电解铝用大功率整流器设计
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早期的电解加工直流电源以直流发电机组为主，具有电源噪声大、效率低、稳压精度不高、体积庞大等缺点。随着半导体技术尤其是电力电子技术的发展，用大功率硅二极管整流开发出了性能明显好于直流发电机组的大功率直流电源，并逐步取代了直流发电机组直流电源。硅整流直流稳压电源稳定、可靠、效率和功率因数都较高，主要缺点是稳压精度较低，在5%左右，且短路保护时间长，约25ms。另外值得注意的是硅整流电源的铁耗、铜耗较高，导致成本偏高。为了进一步提高电源性能和降低成本，大功率可控硅器件的发展把电源推到了一个新的水平。于是，可控硅调压及稳压的直流电源又逐渐取代了硅整流电源，使得电源的稳压精度提高到了1%，短路保护时间仅为10ms。近年来，随着大容量模块式可控硅、可关断晶闸管（GTO）以及集成触发模块的出现，解决了可控硅直流稳压电源的可控硅器件的触发和均流问题，从而使电源容量增大，运行更加稳定可靠。通过对整流供电系统的改造,可以提高供电系统的可靠性，对降低单吨铝的电耗、减少环境污染,提高企业的生产效率和经济效益以及促进企业的现代化进程，具有重要意义。电解工业中的主要生产设备——电解槽, 需要由直流电源供电，硅整流装置担负着将高压三相交流电源变换为电压较低的直流电源的任务。而作为电解电源使用的大电流硅整流装置从原理上来讲是非常简单的，简单地说就是一个工频整流电路，但由于其工作电流较大，伴随而来的电磁场以及谐波问题己到了不可忽视的地步。另外，大电流硅整流装置的每一个整流臂均由多只硅器件并联而成，这样就存在电流均匀分配的问题，对于每一个整流臂甚至整个硅整流装置来说，均流系数同样是一个非常重要的技术指标；同时，借助现代数字化功能实现传统已有大功率整流技术及装备的升级换代对于提高系统可控性、可靠性、安全性等性能具有十分重要的意义。
对大功率整流系统进行节能优化,一方面对于企业通过优化那些高能耗的产业,用电成本降低,并且原材料也大大降低,提高了生产效率能为企业带来很大的经济效益。另一方面,电能损耗的降低,伴随着煤炭等能源资源的节约,为国家的可持续发展做了很大的贡献。最后,对于大功率整流系统,大大地减少了那些非线性负载产生的谐波对电力系统的污染,从而实现了绿色节能的宗旨。
Key words:Aluminum electrolyze,Stabilized current control, Rectifying transformer, SCR，Silicon rectifying device.
1绪论
1.1设计背景
随着电力电子和计算机技术的迅速发展,各种电力电子装置也广泛应用在冶金、化工和高压直流输电等关键技术领域。特别是在冶金方面,我国已经在短短的几十年时间,成为了有色金属工业大国,这些金属大都是用熔盐电解的方法制得的。其中铝、锰、铜等金属的电解已形成大规模的工业生产。例如,我国电解铝和电解铜在 2010 年的产量已经达到 1666 万吨和 480 万吨,嫣然已成为世界电解金属的大国。但是这些行业都是属于高能耗高谐波污染的行业,而且消耗的是二次能源——电力,在产生效益的同时也消耗了巨大的电能和自然资源。我国虽然地大物博,但是我国是能源资源严重短缺的国家,石油、天然气人均剩余可采储量仅仅是世界平均水平的 7.7%和 7.1%,储量比较丰富的煤炭也只有世界平均水平的 58.6%,因此节约能源在可持续发展中占有很重要的部分。“十一五”计划期间,工业的迅速发展对能源的需求急速增加,由 2005 年的 15.96 亿吨增加到了 2010 年的 24 亿吨左右标准煤。在《“十二五”节能减排综合性工作方案》中明确指出在节能减排方面,到 2015 年国内所生产的总值能耗比 2010 年下降 16%;全国氮氧化物和氨氮排放总量比 2010 下降 10%。由此可以看出,我国所有的高能耗、高污染的行业必须在未来五年里实现节能的目标,这意味着其生产系统必须进行节能的改造。而整流系统是电解工业的核心装置,其整流效率、供电可靠性直接跟电解生产的过程有密切的联系。所以通过对整流系统部件的优化设计来提高大功率整流系统的节能刻不容缓。大功率整流系统利用电力电子器件将交流电变换为直流电,由于电力电子的非线性及系统的大电流特性,电能变换过程中必然产生大量的谐波,其不仅对电网带来严重的谐波污染,影响电力系统安全、稳定与控制,而且也增加供电设备的负担,增大了它们的电能消耗,且引起变压器的振动与噪声污染等环境问题。随着全球能源日益紧张与环境污染的加重,大功率整流行业的谐波治理、功率因数提高及系统综合节能降耗是一个亟待解决的问题。
设计简要概述了铝电解供电特点、国内的研究现状,指出了项目研究背景及意义;详细阐述了110KV硅整流装置供电系统的组成以及各主要部件的工作原理及特点;着重研究了110KV供电整流系统中的整流电路设计方案的确定;通过对整流供电系统的改造,提高了供电系统的可靠性。从而切实提高了整流效率,降低了电能损耗,确保了电解整流供电系统安全、经济、可靠运行。对降低单吨铝的电耗、减少环境污染,提高企业的生产效率和经济效益以及促进企业的现代化进程。因此,具有重要意义。
随着控制技术的发展，晶闸管整流器在国内已成为应用的首选，二极管整流器仍然被采用，而斩波整流器的应用尚处于萌芽阶段。
1.3国内外整流技术现状
