電解鋁穩(wěn)流系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因探究

黃 峰，殷功合，何洪亮，王丙亮

(河南神火鋁業(yè)股份有限公司永城鋁廠，河南永城 476600)

1 前言

隨著電解鋁技術(shù)的不斷更新，電解槽的供電電流不斷提高，目前大型預(yù)焙電解槽在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的優(yōu)勢(shì)逐步體現(xiàn)，因此供電電流的穩(wěn)定性對(duì)電解槽運(yùn)行的穩(wěn)定性極為重要，最初的模擬信號(hào)穩(wěn)流系統(tǒng)已逐步淘汰，數(shù)字穩(wěn)流系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電冶金行業(yè)，但是由于其主要以PLC及數(shù)字控制單元為控制對(duì)象，致使穩(wěn)流系統(tǒng)的穩(wěn)定性給眾多廠家?guī)砹穗y題。

2 穩(wěn)流系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理

ZZX 10整流機(jī)組數(shù)字穩(wěn)控柜按其系統(tǒng)功能來分，主要由機(jī)組穩(wěn)流控制系統(tǒng)、機(jī)組PLC監(jiān)控系統(tǒng)兩部分組成。按其結(jié)構(gòu)布置方式分A穩(wěn)控柜和B穩(wěn)控柜，其中各柜中均包含有一套位移、控制主回路電路。兩者不同處在于：機(jī)組監(jiān)控PLC及POD操作界面布置于A柜上。ZZX 10整流機(jī)組數(shù)字穩(wěn)控柜的系統(tǒng)原理如圖1所示。

3 機(jī)組穩(wěn)流控制系統(tǒng)原理

3.1 機(jī)組自飽和電抗器穩(wěn)流控制原理

大容量整流裝置的自飽和電抗器一般有三種繞組，即：工作繞組（變壓器閥則母排，匝數(shù)為1匝）、位移繞組、控制繞組。

在自飽和電抗器穩(wěn)流調(diào)節(jié)工作過程中，控制繞組的安匝IkWK與工作、位移繞組的安匝IgWg極性是相反的，即控制繞組的安匝對(duì)工作繞組的安匝是助磁作用，而位移繞組的安匝為祛磁作用。

實(shí)際穩(wěn)流調(diào)節(jié)控制過程中，位移電流Iwy與整流柜工作Id電流關(guān)系如圖2所示。

圖2 位移電流Iw y與整流柜工作Id電流關(guān)系圖

由圖2可知，位移電流Iw與整流柜工作Id電流呈反比關(guān)系，當(dāng)給位移繞組加一直流電流時(shí)，整流柜輸出電流減小；當(dāng)位移電流增加到一定值時(shí)，輸出電流不再變化，飽和電抗器進(jìn)入極限深控狀態(tài)，此電流為位移繞組的臨界工作電流。

控制電流Iwk與整流柜工作Id電流關(guān)系如圖3所示。

圖3 控制電流Iw k與整流柜工作Id電流關(guān)系圖

由圖3可知，控制電流Ik與整流柜工作Id電流呈正比關(guān)系。當(dāng)給控制繞組加一直流電流時(shí)，整流柜輸出電流增加；當(dāng)控制電流增加到一定值時(shí)，輸出電流不再變化，飽和電抗器進(jìn)入飽和工作狀態(tài)，此電流為控制繞組的臨界工作電流。

機(jī)組自飽和電抗器穩(wěn)流控制原理，就是利用自飽和電抗器鐵芯勵(lì)磁特性的安匝平衡變換原理，通過調(diào)節(jié)控制繞組電流Ik改變鐵芯磁密，來調(diào)整控制角，達(dá)到對(duì)整流柜輸出直流進(jìn)行調(diào)壓穩(wěn)流控制目的。其系統(tǒng)工作原理框圖如圖4所示。

由圖4可以看出，當(dāng)給位移繞組加一固定直流電流，控制繞組電流與整流器輸出直流電流組成一單閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過控制繞組的控制電流來調(diào)節(jié)整流柜的輸出直流電流，從而達(dá)到自動(dòng)穩(wěn)流的目的。

