應用微分電路實現整流電流精確控制

張志偉，趙振威

（寧夏金昱元化工集團有限公司，寧夏青銅峽751601）

應用微分電路實現整流電流精確控制

張志偉，趙振威

（寧夏金昱元化工集團有限公司，寧夏青銅峽751601）

介紹了整流機組的電流控制單元的改進內容。通過改進，解決了因電流升幅過大而引起的氯氫壓差波動的問題。

電解槽；整流機組；直流輸出電流；微分電路

寧夏金昱元化工集團有限公司新引進的2套該型離子膜電解槽，按一拖一方式配套國產整流機組。在投用初期，由于整流機組電流調節幅度過大，屢次引起氯氫壓力劇烈波動，給正常生產造成一定影響。采用微分電路對整流機組的電流控制單元進行改進后，取得了明顯效果。

1 整流設備簡介

該公司新建2萬t/a燒堿裝置，引進2套意大利電解槽，按一拖一方式配套國產ZHSFPT—10 000/35型整流變壓器和KHS—16 000/515型整流柜組成的整流機組，該機組采用三相全控橋、單機組12脈波、非同相逆并聯整流方式。正常開停車或升降負荷時，為防止系統出現功率因數過低和諧波含量過高等不良現象，采用升降有載開關與改變觸發脈沖角度相配合的優化方式控制電流。

為滿足離子膜電槽對直流電流的高精度控制要求，離子膜電解整流機組直流電流的控制除采用整流變壓器內設移相式有載27級自耦調壓粗調外，還可以通過整流控制柜的核心單元—全數字晶閘管觸發調節控制器（以下簡稱觸發器）進行細調。該觸發器采用雙窄脈沖移相觸發方式，可以用手動或自動模式方便地對電槽電流進行全過程、微級差控制調節，其中手動模式又分觸摸屏本控和工藝系統DCS遠控2種途徑。

2 現場現象及原因分析

新裝置投運后，在每次的開停車過程中或因生產需要升降負荷時，都要通過工藝系統DCS遠控途徑按照工藝要求升降電流，而此時會出現電流升幅過大（最大為220～240 A/次）現象。在開車過程中，如此大的電流變化往往造成電解液位波動、氯氫壓差波動等明顯異常，這顯然不能滿足離子膜電解工藝對直流電流高平穩性的要求。

為了有效解決這一問題，首先對DCS系統遠控電解電流的控制過程進行分析。整流控制系統原理框圖見圖1。

圖1 整流控制系統原理圖

圖2 微分電路圖

從圖1可知，當操作人員自DCS操作站發出升電流指令后，經計算機運算后通過控制柜I/O卡件輸出信號至光電隔離模塊，經光電耦合后，驅動輸出繼電器KA1。之后，KA1的動合觸點接通整流控制柜內的升流繼電器KA2線圈，再由KA2的動合觸點接通觸發器的脈沖調整電路，從而提升整流柜輸出電流。降電流時另有類同電路，原理相同。

表觀上看，正常的升降電流過程是一種間歇性的微級差調節過程。在此過程中，KA1、KA2始終處于間歇性閉合狀態，其輸出雖為干接點，但與下游電路配合后卻相當于輸出脈沖信號，即KA1的閉合時間決定了KA2的閉合時間，也可以認為，KA1輸出脈沖的寬度決定了KA2輸出脈沖的寬度。進一步觀察發現，KA2輸出脈沖的寬度恰恰與觸發器輸出脈沖的改變量呈正相關關系，即KA2閉合時間長，則觸發器輸出脈沖的移相角度就大，電解電流的改變量（升幅）也大。

經過深入分析和試驗后發現，因KA1的驅動程序中雖無得電自鎖功能，但為保證繼電器可靠動作，其指令信號設有0.5 s的自保持時限，加上繼電器每次動作時的固有時間約50 ms,KA1每次輸出脈沖的寬度約為550 ms；又由于KA2為無延時、無自鎖設置的從動性繼電器，其每次輸給觸發調節控制器的脈沖寬度約達到600 ms，正是如此寬度的指令信號，直接造成了觸發器輸出脈沖移相過度，從而導致了電解電流的升幅過大。

圖2虛線框內電路即為新增設的微分電路，其中，C為微分電容，根據KA2的線圈電壓等級，選470 μF/50V電解電容；R為放電電阻，選4.7 kΩ/0.5 W色環電阻即可；D為續流二極管，選1N4007即可。微分電路效能原理見圖3。