整流系统主要是由整流变压器、滤波器、整流柜等装置组成的,其中整流变压器的损耗在整流系统部件中占有很大的部分,整流柜中的电力电子器件是整个整流系统的核心部件。目前,国内外大功率整流系统大多采用二极管、晶闸管作为整流元件,半导体二极管的出现开辟了能量变换的新方式,由它构成的整流系统具有谐波小的优点,但是二极管的开通与断开不能控制。随着晶闸管的出现,以晶闸管为代表的整流技术,具有调压范围广精度高、可靠、高效率以及控制灵活、操作简单的优点,并且在相关领域得到了广泛应用和发展。近阶段,GTR、GTO、MOSFET、IGBT等这些大功率可关断器件,在整流系统中得到了应用,具有控制灵活、谐波减小等优点。但是,目前可关断器件的价格、电路复杂、产生高次谐波、耐压等级、容量等因素限制了晶闸管在实际工程中的广泛应用。目前晶闸管整流在我国电解领域占有主导地位。
1.2设来自百度文库意义
大功率整流行业主要包含冶金(电解铜、电解锰、电解铝等)、化工(电解食盐水、电解氢氧化钠等)等行业,在大功率的能量转化过程中给电力系统带来了谐波与无功电流污染,同时系统能耗巨大,属于高耗能、高污染行业。大功率整流系统主要有整流变压器、滤波器、整流柜等装置组成的,对它进行综合节能的优化也就是对整流系统各个部件的优化。
所谓整流系统部件节能的优化设计,就是保证产品在满足性能需求、符合国家标准和行业要求或者对用户提出的某些特殊要求,并且使产品安全可靠运行的情况下,实现效率最高、损耗最小的优化。整流变压器是作为整流装置电源用的变压器,在整流系统中占有的比重相当大,工业用的整流直流电源大部分都是由交流电网通过整流变压器与整流器组成的整流设备而得到的。整流变压器的优化设计可以提高产品的纯收益,使产品更具有竞争力。因此,整流变压器在整个电力系统中的作用越来越重要。
关键词:铝电解，整流变压器，硅整流装置，晶闸管，稳流控制
DESIGN OF HIGH POWER RECTIFIER FOR ELECTROLYTIC ALUMINUM
ABSTRACT
Electrolytic power belongs to low voltage large current equipment,its quality has close relationship with the lssctorytic product purity,meanwhile as the main energy consumer in the electrolysis industry,its efficiency is in relation to the quanytity of energy saving,its power fsctor and harmonic distortion is in rdlation to the poliution level to power network,therefore,for the electrolysis industry,developing high quality power is an improtant way to achieve the goals, such as energy-saving,environmental protection,greening and so on.
The thesis synopsis said an sluminum electrolysis power supply characteristics,present domestic research condition,pointing out the project research background and meaning;Elaborated the 110kV silicon rectifying the constitute of the power supply system and work principle of each main parts and characterisitics;Emphasized to study in the 110kV rectifying system to power supply of the rectifying transformerdesignproject to develop and make sure.Pass to the reformation that the rectifying power supply system, raise credibility of the power supply system,lowers single ton aluminum consuming of the electricity energy,electrical energy loss is reduced,safety,economical and reliable operation of the electrolytic power supply system..reduce pollution of the environment,raise the production efficiency and economic performance of the business enterprise and promote the modern progress of the business enterprise.Consequently,haveimportantmeaning.
