電解鋁穩流系統不穩定的原因探究

黃 峰，殷功合，何洪亮，王丙亮

(河南神火鋁業股份有限公司永城鋁廠，河南永城 476600)

1 前言

隨著電解鋁技術的不斷更新，電解槽的供電電流不斷提高，目前大型預焙電解槽在市場競爭中的優勢逐步體現，因此供電電流的穩定性對電解槽運行的穩定性極為重要，最初的模擬信號穩流系統已逐步淘汰，數字穩流系統廣泛應用于電冶金行業，但是由于其主要以PLC及數字控制單元為控制對象，致使穩流系統的穩定性給眾多廠家帶來了難題。

2 穩流系統的構成和工作原理

ZZX 10整流機組數字穩控柜按其系統功能來分，主要由機組穩流控制系統、機組PLC監控系統兩部分組成。按其結構布置方式分A穩控柜和B穩控柜，其中各柜中均包含有一套位移、控制主回路電路。兩者不同處在于：機組監控PLC及POD操作界面布置于A柜上。ZZX 10整流機組數字穩控柜的系統原理如圖1所示。

3 機組穩流控制系統原理

3.1 機組自飽和電抗器穩流控制原理

大容量整流裝置的自飽和電抗器一般有三種繞組，即：工作繞組（變壓器閥則母排，匝數為1匝）、位移繞組、控制繞組。

在自飽和電抗器穩流調節工作過程中，控制繞組的安匝IkWK與工作、位移繞組的安匝IgWg極性是相反的，即控制繞組的安匝對工作繞組的安匝是助磁作用，而位移繞組的安匝為祛磁作用。

實際穩流調節控制過程中，位移電流Iwy與整流柜工作Id電流關系如圖2所示。

圖2 位移電流Iw y與整流柜工作Id電流關系圖

由圖2可知，位移電流Iw與整流柜工作Id電流呈反比關系，當給位移繞組加一直流電流時，整流柜輸出電流減小；當位移電流增加到一定值時，輸出電流不再變化，飽和電抗器進入極限深控狀態，此電流為位移繞組的臨界工作電流。

控制電流Iwk與整流柜工作Id電流關系如圖3所示。

圖3 控制電流Iw k與整流柜工作Id電流關系圖

由圖3可知，控制電流Ik與整流柜工作Id電流呈正比關系。當給控制繞組加一直流電流時，整流柜輸出電流增加；當控制電流增加到一定值時，輸出電流不再變化，飽和電抗器進入飽和工作狀態，此電流為控制繞組的臨界工作電流。

機組自飽和電抗器穩流控制原理，就是利用自飽和電抗器鐵芯勵磁特性的安匝平衡變換原理，通過調節控制繞組電流Ik改變鐵芯磁密，來調整控制角，達到對整流柜輸出直流進行調壓穩流控制目的。其系統工作原理框圖如圖4所示。

由圖4可以看出，當給位移繞組加一固定直流電流，控制繞組電流與整流器輸出直流電流組成一單閉環控制系統，通過控制繞組的控制電流來調節整流柜的輸出直流電流，從而達到自動穩流的目的。

3.2 機組穩流控制系統構成

我單位使用的九江整流器廠ZZX 10整流機組數字穩控柜的機組穩流控制系統主要由穩流控制主回路及機組穩流控制調節系統兩大部分組成。

3.2.1 穩流控制主回路

每套整流機組的兩臺整流柜各采用一套獨立的自飽和電抗器穩流控制主回路（分別置于A、B穩控柜內），其均包含有位移回路和控制回路。

位移回路是由調壓器、位移電源變壓器、三相整流橋電路、平波電抗器及電壓吸收回路組成。

控制回路是由控制電源變壓器、三相整流橋、IGBT調寬電路、平波電抗器、電壓吸收回路組成。

3.2.2 穩流控制調節系統

JM 820數字穩流控制器，是我廠最新開發的大容量二極管整流裝置飽和電抗器穩流控制系統中的數字穩流控制專用模塊。它集模擬變換采集、數字穩流運算、脈寬調制保護以及遙控、遙信等功能于一體，能獨立輸出PWM高頻信號，控制IGBT回路調節控制電流。它是上一代模擬穩流系統的升級換代產品。

在ZZX 10整流機組數字穩控柜中，對應每套整流機組Y/△側，分別采用由JM 820穩控器構成的兩套完全獨立的數字P I D穩流調節控制系統，由此即可完成Y/△兩側的整流機組飽和電抗器相應控制繞組電流的自動調節控制功能，借以實現整個機組輸出直流電流的數字穩流控制。

JM 820穩控器的所有調試工作和運行控制都是通過數字通訊完成的，模塊上有兩個獨立的通訊口，它們功能設置完全等同，可分別與上位監控PLC和專用LCD界面顯示器相連接通信。

4 穩流系統不穩定的原因

（1）JM 820中P I參數設定不適當，致使輸出電流反映出現緩慢或過快現象，從而導致系列電流輸出的不穩定性，導致輸出電流嚴重偏離給定電流。

（2）部分電氣元件的老化，導致元器件的性能參數發生變化，致使輸出值偏離實際值，導致輸出電流上下波動，偏離給定值。

（3）無功功率補償過補償，實質上是容性無功功率過大了，既然是無功功率過大，無論容性還是感性，都是無功功率，都導致功率因數降低。過補償（容性無功偏大），也可能導致線路發生諧振，致使穩流系統波動大，導致輸出電流不穩定。

（4）槽電壓的波動致使系列電壓的波動，致使系列電流為了達到設定值上下波動，導致輸出電流不穩定。

（5）高壓側系統電壓不穩定，致使變壓器輸出電壓發生變化，從而導致整流柜經橋式整流后的直流波形發生變化，引起系列電流輸出發生變化，導致電流輸出不穩定。

5 防止穩流系統不穩定的措施

（1）對JM 820中P I參數適當設定，一般設置在P參數：24000，P移位：8，I參數：13500，I移位：17。

（2）對電氣線路板進行定期測試，對發生變化的控制板進行及時更換，確保電氣控制板標準設計。

（3）定期測試供電系統的諧波含量，避免過補償，形成線路諧振是，致使穩流系統波動大，導致輸出電流不穩定。

（4）防止電解槽生產參數寬范圍進行修改，以免電解槽生產狀況發生擺動，致使系列電流為了達到設定值上下波動，導致輸出電流不穩定。

6 結束語

河南神火鋁業公司永城鋁廠整流機組在經歷了系列電流不穩定的影響下，致使電解槽生產狀況非常不穩定，給電解生產帶來了非常不利因素。因此穩流系統的運行穩定性對電解生產至關重要，穩流系統的日常維護和定期測試顯得尤為重要。