進一步提高國產可控硅整流器的應用水平

廖秀華

（廣州市化工設計院，廣東廣州510655）

進一步提高國產可控硅整流器的應用水平

廖秀華

（廣州市化工設計院，廣東廣州510655）

分析了國產可控硅整流器的應用現狀，指出了其應用中的不足，提出了進一步提高應用水平的見解。

氯堿生產；可控硅整流器；應用水平

十多年來，國內氯堿生產企業普遍實現了離子膜法燒堿工程的改造、擴建及新建。在新的工藝技術推動下，整流技術也上了一個新臺階，尤其以硅晶閘管整流取代硅二極管整流；國產可控硅整流器取代進口同類整流器為主要標志。國產可控硅整流器的廣泛應用表明，中國的可控硅整流技術和設備制造已趨于成熟，然而，其應用水平還需進一步提高，使可控硅整流的優良性能得到更充分的發揮。

1 國產可控硅整流器的應用現狀

（1）主設備配置方案日趨完善。在離子膜電解槽供電中，調壓、變壓、整流三大設備的配置格局已經形成，自耦式有載調壓、三相全控橋式整流電路、單機組十二脈波整流相數、自耦變移相配合整流變移相的等效多相制以及延邊三角移相方法等都為業內普遍采用。由于電槽系列規模擴大，整流與電槽“一拖二”的配置方式，包括并列式和串聯式，均被企業所選取。隨著企業規模大型化，直降式整流正在逐步取代重復降壓整流，使設備簡化和線損節約得到一定效果。

從國外引進的可控硅整流裝置，普遍采用帶無載調壓的整流變壓器，附帶無功補償濾波設備的模式。而國內同類設備，由于采用了有載調壓、多相制整流以及對控制角自動限制等措施，在不裝設濾波補償設備情況下，自然功率因數可達到0.90～0.94，諧波電壓、電流參數也能符合國標。

多年實踐證明，上述的設備配置方案符合我國國情，適合企業生產發展的需要。當然，亦存在有待完善之處。

（2）可控硅整流的可靠性有一定的改進。業內均認為可控硅整流較好，但是不可靠，所以，在隔膜電解槽時期很少被采用，在離子膜電解槽初期也以進口為主。目前，國產可控硅整流設備的可靠性問題已基本解決，在離子膜法燒堿項目中，除個別企業仍從國外引進外，絕大多數企業都采用了國產設備，并且經受了時間和實踐的檢驗。在普遍的1機對2槽，沒有并聯（備用）機組的供電方式下，因整流器故障而停產、元件損壞、快熔燒斷之類的事故已很少出現。總結起來，是元器件質量可靠、大功率元件和大規模集成電路芯片應用的硬件因素、先進的數字化調節、監控技術的引入和可靠性理念貫徹的軟件因素共同起作用的結果。

然而，設備可靠性有一定改進并不等于問題全部被解決，大大小小的故障還不同程度地發生。據報導，某企業的離子膜槽5套可控硅整流器2005年共跳閘停電9次；另一家企業的2套同類設備1年內因故障停產檢修3次；尚有一家企業一次燒毀同一橋臂5只晶閘管；還有一家企業先后投產的5套整流器運行不穩定、事故多，后來對其控制系統進行了徹底的改造。上述故障大都因控制系統的原因所引起。

設備可靠性理念強調，任何產品初期的可靠性均不可能達到預期的水平，需要一個不斷完善的過程。國產的可控硅整流器正是經歷了這種從不可靠到基本可靠的過程。

設備可靠性的理論認為，可靠性來自于設備的設計和生產，可靠性設計應與功能設計同步，其內容有簡化設計、冗余設計、電磁兼容性設計和熱設計等。這些原則應在設計工作中細化、量化[1]。

（3）不同廠家所制造的設備質量存在一定差距。國內的整流設備廠家所生產的設備都能滿足電化生產的要求，可量化的技術指標亦無太大的差異，所存在的差距仍然在于可靠性、穩定性和綜合自動化水平方面。

對設備穩靠性的檢驗，最基本的是在正常條件下能否保持連續按質按量供電，這一點不難做到。難做到的是對控制器件的老化、軟故障的出現、外部的干擾等具有較強抵御能力和能采取有效的應對措施，使供電不受影響。

有的設備運行初期一切正常，但一段時間后便露出故障苗頭，尤以電流不穩定居多，電網電壓波動、系統受雷擊、晃電引起的電流波動、器件擊穿、突然跳閘停電，諧波干擾至觸發脈沖丟失或誤封鎖等。對于這些現象，有的廠家設備很少發生，甚至可以避免，即使發生了也易于判斷，方便處理，有的則不然，這就是穩靠性的差別。所以，常有甲廠生產的設備由乙廠來改造的情況發生。