随着对煤炭石油等一次能源需求的日趋增长,资源已经日益枯竭,市场竞争日趋激烈,加上原材料的价格不断上涨,整流器的经济性越来越受到大家的关注。此设计使得整器的运行在满足其他性能参数正常运行的情况下,最大限度的降低损耗,节约能源,降低成本,提高变压器的运行效率和经济效益。整流器是电解系统中非常重要的设备,它的好坏直接可以影响整流效果,对整流器进行优化设计可以降低生产的成本并且减小运行损耗,从而提高变电效率。对于一个年产6万吨铝的中型铝厂,每年耗电约10亿kwh。每 kwh按0.1元, 则一年消耗的电费为1亿元。近几年改造的整流设备,普遍节约能耗为3%左右,即每年可节约300万元左右。因此对整流器的节能优化有重要的意义。因此对整流器进行损耗低、成本低的优化设计,在大功率整流系统的节能优化过程中有很重要的作用。
电解铝用大功率整流器的设计
摘要
电解电源属于低压大电流设备,其品质的好坏直接关系着电解产物的纯度,同时作为电解行业最主要的能量消耗者,其效率的高低关系着行业的节能增效,其功率因数及谐波畸变率的大小关系着对电网污染程度的高低,因此,研制高品质、高性能的电解电源是电解行业实现节能增效、环保绿色化的重要途径。
对大功率整流系统进行节能优化,一方面对于企业通过优化那些高能耗的产业,用电成本降低,并且原材料也大大降低,提高了生产效率能为企业带来很大的经济效益。另一方面,电能损耗的降低,伴随着煤炭等能源资源的节约,为国家的可持续发展做了很大的贡献。最后,对于大功率整流系统,大大地减少了那些非线性负载产生的谐波对电力系统的污染,从而实现了绿色节能的宗旨。
Key words:Aluminum electrolyze,Stabilized current control, Rectifying transformer, SCR，Silicon rectifying device.
1绪论
1.1设计背景
随着电力电子和计算机技术的迅速发展,各种电力电子装置也广泛应用在冶金、化工和高压直流输电等关键技术领域。特别是在冶金方面,我国已经在短短的几十年时间,成为了有色金属工业大国,这些金属大都是用熔盐电解的方法制得的。其中铝、锰、铜等金属的电解已形成大规模的工业生产。例如,我国电解铝和电解铜在 2010 年的产量已经达到 1666 万吨和 480 万吨,嫣然已成为世界电解金属的大国。但是这些行业都是属于高能耗高谐波污染的行业,而且消耗的是二次能源——电力,在产生效益的同时也消耗了巨大的电能和自然资源。我国虽然地大物博,但是我国是能源资源严重短缺的国家,石油、天然气人均剩余可采储量仅仅是世界平均水平的 7.7%和 7.1%,储量比较丰富的煤炭也只有世界平均水平的 58.6%,因此节约能源在可持续发展中占有很重要的部分。“十一五”计划期间,工业的迅速发展对能源的需求急速增加,由 2005 年的 15.96 亿吨增加到了 2010 年的 24 亿吨左右标准煤。在《“十二五”节能减排综合性工作方案》中明确指出在节能减排方面,到 2015 年国内所生产的总值能耗比 2010 年下降 16%;全国氮氧化物和氨氮排放总量比 2010 下降 10%。由此可以看出,我国所有的高能耗、高污染的行业必须在未来五年里实现节能的目标,这意味着其生产系统必须进行节能的改造。而整流系统是电解工业的核心装置,其整流效率、供电可靠性直接跟电解生产的过程有密切的联系。所以通过对整流系统部件的优化设计来提高大功率整流系统的节能刻不容缓。大功率整流系统利用电力电子器件将交流电变换为直流电,由于电力电子的非线性及系统的大电流特性,电能变换过程中必然产生大量的谐波,其不仅对电网带来严重的谐波污染,影响电力系统安全、稳定与控制,而且也增加供电设备的负担,增大了它们的电能消耗,且引起变压器的振动与噪声污染等环境问题。随着全球能源日益紧张与环境污染的加重,大功率整流行业的谐波治理、功率因数提高及系统综合节能降耗是一个亟待解决的问题。
设计简要概述了铝电解供电特点、国内的研究现状,指出了项目研究背景及意义;详细阐述了110KV硅整流装置供电系统的组成以及各主要部件的工作原理及特点;着重研究了110KV供电整流系统中的整流电路设计方案的确定;通过对整流供电系统的改造,提高了供电系统的可靠性。从而切实提高了整流效率,降低了电能损耗,确保了电解整流供电系统安全、经济、可靠运行。对降低单吨铝的电耗、减少环境污染,提高企业的生产效率和经济效益以及促进企业的现代化进程。因此,具有重要意义。
随着控制技术的发展，晶闸管整流器在国内已成为应用的首选，二极管整流器仍然被采用，而斩波整流器的应用尚处于萌芽阶段。
1.3国内外整流技术现状
整流系统主要是由整流变压器、滤波器、整流柜等装置组成的,其中整流变压器的损耗在整流系统部件中占有很大的部分,整流柜中的电力电子器件是整个整流系统的核心部件。目前,国内外大功率整流系统大多采用二极管、晶闸管作为整流元件,半导体二极管的出现开辟了能量变换的新方式,由它构成的整流系统具有谐波小的优点,但是二极管的开通与断开不能控制。随着晶闸管的出现,以晶闸管为代表的整流技术,具有调压范围广精度高、可靠、高效率以及控制灵活、操作简单的优点,并且在相关领域得到了广泛应用和发展。近阶段,GTR、GTO、MOSFET、IGBT等这些大功率可关断器件,在整流系统中得到了应用,具有控制灵活、谐波减小等优点。但是,目前可关断器件的价格、电路复杂、产生高次谐波、耐压等级、容量等因素限制了晶闸管在实际工程中的广泛应用。目前晶闸管整流在我国电解领域占有主导地位。
1.2设来自百度文库意义
