一種極化電源裝置的研制

摘要：介紹了一種極化電源裝置，主要應用于離子膜、電解槽的陽極保護領域，采用AC-DC-AC-DC的PWM變流方式，包括主電路部分和控制系統部分，其中，主電路采用三相AC380 V輸入，首先通過三相整流橋模塊輸出直流電，然后經直流濾波電容輸出低紋波高質量的直流電，再經過單相逆變器逆變成單相交流電，通過高頻變壓器變壓后輸出交流電，最后經過單相全波整流輸出高頻直流電。相對于傳統的相控整流方式，該極化電源裝置采用IGBT作為開關器件，具有開關頻率高、損耗小、諧波少、變流效率及功率因數高等優勢，功率因數可達0.97以上。另外，該裝置采用全數字化設計，具有實時通信功能，從而提高了裝置的控制精度，改善了系統的動態性能和操作性能，保障了系統運行的穩定性。

關鍵詞：極化電源;三相整流橋;直流濾波;全橋逆變;高頻變壓器;二極管

中圖分類號：TM461? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）03-0025-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.03.007

1? ? 技術領域

本文介紹了一種極化電源裝置，主要應用于離子膜、電解槽的電極保護，具體是在冶金、化工行業使用500 A以上整流器的電解槽中用于短期停車保護。

2? ? 背景技術

鹽化工行業電解槽的電極保護采用極化電源，一般電流從幾十安培到幾百安培不等。當大功率主整流系統一次側停電或突發故障停運時，極化整流系統需投入運行，電解槽檢修或停電時也會投入極化整流系統。極化電源的主要作用是向電解槽提供一定的直流電，阻止電極向外放電，保護電解槽電極鍍層不脫落，提高電解槽電極的電流效率并延長其使用壽命。

鹽化工行業對極化整流系統的質量要求較高，需供給電解槽穩定的直流電流/電壓，自動穩流精度±0.5%，一旦投入，電流/電壓要馬上達到額定值，要求時間短、過沖小。同時還必須減少設備運行過程中產生的諧波，提高整流設備的安全性、可靠性，這就需要一種極化電源的控制裝置，以保證產品質量與精度。而目前大部分廠家電解槽的極化電源都在300 A以下，整流電路通過晶閘管模塊相控整流方式實現，該方式的無功損耗和諧波分量很大，功率因數低，這在晶閘管深控時尤為明顯。

3? ? 新型極化電源裝置的研制

為了克服上述缺陷，本文提出了一種新型極化電源裝置，以大功率高頻電源作為極化電源，采用AC-DC-

AC-DC變流模式，主電路部分采用二極管全橋整流和IGBT全橋逆變，控制部分采用雙CPU結構，系統運行穩定可靠、維護方便。

3.1? ? 主電路

該極化電源裝置主電路如圖1所示，包括三相整流橋電路、直流濾波電路、全橋逆變電路、高頻變壓器和二極管整流電路。

三相整流橋是由圖1中DT1所示的二極管三相整流橋模塊完成的，輸入三相交流380 V經過DT1整流后輸出500 V左右直流。

直流濾波由圖1中C1所示的電容完成，C1并聯在主回路（即主電路的主要回路）中，經DT1整流后的直流電壓含有很多紋波，經C1濾波后可變成平滑的直流電壓。

全橋逆變是由圖1中VT1、VT2、VT3、VT4所示的IGBT完成的，VT1、VT4一組，VT2、VT3一組，這兩組導通和關斷是互補的，即交替開通和關斷。如一個周期內，VT1、VT4導通時，VT2、VT3關斷;VT2、VT3導通時，VT1、VT4關斷。

高頻變壓器如圖1中T1所示，經全橋逆變后的高頻交流電，經T1升壓或降壓到需要的高頻交流電壓值。

二極管整流由圖1中D1、D2所示的肖特基二極管完成，其特征在于經高頻變壓器輸出的高頻交流電，分別經D1、D2整流后輸出高頻直流電。

肖特基二極管D1，R1和C2為其阻容吸收電路，主要作用是消減由于漏感產生的反峰電壓。

肖特基二極管D2，R2和C3為其阻容吸收電路，主要作用是消減由于漏感產生的反峰電壓。

該極化電源裝置主電路還包括圖1所示的交流電流傳感器SC1、直流電流傳感器SC2、霍爾電壓傳感器SV1。其特征在于交流電流傳感器SC1為穿孔式電流傳感器，用于測量三相交流電壓的進線電流;直流電流傳感器SC2為穿孔式電流傳感器，用于測量輸出的直流電流;霍爾電壓傳感器SV1并聯在輸出正極和輸出負極之間，用于測量輸出的直流電壓。

