多支路并聯(lián)

中圖分類號(hào)：TM461 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）13-0138-04

Abstract： In view of the current situation of high-power rectifier， this paper first gave a brief description of current sharing， then discussed the factors affecting the current sharing of multiple branches of high-power rectifier in parallel， and finally put forward solutions， with a view to providing reference for the research of relevant scholars.

Keywords： current sharing;high power rectifier;multi-branch parallel connection

1 研究背景

整流系統(tǒng)主要由整流變壓器、濾波器、整流柜等裝置組成。其中，整流變壓器的損耗在整流系統(tǒng)部件中占有很大一部分;整流柜中的電力電子器件是整個(gè)整流系統(tǒng)的核心部件。目前，國(guó)內(nèi)外大功率整流系統(tǒng)大多采用二極管、晶閘管作為整流元件。半導(dǎo)體二極管的出現(xiàn)開(kāi)辟了能量變換的新方式，由其構(gòu)成的整流系統(tǒng)具有諧波小的優(yōu)點(diǎn)，但二極管的開(kāi)通與斷開(kāi)不能控制。隨著晶閘管的出現(xiàn)，以晶閘管為代表的整流技術(shù)具有調(diào)壓范圍廣、精度高、可靠、高效率以及控制靈活、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，并且在相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。近年來(lái)，GTR、GTO、MOSFET和IGBT等這些大功率可關(guān)斷器件，在整流系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，具有控制靈活、諧波減小等優(yōu)點(diǎn)。但是，目前可關(guān)斷器件的價(jià)格、電路復(fù)雜、產(chǎn)生高次諧波、耐壓等級(jí)、容量等因素限制了晶閘管在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用。

目前，晶閘管整流在我國(guó)電解領(lǐng)域占有主導(dǎo)地位。大功率整流系統(tǒng)在電解化工行業(yè)大多應(yīng)用多重化技術(shù)，基于新型整流變壓器的整流系統(tǒng)不僅可以減少整流系統(tǒng)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的諧波污染，而且還可以減小輸出的電壓和電流畸變率。在大電流工業(yè)應(yīng)用中，晶閘管相控整流器是最常用的技術(shù)。晶閘管整流器效率較高，約為97%[1-3]。晶閘管整流器的主要優(yōu)勢(shì)是高效率、高可靠性、負(fù)載電流控制得好、成本低和技術(shù)成熟。由于電解工藝不斷進(jìn)步，大規(guī)模電解槽需要的直流電流從幾十千安到幾百千安不等，整流系統(tǒng)采用大功率多機(jī)組并聯(lián)的方式為電解槽提供電源，單臺(tái)6脈波晶閘管整流柜的電流最高達(dá)到幾十千安，二極管整流柜的電流甚至更高。當(dāng)整流柜的電流要求達(dá)到一定值時(shí)，由于器件容量等原因，需要多個(gè)整流元件并聯(lián)供電才能滿足要求。整流元件并聯(lián)使用過(guò)程中，每個(gè)支路的均流問(wèn)題嚴(yán)重影響整流器的安全運(yùn)行。本文從器件、布局、脈沖觸方多個(gè)影響均流的方面進(jìn)行分析，針對(duì)晶閘管整流器多支路并聯(lián)均流方式進(jìn)行探討，提高均流水平，為整流器的安全運(yùn)行提供幫助。

2 均流介紹

為了滿足電化學(xué)工業(yè)所需直流大電流的要求，在設(shè)計(jì)制造中都采用大功率硅（可控硅）整流器，在一個(gè)橋臂上并聯(lián)多個(gè)元件，增大單個(gè)整流器直流輸出電流，整流側(cè)采用多臺(tái)整流器并聯(lián)運(yùn)行的方式向生產(chǎn)提供足夠的系列大電流。為提高整流器的運(yùn)行效率、減少各環(huán)節(jié)的功率損耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗作用，必須提高對(duì)整流器均流系數(shù)的要求。