大功率整流行业主要包含冶金(电解铜、电解锰、电解铝等)、化工(电解食盐水、电解氢氧化钠等)等行业,在大功率的能量转化过程中给电力系统带来了谐波与无功电流污染,同时系统能耗巨大,属于高耗能、高污染行业。大功率整流系统主要有整流变压器、滤波器、整流柜等装置组成的,对它进行综合节能的优化也就是对整流系统各个部件的优化。
所谓整流系统部件节能的优化设计,就是保证产品在满足性能需求、符合国家标准和行业要求或者对用户提出的某些特殊要求,并且使产品安全可靠运行的情况下,实现效率最高、损耗最小的优化。整流变压器是作为整流装置电源用的变压器,在整流系统中占有的比重相当大,工业用的整流直流电源大部分都是由交流电网通过整流变压器与整流器组成的整流设备而得到的。整流变压器的优化设计可以提高产品的纯收益,使产品更具有竞争力。因此,整流变压器在整个电力系统中的作用越来越重要。
关键词:铝电解，整流变压器，硅整流装置，晶闸管，稳流控制
DESIGN OF HIGH POWER RECTIFIER FOR ELECTROLYTIC ALUMINUM
ABSTRACT
Electrolytic power belongs to low voltage large current equipment,its quality has close relationship with the lssctorytic product purity,meanwhile as the main energy consumer in the electrolysis industry,its efficiency is in relation to the quanytity of energy saving,its power fsctor and harmonic distortion is in rdlation to the poliution level to power network,therefore,for the electrolysis industry,developing high quality power is an improtant way to achieve the goals, such as energy-saving,environmental protection,greening and so on.
The thesis synopsis said an sluminum electrolysis power supply characteristics,present domestic research condition,pointing out the project research background and meaning;Elaborated the 110kV silicon rectifying the constitute of the power supply system and work principle of each main parts and characterisitics;Emphasized to study in the 110kV rectifying system to power supply of the rectifying transformerdesignproject to develop and make sure.Pass to the reformation that the rectifying power supply system, raise credibility of the power supply system,lowers single ton aluminum consuming of the electricity energy,electrical energy loss is reduced,safety,economical and reliable operation of the electrolytic power supply system..reduce pollution of the environment,raise the production efficiency and economic performance of the business enterprise and promote the modern progress of the business enterprise.Consequently,haveimportantmeaning.
随着对煤炭石油等一次能源需求的日趋增长,资源已经日益枯竭,市场竞争日趋激烈,加上原材料的价格不断上涨,整流器的经济性越来越受到大家的关注。此设计使得整器的运行在满足其他性能参数正常运行的情况下,最大限度的降低损耗,节约能源,降低成本,提高变压器的运行效率和经济效益。整流器是电解系统中非常重要的设备,它的好坏直接可以影响整流效果,对整流器进行优化设计可以降低生产的成本并且减小运行损耗,从而提高变电效率。对于一个年产6万吨铝的中型铝厂,每年耗电约10亿kwh。每 kwh按0.1元, 则一年消耗的电费为1亿元。近几年改造的整流设备,普遍节约能耗为3%左右,即每年可节约300万元左右。因此对整流器的节能优化有重要的意义。因此对整流器进行损耗低、成本低的优化设计,在大功率整流系统的节能优化过程中有很重要的作用。
电解铝用大功率整流器的设计
摘要
电解电源属于低压大电流设备,其品质的好坏直接关系着电解产物的纯度,同时作为电解行业最主要的能量消耗者,其效率的高低关系着行业的节能增效,其功率因数及谐波畸变率的大小关系着对电网污染程度的高低,因此,研制高品质、高性能的电解电源是电解行业实现节能增效、环保绿色化的重要途径。