3.2? ? 控制系統

該極化電源裝置控制系統部分包括控制電路、脈沖產生和功率放大電路、通信電路、反饋電路、操作面板。控制系統為現有技術，具體如圖2所示。

通信電路由圖2中所示功能部件MCU2完成，其主要實現與PLC200的PPI通信，通信信息中包括給定信息、狀態信息和報警信息等。

控制電路由圖2中所示功能部件MCU1完成，極化電源由直流電流和直流電壓反饋，當電壓反饋和電流反饋與給定值有偏差時，MCU控制器根據外部穩壓或穩流指令進行電壓PI調節或電流PI調節，并發出脈沖的開通與關斷信號。

脈沖產生和功率放大電路，其主要由專用PWM脈沖產生芯片TL494完成PWM脈沖的產生，然后經過功率放大電路驅動400 A/1 200 V級別的大功率IGBT。

操作面板由漢字顯示屏和操作按鍵組成，主要完成基本信息、報警信息的顯示以及面板穩流穩壓的給定。

反饋電路共有三路，即直流電流反饋、直流電壓反饋、交流電流反饋，三路反饋都送給操作面板顯示，其中，直流電流反饋、直流電壓反饋還分別用于穩流控制和穩壓控制。

控制系統的給定有三種：操作面板給定、上位機給定、電位器給定，上位機給定由PLC與控制器通過PPI通信實現，三種給定采用的是兼容模式，可以同時工作。

4? ? 裝置的安裝、使用及故障排除

該系統自2012年起在出口俄羅斯、法國、比利時等的氯堿項目中使用情況良好，因其體積小、易安裝、方便操作等特點受到用戶廣泛好評。

裝置安裝注意事項如下：控制部分進出線采用電纜或穿管絕緣導線與變壓器或低壓饋電架空線連接;所有外部連接電纜均通過穿墻板進入柜內;交流互感器連接控制電纜不小于2.5 mm2，其他信號控制電纜不小于1.0 mm2，保護接地導線最小截面積為10 mm2，柜體外接地導線最小截面積為25 mm2;要求接線編號清晰、準確，對號入座，接頭緊固可靠。

脈沖線連接時需注意對應其變壓器出線;與整流變壓器、高壓柜之間的保護信號連線，應在其生產廠家的配合下按要求完成;穿線管道要固定，管頭進行防水處理，多余導線進行綁扎，電纜頭進行防水、防潮處理;檢查各接線是否正確、牢固;高壓和低壓電纜應分開安裝。

裝置運行步驟如下。

4.1? ? 送電前準備工作

（1）檢查裝置內部有無雜物，有則清除雜物;

（2）將電流電位器給定清零;

（3）檢查啟動開關是否在停止位置。

4.2? ? 送電步驟

（1）接通主回路進線電源，確認面板上的指示燈亮;

（2）接通極化柜進線電源，確認面板上的指示燈亮;

（3）本/遠控開關切換到“Local”位置為本控啟/停極化;

（4）本/遠控開關切換到“Remote”位置為DCS啟/停極化;

（5）合上主回路塑料外殼式斷路器（給定必須清零）;

（6）緩慢旋轉電流給定電位器直至達到所需要的直流電流值，電流給定電位器一般情況下第一次調整正常運行后不需要再進行修改（除非工藝特殊要求）。

注：電壓給定電位器在第一次調整正常運行后也無須再設定。

4.3? ? 停電步驟

（1）將電流給定清零;

（2）停止極化柜;

（3）一般不需要關閉控制電源開關，建議電源保持通電狀態，防止電子元器件受潮、發霉，影響下次正常開車;

（4）停電完畢。

4.4? ? 故障排除

極化電源裝置常見故障現象分析及排除方法如表1所示。

5? ? 結語

與現有技術相比，采用本文所述結構的極化電源裝置具有以下優點：以大功率高頻電源作為極化電源，采用AC-DC-AC-DC變流模式，主電路部分采用二極管全橋整流和IGBT全橋逆變，控制部分采用雙CPU結構，系統運行穩定可靠、維護方便。該設計能大大減小整流器的體積，且不需要體積龐大的工頻變壓器，變流效率達到90%以上，節能20%以上，極大地降低了成本。

收稿日期：2021-12-21

作者簡介：章雅（1973—），女，江蘇鹽城人，高級工程師，研究方向：工程咨詢。