提高大功率硅整流器均流系数的措施
[摘要]对用大功率硅二级管整流器在实际运行中如何提供均流系数进行探讨，分析影响均流的诸多因素，提出相应的解决办法，并在实践中得到验证。
[关键词]硅整流器 均流 均流系数 实践措施
中图分类号：TM4文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2009）0220006－02
大功率整流器是一种供给强大直流电流的设备，主要用于铝电解和食盐电解工业，由于输出的直流电流很大（系列电流达数十万安培），减少装置本身的压降损耗就有着很大的意义。
为了满足电化学工业所需直流大电流的要求，大功率硅整流器都采用：（1）在一个桥臂上并联多个元件，以增大单个整流器直流输出电流；（2）多台整流器并联运行以提高足够的系列大电流。
无论是单个整流器独立运行还是多台整流器并联运行都存在场流问题，实践证明，硅整流器运行时均流状况直接影响其压降，损耗、整机效率。该文从的实践，探讨提高大功率硅整流器均流系数的理论依据和实际操作方法。
一、均流的概念及均流系数
（一）均流系数硅整流系统均流
（1）系统中各整流机组间直流电流的均衡分配；（2）硅整流器各相之间的电流分配；（3）整流桥臂并联元件间的电流分配。
其中，∑I——所有并联元件（设备）实际电流之和；
nby——整流臂并联元件数；
Imax——各并联元件（设备）实际电流中的最大。
（二）大功率硅整流器（二极管）实际运行中的均流状况
1．整流机组间电流的分配
硅二极管整流器输出电压都采用交流侧有载开关有载调压来满足生产工艺所需的电压变化。由于整流变压器制造上的困难，相同级间电压差异，引起整流机组间电流分配很不均衡，作为补偿，在整流变压器二次侧与硅整流器串入一大容量自饱和电抗器，以吸收不平衡电压而达到机组间均流的目的，而这是以付出高损耗为代价的。
2．硅整流器相间电流分配
在大功率硅整流器内经常会发现臂间、相间电流分配相差很大，严重的个别整流臂会出现全臂熔断事故。其主要因是强磁场影响随着电化学工业的发展，单机组的容量日益增大，其电流也愈来愈大，伴随换相回路大电流交变磁场的产生，带来了以下问题：（1）整流变压器二次引线电抗压降明显增大；（2）整流变压器二次导线出线端子内围及硅整流柜体局部过热；（3）硅整流器相间、桥臂之间及元件之间电流不平衡，从而导致整个机组效率和功率下降而且随着电流的增大，上述问题也越严重。
（三）整流桥臂并联元件间的电流分配
在整流桥臂并联元件中由于硅整流元件的特性变化，致正向压降不同为此造成整流臂元件之间导电不平衡，且并联元件数越多，导电不平衡差距越大。严重时可发生个别件承受过大电流，损坏的情况，从而有碍硅整流器的安全运行和限制其容量的充分利用。
二、各种不均流状态原因分析及简单的理论探讨
（一）整流机组的外特性不一致，影响并联机组间的均流
为了使讨论并联工作机组间的电流均匀分配问题简单而明了，我们提出“整流机组外特性的概念。所谓“外特性”指整流机组的输入－输出特性，从理论上讲，理想条件下，并联工作机组间的电流分配绝对一样，往往保证不了外特性的一致性。影响外特性不一致的主要因素有：（1）整流器的外特性差异；（2）硅整流器的外特性不一致；（3）连接导线的接触电阻差别。
就目前实际应用和制造工艺水平看，要解决机组间的均流问题，强求整流机组的外特性一致困难很大，只能采取两种弥补的办法，如前所述，硅二极管整流器只能采取自饱和电抗器平衡电流。而对可控硅整流器实现无级调压，可省去饱和电抗器而减少大量能耗。
（二）整流元件特性差异及强磁场影响整流器相间、元件间电流均匀分配
1．硅整流元件伏安特性的分散性