圖3 微分電路效能原理圖

3 電路改進及效果檢驗

基于上述現狀，決定從縮短KA1或KA2的閉合時間著手，有效降低電槽每次提升負荷時的電流升幅。

由于KA1繼電器的閉合時間由DCS系統的應用程序決定，其500 ms的自保持時限雖有冗余之嫌，但卻是合理、必要的設置，其程序已統一固化，若隨意調整，極有可能降低整個系統的可靠性和靈敏性。要降低電槽提升負荷時的電流升幅，只能著眼于縮短KA2的閉合時間。為此，嘗試采用微分電路限制KA2的得電閉合時間，具體電路見圖2。

在t=0時，KA1吸合，KA2前端A點輸入電壓，Vi由零突變為24 V。在這一瞬間，電容C還來不及累積電荷，因此，Vc=0，輸入24 V電壓全部降落到KA2線圈Rz上，KA2吸合，由其控制的下游升流指令電路輸出端Vo發生幅度為E的正跳變。當t＞0時，電容C的電壓按指數規律上升，KA2線圈Rz的電壓Vz則按指數規律相應地下降，當t=（3～5）RzC時，電容C的電壓接近穩態值24 V，而Vz相應地下降為零，KA2釋放，Vo恢復為零電平?？梢姡惹氨緫cVi同樣脈寬的Vo，因微分電路的作用，使Vo變窄了，并且因Rz值不變，C值愈小，則KA2得電吸合的時間愈短，升流指令電路輸出電壓Vo的脈寬就愈窄，電解電流升幅就越小。

電路改進后，經反復操作試驗，KA2每次的得電閉合時間縮減至約150 ms，電槽每次提升負荷時的電流升幅由220～240 A降至40～50 A，完全符合微級差精確控制電解電流的工藝要求。

4 可行性分析

電容、電阻、二極管等器件均為價格低廉、體積小的常用電子元件，經久耐用，可在整流控制柜內的任一狹小空間安裝固定，通過細線連接，即可長期應用。況且，由電容、電阻、二極管等器件組成的微分電路處于KA2繼電器線圈的前端外圍，連接線十分方便，絲毫不破壞控制柜內電路系統的完整性。因此，本方案既經濟又簡便，是可行、實用的。

5 需要說明的問題

本改進方案應用微分電路，是由于它具有保留輸入信號變化部分而削弱不變化部分的功能，即該微分電路可以將來自KA1的寬方波信號變換為尖脈沖，既驅動KA2吸合，又保證KA2不至于長時閉合。但在具體應用中，還需注意以下幾點。

（1）KA2的閉合時間取決于RzC值，由于KA2均為MY4NJ/DC24V繼電器，其直流電阻Rz=650 Ω不變,則C值愈小，KA2每次閉合的時間愈短，有利于電解電流的微級差精確控制，但當C值過小時，KA2可能來不及吸合就已被微分電容隔離，電流控制功能反而失靈。所以，針對不同場合、不同設備，應當根據對電流升幅的具體要求，合理選擇C值。

（2）放電電阻R的作用同樣重要。在KA1間歇斷電的時段，只有將電容C兩端的電荷通過R釋放并恢復到接近零電平后，才允許KA1發出下一個方波脈沖指令。但選取R值時，至少要考慮以下2個因素。首先，R應遠大于KA2線圈的直流電阻值，至少保證R≥5Rz，只有這樣，才不會增加KA1的觸點負荷，也不會因分流過多而影響KA2的靈敏吸合。其次，根據KA1每兩次得電吸合之間的最短間歇時間tq一般為20～45 s，應使RC遠遠小于tq，即RC＜＜tq，至少保證R≤tq/5C，只有這樣，才能保證在KA1發出下一個指令信號前將C兩端電荷放盡。

（3）二極管D兼具續流與放電作用，既可在KA2斷電瞬間提供電流通路，削弱自感電動勢，又可為電容C的放電提供加速通道，其作用不容忽視。實際應用中，需格外注意該二極管的連接極性，陰極接電源正，陽極接電源負。

6 結語

離子膜整流裝置的電流控制系統經過上述成本極小的改進后，有效改善了每次提升負荷時因電流升幅過大而導致氯氫壓差波動嚴重的不良狀況，微級差精確控制電解電流技術上也更臻完善。除此之外，還消除了一項隱性缺陷，即便KA1因指令程序出錯或自身卡滯等原因出現觸點長時間接通的現象，也不會造成電流失控的嚴重后果。

Precise control of rectifier current by fine tuning electrical circuit

ZHANG Zhi-wei，ZHAO Zhen-wei
（Ningxia Jinyuyuan Chemical Group Co.,Ltd.,Qingtongxia 751601,China）

The transformation of electric current control unit on rectifier was introduced.The problems of chlorine and hydrogen pressure fluctuations caused by electric current increasing degree too large were resolved.

electrolytic cell;rectifier;direct output current;fine tuning electrical circuit

TM461

B

1009－1785(2011)02-0007-02

2010-09-25