铝电解整流电源间的环流分析

铝电解整流电源间的环流分析

雷双强

青铜峡铝业股份有限公司宁东铝业分公司，宁夏灵武750004

摘要：随着我国电解铝工业技术的发展，为降低能耗,对铝电解直流电源的要求越来越高。基于此，本文对铝电解整流电源间的环流进行了详细的论述。

关键词：可控硅；三相全控桥式整流电路；环流

在铝电解系列多台三相桥式可控硅整流电源并联供电系统中,由于各台整流电源的直流输出电压瞬时值不同,将在整流电源间产生环流,因此，本文对其成因进行了阐述,并据此提出限制环流,降低整流电源直流输出母排振动和噪音的措施。

一、铝概述

铝的化学符号为Al,在元素周期表中属ⅢA族，原子序数13，原子量26.98154，面心立方体，常见化合价为+3，其是最重要的轻金属。铝为银白色轻金属，有延展性。商品常制成柱状、棒状、片状、箔状、粉状、带状和丝状。在潮湿空气中能形成一层防止金属腐蚀的氧化膜。用酸处理过的铝粉在空气中加热能猛烈燃烧，并发出眩目的白色火焰。易溶于稀硫酸、稀硝酸、盐酸、氢氧化钠和氢氧化钾溶液，不溶于水，但可以和热水缓慢地反应生成氢氧化铝，相对密度2.70，弹性模量70Gpa，泊松比0.33。熔点660℃。沸点2327℃。以其轻、良好的导电和导热性能、高反射性和耐氧化而被广泛使用。做日用皿器的铝通常叫“钢精”或“钢种”。Al在(室温)25℃的热膨胀系数0.0000236mm/℃或23.6ppm*k-1。此外，铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中含量最丰富的金属元素，其蕴藏量在金属中居第2位。在金属品种中，仅次于钢铁，为第二大类金属。

二、铝电解的基本原理

固体氧化铝溶解在熔融冰晶石熔体中，形成具有良好导电性的均匀熔体，采用炭素材料做阴阳两阳，当通入直流电以后，即在两极发生电化学反应，在阳极得到气态物质，阴极得到液态铝，其过程简单的描述为：溶解的氧化铝--液态铝(阴极)+气态物质(阳极)铝的工业生产全部采用活性阳极(炭阳极)。采用炭阳极生产时，随着电解过程的进行，阳极炭参与电化学反应，从而生成碳的化合物—二氧化碳。

三、铝电解用整流装置

铝电解用整流装置有两种元件:二极管和晶闸管。

1、二极管的应用情况是分别布置在交流桥臂和直流桥臂之间。最早工业化生产电解铝的整流器多为普通三相桥式接线,后演变为桥臂同相逆并联布置,这样两个整流流桥臂所产生的交变磁通绝大部分相互抵消,工作环境的磁场强度大为降低,同时减少了部分线路电抗,并增加了相间、臂间对称性,提高了整流机组的效率和功率因素。

2、当晶闸管应用到铝电解电源方面时,也采用了桥臂同相逆并联方式。二极管整流器的功能只是整流,而晶闸管及其附属装置不仅能整流而且能迅速调节电压,向电解铝系列提供最为平稳的工作电流。

四、整流电源系统配置概况

由4台35kA/115OV三相桥式同相逆并联可控硅整流电源、4台110kV直降同相逆并联整流变压器,110kV滤波器及其它相应的设备组成。4台变压器一次侧为曲折接法,分别移相土22.5︒、土7.5︒,4台运行时提供等效24相直流电压,整流电源系统结构图如图1所示。

五、并联整流电源的环流分析

1、整流电源间直流输出电压瞬时差值分析。在铝电解供电系统中，两台整流电源通过输出直流母排直接并联，一般不设平衡电抗器。每台三相桥式整流电源输出6相脉动电压，尽管两台整流电源输出的整流电压的平均值相同，但它们的脉动波相差一定的角度，并且其瞬时值不同，在并联母排两端存在一个频率为6f的交变电压△u，这个电压在直流输出母排上产生交流电流△i，通过两台整流电源自成回路，不流到负载中去，故称其为环流。

设：两台整流电源交流侧输入电压u1和u2的有效值均为U、峰值均为UM、触发角均为、u1和u2的相位差为。图2为两台整流电源的电压波形图，以u1的触发角位置为坐标原点，由于其频率为6f，所以只需分析1/6周期内△u的波形。

由其分析结果可知：△u随着触发角的增加而增大；当角一定时，触发角越大，△u波形的正半波或负半波与时间轴包围的面积越大，从而由其引起的环流△i的峰值也就越大，=90︒时△i达到最大值；整流电源的额定电压越高，△u越大。

2、并联整流电源间的环流分析。设：两台可控硅整流电源间的连接母排的电阻为O，分布电感为Lo，由于△u的存在，环流△i随着分布电感Lo的减小而增大；UM越大，△i越大；在同样的、Lo、UM时，二极管整流电源间的环流△iD明显小于可控硅整流电源间的环流△iT，最大相差8倍左右。

六、抑制环流的措施

可控硅整流电源具有自动稳流的特点，它根据实际电流与给定电流的差值大小，自动改变触发角来调节输出直流电压，以达到稳流的目的。当电解铝系列实际运行电压较低时，角很大，各整流电源间的△u值很大；而在铝电解系列中，为了降低损耗，各整流电源直流输出母排直接并联到汇流母排，一般不安装平衡电抗器，仅靠联接母排微弱的分布电感限流，因此会产生很大的环流，整流电源的额定电压越高，环流越大；而二极管整流系统，因角始终为0︒，△u值较小，所以环流较小。

为限制环流可采取下列措施：

1、整流室内连接整流电源与汇流母排的正负极直流连接母排，尽可能避免直线连接，以增大其分布电感Lo值，抑制环流。

2、投入运行的电解槽数，应尽量接近设计的额定系列槽数，从而使整流系列电源运行时，角较小。

3、如需在不同系列电压下运行，应加设直降变压器无载倒段，以使整流电源运行于不同系列电压时，保持较小的角。

七、降低母排振动和噪音的措施

并联的整流电源间的环流是引起整流室内直流输出母排产生振动和噪音的主要根源。整流电源间的△u值和环流△i值正比于整流电源的额定交流输入电压，对于高电压可控硅整流电源，电源间的△u值很大，而直流输出母排的分布电感Lo值总是有限的，因此其环流△i值相对较大；由于整流电源输出的直流电流很大，直流输出母排多采用多根铝母排并联构成，这些铝母排中流过同极性电流，在铝母排问产生相斥的电动力，环流越大，电动力越强，如果铝母排的截面越小，其振动越强烈，噪音也就越大。在某水电厂1150V，80KA电解系列中采用35KA/1150V三相桥式同相逆并联可控硅整流电源并联供电，首次并联带电解槽运行时，当各整流电源电流升至14kA-20kA，整流电压为200多伏时，室内直流输出母排振动强烈，噪音很大，在将铝母排多点焊接并加强固定后，振动和噪音降至正常水平。因此为降低整流室内直流输出母排振动和噪音，在采取相应的限制环流措施后，还应尽量选择大截面的直流输出母排，并牢固安装。

参考文献：

[1]龚泉禄.浅谈铝电解降低噪音的措施[J].轻金属,2014(05).

[2]徐清书.铝电解整流电源间的环流分析[J].电气传动，2014(12).