两个并联工作的整流元件ZP1与ZP2的正向伏安特性及其电流分配情况如图1示，由于正向特性的不同，而并联工作时，正向压降Uf必须相同，因而元件ZP1中流过电流I1、ZP2中流过电流I2，二者出现电流差：
式中ΔUZP——电流为I1时，两元件的正向电压差。
Rd——元件ZP2在I1～I2区间的正向平均动态电阻。
总电流：I=I1-ΔIZP
如果有nby个并联元件，并假定一个元件具有较小的正向压降，所有其它元件具有相同数值的较大的正向压降，（如图1中的ZP2）则总电流：
ID=I1+(nby-1)(I1-ΔIZP)
=nbyI1-(nby-1)ΔIZP
从上式可以看出：
（1）理想情况下，ΔIZP=0，并联元件间绝对的均流；（2）实际情况下，ΔIZP愈下，即并联元件正向伏安特性愈接近，均流效果愈好；（3）nby即并联元件数越大，元件的电流利用率越低，均流越困难。
2．强磁场影响整流桥臂内流过单方向脉动电流
在换相期间di/dt≠0，d/dt≠0，磁通是变化的；磁通的变化必然是在其交链回路产生电势，这一电势的方向与外加电势或者相反，或者相同，从而影响元件间电流的分开，加上相间阻抗不对称，进一步影响相间电流分布，图2是铝电解厂常采用的一端进，另一端出的整流桥臂并联电路。整流臂在外加电势E作用下处于导通状态。从图中可以看出，交流侧直流侧母线内的流分布是呈阶梯形，两侧母线内电流方向相同但大小不等，因而出现剩余磁通（），使各并联元件电流的分布呈马鞍形。
（三）交、直流侧母线电阻的影响
由图2中交、直流侧母线的汇流状况可得出这样的结论：（1）交流侧母线电流由大到小（就母线电流而论）；侧母线由小到大，使得并联元件间电流分布也呈马鞍形。（2）母线电阻的影响与磁场的影响结果一致，两者是叠加的，结果使整流臂两端元件分担电流最大。
三、改善均流的实际措施
用硅二极管整流器为例说明改善均流，提高效益的具体措施。
（一）改善并联元件的均流
选用大电流元件，减少并联元件数，缩短整流臂尺寸。①原来每一整流臂上采用额定电流1000A，平板式元件8只，现改为额定电流2500A，平板式元件5只。使元件易于匹配，电流裕度增大性能价格比提高。②现整流臂长1745mm，比原来缩短635mm使磁场影响大为减小。投入运行两年多以来，尚未出现元件损坏的情况。
在一个整流臂上匹配恰当的并联支路。在每个整流元件并联支路中，影响其综合正向特性的因素有：（1）元件的正向特性。（2）接触电阻及快速熔断器的电阻特性。（3）快速熔断器电阻具有的正温度系数，与整流元件的正向电阻具有的负温度系数互相补偿的特性。（4）整流臂电流分布呈马鞍形，在整流臂两端选用支路电阻大的一些元件，以利均流。综合考虑以上4个因素，对每相每一整流桥臂，根据其所处的位置，实验得出一个固定范围的匹配数据，并在一定运行温度下再次测试其均流情况，经反复定期做这项工作，将会使整流器整流均流达到一个最佳效果。
采用同相逆并联线路，改善相间及臂间均流，大大消除强磁场影响所谓同相逆并联线路，其实质特点是将两个整流系统组合在一起，两系统邻近部分线路内流过的电流，在任何瞬间均大小相等方向相反，从而减少各部分线路的电抗，增加相间、臂间阻抗的对称性，磁通得到最大限度的抵消，使均流系数显著提高。
四、结束语
在现条件下，电化学工业用硅整流系统，系列电流越来越大，并联机组台数增多，讨论和研究系统的电流平衡问题十分必要，系统的平稳运行，其直接和间接效益非常可观。只要遵循其内在规律，辅以具体细致的试验工作，一定能获取实效。另外，随着国产器件制造水平的提高，均流问题会变得越来越容易处理。
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注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”