2.1 均流系數(shù)

從圖3可知，各支路在導(dǎo)通期間，由于受磁場(chǎng)的影響，在開(kāi)通時(shí)兩端的整流元件上升快，中間的整流元件上升慢。開(kāi)通后一段時(shí)間，所有支路元件的電流趨于平衡。

3.4 整流橋橋臂間互感

在大功率整流中，三相橋式整流電路由6個(gè)整流橋臂構(gòu)成，三相相A、B、C各有一個(gè)正橋臂和負(fù)橋臂。由于整流柜空間的限制，整流橋臂布局在一個(gè)柜內(nèi)，橋臂間和橋臂支路間的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生互相干擾。如圖4所示，橋臂的導(dǎo)通順序?yàn)?-2-3-4-5-6-1循環(huán)，任一時(shí)刻都有兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。如圖5所示，起始時(shí)刻為6-1同時(shí)導(dǎo)通，在1導(dǎo)通的中間時(shí)刻，6和2換相，變?yōu)?-2導(dǎo)通;在2的中間時(shí)刻，1和3換相，變?yōu)?-3導(dǎo)通，以此類推順序循環(huán)導(dǎo)通。以1號(hào)橋臂來(lái)分析，其導(dǎo)通的前一半時(shí)間是1-6號(hào)橋臂共同導(dǎo)通，后一半時(shí)間是2-3號(hào)橋臂共同導(dǎo)通。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，6號(hào)橋臂靠近1號(hào)橋臂，而2號(hào)橋臂遠(yuǎn)離1號(hào)橋臂，因此，導(dǎo)通的前半部分受6號(hào)橋臂的磁場(chǎng)影響大，而導(dǎo)通的后半部分受2號(hào)橋臂的影響小。這種情況對(duì)中間的四個(gè)橋臂2-3-6-1影響基本相同，而對(duì)靠近兩側(cè)的橋臂5-4則影響很小。這種情況會(huì)造成中間四個(gè)橋臂導(dǎo)通時(shí)前半部分和后半部分電流不一致。

3.5 晶閘管的脈沖

對(duì)于晶閘管整流器，各支路晶閘管的脈沖一致性、脈沖功率、脈沖前沿上升率和晶閘乏怕門(mén)極參數(shù)一致性會(huì)對(duì)晶閘管的開(kāi)通一致性產(chǎn)生影響。

3.6 其他因素

3.6.1 交流側(cè)進(jìn)線排和直流側(cè)匯流母排的影響。以下進(jìn)上出為例，交流側(cè)進(jìn)線磁場(chǎng)會(huì)對(duì)整流臂下部的整流支路產(chǎn)生影響，直流側(cè)匯流母排的磁場(chǎng)會(huì)對(duì)整流臂上部的整流支路產(chǎn)生影響。對(duì)于交流側(cè)采用銅排互聯(lián)的整流橋，由于其銅排明顯呈現(xiàn)阻性，即電阻遠(yuǎn)大于電感，所以可以根據(jù)改變銅排的電阻來(lái)達(dá)到均流的目的。比如，通過(guò)在銅排上打孔的方式改變電阻的均流方式。

3.6.2 直流匯流母排的匯流方式的影響。側(cè)部出線的整流器匯流母線電流由內(nèi)側(cè)向外側(cè)電流逐步增大，中間出線的整流器匯流母線由兩側(cè)向中間電流逐步增大，因此，匯流母線電流磁場(chǎng)對(duì)每個(gè)橋臂的影響不一致，會(huì)造成橋臂間電流的不一致，對(duì)每個(gè)橋臂的上部元件的影響也不一致，從而影響橋臂上支路的均流。