以上所述的設備穩靠程度的差別，國產設備存在，引進的國外設備也不例外。據報道，湖北雙環氯化工廠、北京化工股份、青島海晶、山東濰坊亞星、石化齊魯氯堿等單位由不同國家的引進可控硅整流器都有運行不穩定的現象，控制系統已由國內廠家改造或面臨改造（已制定改造方案）。技術較先進、涉足行業較早的國外公司如瑞士ABB公司，設備運行中出現問題則較少。這說明不同廠家、不同時期的設備總有從不完善到完善的過程，時間長了也必然有老化問題發生，一勞永逸是不可能的。

（4）控制系統的技術水平有較大提高。控制系統的技術水平決定了整流系統整體的先進性與穩定性。目前，國內廠家正在使用的整流器絕大部分為國產，而早期設備以進口為主。國內常見的整流控制系統大多采用PLC與單片機相結合的結構，PLC負責外圍信號的采集、通訊、連鎖邏輯控制與輸出等功能，數字觸發器負責根據給定反饋及同步信號形成觸發脈沖。PLC與單片機相結合的控制系統在硬件及軟件設計上仍存在著某些不足之處。在硬件上，由于PLC本身的功能欠缺，需要添加額外的電路板來實現交流采樣或將交流信號轉換成直流信號后由PLC或單片機采樣，這給信號采樣精度帶來不小的問題，而且，當面臨較多信號量時，只能通過擴展PLC模塊來實現功能，給系統成本帶來很大壓力；在軟件上，由于硬件性能的限制，這些系統還存在應用程序無法靈活組態、通訊能力薄弱、控制模型不透明、調節參數無法實時調整等諸多問題。

目前，國內已有整流廠家采用工業計算機或嵌入式微控制器代替PLC+單片機模式，控制系統的功能更多、性能更好、可靠性更高、人機界面也更為友好。控制系統的技術進步使工廠實現了“遙控、遙調、遙測、遙信”，也為實現“無人值班、少人值守”創造了先決條件。

2 對進一步提高可控硅整流器應用水平的建議

2.1 改進應用中的不足

2.1.1 加強主設備選型的論證

目前，離子膜燒堿項目的整流設備選型中，有的還沿用隔膜燒堿時期二級管整流的傳統做法，缺乏具體的分析和論證，得出結果會使整流額定電壓偏高、調變的調壓范圍偏大、有載開關調壓級數偏多。由此帶來調壓整流變壓器組額定容量和型式容量偏大，設備容量浪費，成本增高，運行費用增大的不良后果。這些情況應從加強論證入手，加以改變。

關于設備選型問題，應根據規模進行計算和分析，得出主電量典型值。推薦對于國內普遍采用的2.7 m2高電流密度，自然循環復極式離子膜電解槽，單元槽電壓設計值定在3.4 V較合適，調壓范圍在80%～105%、調壓級數選14級更經濟適用。而通常的設計與此推薦值都有一定的差別，對2種方案的有關數據進行對比見表1。

表1所列的是可量化的項目對比，看不出結構方面的差別。由于調壓級數偏多時（M型有載開關分接級數17級以上，V型開關分接級數13級以上），就要采用正反調或粗細調的調壓電路，而不能采用最為簡單可行的線性調壓電路，必須配帶分接選擇器（以前稱為范圍開關），勢必帶來繞組和接線的復雜化，運行中也用不上。基于這種分析，業內已開始認同這種觀點，并陸續采用17級以內的線性調壓電路，實踐證明了這種選擇的正確性。

表1 設備選型方案對比表

2.1.2 改進整流控制系統的軟、硬件設計

盡管控制系統的技術水平有了較大提高，但與相關技術領域和相關行業的技術進步相比，仍有很大的提升空間。

可控硅整流器的應用范圍十分廣泛，涉及電力、冶金、表面處理、建材等行業，應加強行業之間的技術交流與溝通，把其他行業的先進適用技術引入到氯堿行業。比如，在電力系統廣泛使用的交流采樣技術，具有精度高、時間常數小的優點，移植到氯堿行業整流設備中，不僅可提高控制系統的調節性能，還可全面監測包括整流變壓器在內的整流器的所有電氣參數，更能實現交直流冗余反饋。國內外市場占有率高、技術領先的整流器生產廠家都具有跨行業的特點，這也是行業之間無縫技術交流的結果。

當前，數字集成電路制造技術發展迅速，技術更新換代的周期愈來愈短，ARM、DSP、FPGA等嵌入式智能控制芯片集成度愈來愈高，功能愈來愈強大。這些高性能微處理器應用于整流器控制系統設計，實現了“總線不出板”，甚至“總線不出芯片”，單個芯片即可實現以前整個系統的功能。加之電磁兼容設計技術越來越受到重視，使得整流控制器性能和可靠性出現飛躍式發展。另外，嵌入式操作系統的引入可以提高應用程序可靠性、可擴展性，系統開發者甚至可以將程序單元模塊化，讓項目設計人員通過簡單的組態就能實現1套適用的控制軟件。典型的例子是1套控制器可實現12脈整流甚至更多，這種模式不僅改善了諧波污染問題，而且大大節省了成本，同時還提高了設備運行的可靠性和性能。

