大功率晶闸管整流装置在电解铝行业的应用

周 鑫

（沈阳铝镁设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110001）

国内早期铝电解整流装置采用调压整流变压器加二极管整流装置，无自动稳流功能，完全靠手动调压进行恒流操作，系统结构简单，但操作复杂，电解效率低。80年代后期引进有载调压变压器配饱和电抗器，此系统自动稳流靠模拟调节，虽有自动稳流效果，但效果并不理想[1]。20世纪90年代，随着可控硅元件电压、电流等级的提高，国内电解铝行业开始用晶闸管整流装置弥补二极管整流装置的缺陷。本文重点介绍晶闸管整流装置在电解铝行业的优势，详细说明晶闸管整流装置在电解铝行业中的应用情况[2]。

1 晶闸管整流装置的优势

1.1 成本优势

二极管整流装置多采用多级有载开关（95级以上）粗调配饱和电抗器细调达到电流调节及稳流效果。而晶闸管整流装置常采用少级有载开关（54级或79级）调压配合晶闸管移相角调节以达到稳流效果[3]。

在同样等级条件下，晶闸管整流装置成本要比二极管整流装置成本高，但从整套系统看，恰恰相反[4]。二极管整流的整流变压器需另配饱和电抗器且有载调压开关级数较多；而晶闸管整流的整流变压器则可省去饱和电抗器，同时有载调压级数相对减少，对应整流变压器的硬件投资成本降低，从整套系统硬件成本分析晶闸管整流装置还是略有优势。

1.2 节能降耗优势

在三相桥式整流器中，晶闸管整流器输出的直流电压与整流器阀侧电压成正比，与控制角成反比。计算公式如下：

式中：U1-阀侧交流电压；U2-电解直流电压；α-控制角

结论：当阀侧电压一定时，控制角α越小，晶闸管整流器输出的直流电压越大。生产中，在保证晶闸管整流器输出直流电压恒定的情况下，可通过降低控制角来弥补阀侧电压的降低，而阀侧电压的降低由调压变压器有载开关挡位来实现。有载开关挡位越低，损耗越小，整流效率越好，从而实现大容量变压器长时间在较小损耗工况运行。

另外，在大容量变压器长期运行中，通过拉格朗日乘数法来分配每个机组的负载电流，结合工况改变调压变压器档位和控制角，也可有效提高整流系统的整流效率。

1.3 安全性能优势

当前电解铝行业大多采用二极管整流装置，当出现设备运行故障时，只能依靠高压断路器跳闸进行保护。一旦高压开关保护失控，故障就无法终止。

例如国内某铝厂的整流变压器重瓦斯故障，碰巧当时高压断路器操作机构失灵，导致断路器无法断开，即使装置发出跳闸信号高压开关也无法动作，整流机组继续运行，最终导致整流变压器爆炸起火。假如采用晶闸管整流装置就会避免事故恶化，晶闸管整流装置可以瞬间关断元件脉冲让整流器输出电流为零，遏制事故扩散。

晶闸管整流装置还具备高压断路器保护功能。当整流装置出现母排过热报警时，二极管整流装置只能发出跳闸信号，此刻整流变压器处于高负荷运行状态，突然甩负荷对高压断路器冲击较大，影响高压断路器寿命。而晶闸管可先执行降电流命令，然后封锁脉冲，使输出电流完全为零，最后进行高压断路器跳闸。既保护整流系统安全，又减少高压断路器损伤，能有效延长断路器寿命。

2 电解铝晶闸管整流装置的设计

电解铝整流装置维护极其重要，二极管稳流控制系统多是单套设计，一旦损坏，只能放弃稳流功能。而在晶闸管整流装置中，稳流系统常按两套冗余设计，可实现带负荷无扰动切换。目前晶闸管控制系统日益成熟，完全实现了数字化、模块化，且维护方便，解决了晶闸管维护时影响生产等问题。

2.1 整流装置控制系统的设计理念与维护

晶闸管整流控制系统是整流装置的核心，以晶闸管数字稳流控制器为核心单元的系统特点如下：

2.1.1 稳流控制系统

采用独立的全数字双通道系统，构成冗余热备用设计。仅需其中一个数控器在线工作正常，即可确保晶闸管整流机组直流供电，保证了直流供电的可靠性。

由数控器构成的稳流控制系统，可实现系统内外故障自诊断智能化保护处理及维修故障信息提示。

完成最大机组过流限制与保护，触发电压及脉冲功放故障监控及保护，双稳流通道全自动热备用监控切换等智能化保护处理功能。采用智能逻辑判断，自动选择最佳直流电流调整模式及最佳有载开关操作动作配合使机组达到最佳运行效果。

2.1.2 在线器件更换维护方便

多层次冗余系统备份设计，可满足在晶闸管整流机组供电不中断的情况下，在线维修更换系统中的全部任一模块及器件。并由系统自动识别判断，实现系统参数主备自动复制。

2.2 整流装置的设计理念与维护

晶闸管整流装置需设计合理、结构新颖、技术先进，为电解铝行业提供稳定、可靠的直流供电。

2.2.1 良好均流系数

晶闸管元件的选择不仅要求在ITAV和VDRM/VRRM进行匹配，还要对晶闸管的触发电流IGT的大小和通态压降VT的分散性、元件结温等方面进行匹配，来保证机组良好的均流系数。并在每个元件加上均流电抗器，强迫均流，保证均流效果持久性。

2.2.2 整流柜绝缘隔离

在相间、臂间及层间装有绝缘隔板，避免元件故障引起相间臂间拉弧。

2.2.3 脉冲模块安全等级高

每个单元脉冲模块严格执行耐高压检测，保证脉冲模块安全可靠运行。触发脉冲从稳流控制器至整流柜内脉冲模块具有三道隔离防护措施，可有效防止整流柜内高压反串至稳流控制器，确保稳流控制器安全。

3 在铝厂中的应用实例

某铝厂整流所为400KA整流装置，系列直流电压为1000V。系统采用6套晶闸管整流装置，每套整流装置直流输出电流90KA，其设计参数如下：

（式中ΣP—整流柜总损耗）。

每套整流装置采用数字化智能控制器，既能独立完成自身的控制、调节、管理功能，又能相互之间进行通讯，实现了集中、协调的统一管理。晶闸管整流装置智能控制系统，采用独立的电流小闭环控制，具有优越的稳流性能，即使发生多个阳极效应，其动态稳流精度仍可达到0.1%。经现场实践，晶闸管整流装置运行安全稳定，维护方便、显著提高了电解铝生产效率，为铝厂带来了可观的经济效益。

4 结语

晶闸管整流装置通过改变导通角来改变输出电流，其响应速度快，具有较高的动态稳流精度。由于采用全数字化智能控制系统，提高了整流装置的可靠性，使整流装置的结构简化、维修方便、均流系数提高、节能效果显著。