4 提高均流系數(shù)的方法

4.1 整流元件參數(shù)的篩選

對(duì)于影響均流的整流元件參數(shù)整流管門(mén)檻電壓[VTo]和整流管斜坡電阻[rT]，廠家在出廠時(shí)提供的是在125℃溫度條件和一定通態(tài)電流條件測(cè)量的通態(tài)壓降[VTM]，不能完全反映電流上升的動(dòng)態(tài)壓降變化曲線，也不能反映溫度變化條件下的通態(tài)壓降，因?yàn)樵谶\(yùn)用中往往不會(huì)應(yīng)用在額定最大溫度條件下。因此，在大功率多支路并聯(lián)條件下，應(yīng)要求廠家提供兩點(diǎn)以上電流條件和三點(diǎn)溫度條件下的管壓降，根據(jù)這些條件下的通態(tài)壓降[VTM]進(jìn)行匹配，使每個(gè)橋臂并聯(lián)支路的整流元件通態(tài)壓降[VTM]具有一致性。此外，也要注意每個(gè)整流元件的反向恢復(fù)電荷[Qrr]不要偏差太大，該參數(shù)影響整流元件的關(guān)斷時(shí)間。

4.2 整流支路器件的工藝一致性

整流器中可控硅是構(gòu)成整流支路的關(guān)鍵器件。元件的好壞與橋臂均流系數(shù)的提高有很大的關(guān)系，與其自身壽命長(zhǎng)短也有較大關(guān)聯(lián)。同時(shí)，整流支路中要選用電阻一致性好的快速熔斷器，整流元件的散熱器和支路連接排的工藝一致性要好，要對(duì)安裝過(guò)程中各個(gè)部件螺栓扭力進(jìn)行一致性要求，在選擇時(shí)注意元件性能的穩(wěn)定，整流橋元件均流調(diào)整后，能夠長(zhǎng)期維持理想均流狀態(tài)運(yùn)行。另外，采購(gòu)?fù)慌蔚脑材芴岣呦到y(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

4.3 整流橋臂支路的阻抗均流

通過(guò)分析整流橋臂磁場(chǎng)對(duì)均流的影響，可以得出兩端的整流元件電流大于中間的整流元件電流，可以采用調(diào)整整流支路感抗的方式來(lái)觖決此問(wèn)題，對(duì)整流支路的連接排采用彎曲制作，并加大兩端的支路連接排彎曲路徑，以增加感抗，從而起到調(diào)節(jié)均流的作用。

4.4 整流柜的布局

對(duì)于整流橋臂磁場(chǎng)影響和相間磁場(chǎng)影響，采用綜短交流橋臂和直流橋臂以減小交鏈磁場(chǎng)的影響，采用增大橋臂間距以減小相間磁場(chǎng)的影響。

對(duì)于交流排和直流匯流排的磁場(chǎng)影響，可增大交流排和匯流母排與整流橋臂的距離[7-9]。

4.5 同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

對(duì)于可以采用同相逆并聯(lián)的整流器，采用同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)，使其整流臂靠近安裝，可以使同相逆并聯(lián)每個(gè)橋臂內(nèi)部的磁場(chǎng)相互抵消，從而不對(duì)周邊的整流產(chǎn)生影響，對(duì)相間均流和橋臂均流都有較大好處。

4.6 觸發(fā)脈沖的保障

對(duì)脈沖波形電路選用響應(yīng)速度快的器件，使脈沖前沿徒。對(duì)每個(gè)脈沖回路的器件一致進(jìn)行檢測(cè)，使每個(gè)晶閘管上的脈沖波形一致性較好，脈沖功率能夠滿足開(kāi)通要求;選取門(mén)極特性一致性好的晶閘管，使晶閘管的開(kāi)通一致性好。

5 結(jié)語(yǔ)

大功率整流器的均流對(duì)安全運(yùn)行具有非常重要的影響。影響均流的因素較多，提高均流系數(shù)要從整流柜工作條件、成本、器件、結(jié)構(gòu)和控制等各方面綜合考慮，應(yīng)在整流器出廠和運(yùn)行中對(duì)各支路均流進(jìn)行定期測(cè)量，增強(qiáng)運(yùn)行和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，保障整流柜的均流水平和安全運(yùn)行。

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