整流控制系統不能局限于控制數字化，更要實現整流設備的數字化，比如數字化均流、數字化檢測等。這就需要把整流控制系統科學地分解為相對獨立的功能單元，各單元之間通過高速通訊網絡連接。功能的分散化可以讓系統結構更為合理可靠，消除各單元之間的不利耦合，使系統拓撲更為明晰。系統各模塊之間若采用光纖通訊，各模塊從電氣上隔離開來，杜絕電磁干擾，可大幅提高系統的可靠性。

整流器控制系統還應支持多種通訊協議和接口，實現與工廠自動化系統的無縫連接，甚至適應物聯網的發展要求，融入到互聯網中。諸如常見的以太網、RS485串行口等將作為標準配置，對于要求保密性的外聯接口，廠家可以開發支持OPC Server的上位機軟件，將網絡細節隱藏起來，也可滿足設備安全的要求。

2.2 配合做好電化學整流器行業標準的修訂和執行

電化學整流器有對口的標準可依，目前執行的行業標準《電化學整流器》是1998年的版本，有的內容仍然適用，有的應作修改、補充，如離子膜電解槽負載，有規范意義的條款已不多。最近，全國電力電子學標準化技術委員會已提出并批準，對標準進行修訂且指定了起草單位和起草人員。為了進一步提高電化學整流器的標準水平，使國內自主開發的技術在標準中有所反映，可以把對標準的修訂意見匯集起來，以中國氯堿工業協會的名義向標準主管部門反映。

然而，對目前標準版本中的合理條款執行，也有不盡人意之處，如整流變壓器調壓方案問題，對二級管整流和晶閘管整流就有區別。關于晶閘管整流變壓器的調壓標準，分接調壓范圍低于50%額定值時，分接檔數一般應不多于13級，并優先采用無載分接調壓，至于是否一律采用無載分接調壓，需結合國情、地情等對有載和無載分接調壓2種調壓方案加以論證，從這一側面說明了對晶閘管整流變壓器的有載調壓范圍并無多高的要求。

2.3 開展配合工藝節電的應用研究

長期以來，工藝節電和整流節電都是各行其道，對整流如何配合工藝節電的課題尚未認真提上議事日程，特別是利用可控硅的優良調節性能方面，未引起足夠的關注。

以電解槽的電流質量而論，穩流精度、電流調節速度和電流隨工藝參數的自動調節都可通過可控硅的控制電路去實現，對于這些參數對工藝節電有無幫助且如何實現，必須與工藝人員一道研究和開發。關于電解槽穩流精度的指標，現行標準是穩流偏差一般不超過±1%；離子膜槽設計文件多數是±0.5%，有的廠家的保證值定為0.1%，如果此值是工藝提出，則是新的要求；如是廠家的承諾，則表明廠家的穩流水平。在某種意義上，將其弄清對我們的工作亦有幫助。

2.4 進一步做好技術交流和技術培訓

為適應氯堿整流技術進步的新要求，推動整流設備的更新換代，中國氯堿工業協會自2006年以來先后舉辦了5個年度的整流技術研討會，共收集技術論文160多篇，全部在當年的論文集上刊登，部分在研討會上宣讀。此外，協會還組織編寫出版了《電化學整流實用技術手冊》（上冊）一書，并以此為教材舉辦崗位技術培訓班2期。會議代表和受訓學員來自生產、設計、研發、制造單位的專業人員和技術領導。對整流技術進行廣泛的交流，涵蓋了綜述分析、方案論證、專題研討和經驗介紹等方面。普遍反映，每參加一次活動都會有所收獲和啟發，認可其在使用和生產、強電和弱電、單位和行業的技術互補和信息溝通方面是其他方式所不能代替的交流平臺。其不足之處是受時間限制，主題欠突出，研討不深透。

為使交流和培訓工作能收到更好的效果，對今后的工作有待改進之處建議如下。

（1）采取點面結合的交流研討方式，面上的題目自選，保留目前這種方式。增加點上交流方式，選擇若干專題，進行重點突出，論證充分、權威性強的業內高層次交流。

（2）為滿足與會者對整流設備的研發內容和掌握國內外研發動態，建議會上安排業內研發專家作專題講座。

（3）為便于整流和電解之間的溝通和協調，建議互派專家參會，即整流會議邀請電解專家到會。電解會議也邀請整流專家到會，共同探索整流與電解最完美的結合方案。

（4）通過研討和培訓，發現整流設備中的精品、整流技術中的精華和整流人員中的精英，加以總結推廣和鼓勵。對于特別優秀的學員，由協會或建議單位予以表彰獎勵。

（5）加強與生產單位的聯系溝通和信息報道。使單位了解派出人員的動態和交流感受，爭取單位對交流和培訓工作的更大支持。

Improve domestic silicon controlled rectifier application level

LIAO Xiu－hua
（Guangzhou Chemical Design Institute，Guangzhou 510655，China）

The application status of domestic silicon－controlled rectifier was analyzed and deficiency in its application was pointed，the view is proposed to further enhance the application level.

chlor－alkali production；silicon－controlled rectifier；application level

TM461

A

1009－1785(2011)03-0004-03

2010-09-15