3.2 機(jī)組穩(wěn)流控制系統(tǒng)構(gòu)成

我單位使用的九江整流器廠ZZX 10整流機(jī)組數(shù)字穩(wěn)控柜的機(jī)組穩(wěn)流控制系統(tǒng)主要由穩(wěn)流控制主回路及機(jī)組穩(wěn)流控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)兩大部分組成。

3.2.1 穩(wěn)流控制主回路

每套整流機(jī)組的兩臺(tái)整流柜各采用一套獨(dú)立的自飽和電抗器穩(wěn)流控制主回路（分別置于A、B穩(wěn)控柜內(nèi)），其均包含有位移回路和控制回路。

位移回路是由調(diào)壓器、位移電源變壓器、三相整流橋電路、平波電抗器及電壓吸收回路組成。

控制回路是由控制電源變壓器、三相整流橋、IGBT調(diào)寬電路、平波電抗器、電壓吸收回路組成。

3.2.2 穩(wěn)流控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)

JM 820數(shù)字穩(wěn)流控制器，是我廠最新開發(fā)的大容量二極管整流裝置飽和電抗器穩(wěn)流控制系統(tǒng)中的數(shù)字穩(wěn)流控制專用模塊。它集模擬變換采集、數(shù)字穩(wěn)流運(yùn)算、脈寬調(diào)制保護(hù)以及遙控、遙信等功能于一體，能獨(dú)立輸出PWM高頻信號(hào)，控制IGBT回路調(diào)節(jié)控制電流。它是上一代模擬穩(wěn)流系統(tǒng)的升級(jí)換代產(chǎn)品。

在ZZX 10整流機(jī)組數(shù)字穩(wěn)控柜中，對(duì)應(yīng)每套整流機(jī)組Y/△側(cè)，分別采用由JM 820穩(wěn)控器構(gòu)成的兩套完全獨(dú)立的數(shù)字P I D穩(wěn)流調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，由此即可完成Y/△兩側(cè)的整流機(jī)組飽和電抗器相應(yīng)控制繞組電流的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制功能，借以實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)組輸出直流電流的數(shù)字穩(wěn)流控制。

JM 820穩(wěn)控器的所有調(diào)試工作和運(yùn)行控制都是通過數(shù)字通訊完成的，模塊上有兩個(gè)獨(dú)立的通訊口，它們功能設(shè)置完全等同，可分別與上位監(jiān)控PLC和專用LCD界面顯示器相連接通信。

4 穩(wěn)流系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因

（1）JM 820中P I參數(shù)設(shè)定不適當(dāng)，致使輸出電流反映出現(xiàn)緩慢或過快現(xiàn)象，從而導(dǎo)致系列電流輸出的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致輸出電流嚴(yán)重偏離給定電流。

（2）部分電氣元件的老化，導(dǎo)致元器件的性能參數(shù)發(fā)生變化，致使輸出值偏離實(shí)際值，導(dǎo)致輸出電流上下波動(dòng)，偏離給定值。

（3）無功功率補(bǔ)償過補(bǔ)償，實(shí)質(zhì)上是容性無功功率過大了，既然是無功功率過大，無論容性還是感性，都是無功功率，都導(dǎo)致功率因數(shù)降低。過補(bǔ)償（容性無功偏大），也可能導(dǎo)致線路發(fā)生諧振，致使穩(wěn)流系統(tǒng)波動(dòng)大，導(dǎo)致輸出電流不穩(wěn)定。

（4）槽電壓的波動(dòng)致使系列電壓的波動(dòng)，致使系列電流為了達(dá)到設(shè)定值上下波動(dòng)，導(dǎo)致輸出電流不穩(wěn)定。

（5）高壓側(cè)系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定，致使變壓器輸出電壓發(fā)生變化，從而導(dǎo)致整流柜經(jīng)橋式整流后的直流波形發(fā)生變化，引起系列電流輸出發(fā)生變化，導(dǎo)致電流輸出不穩(wěn)定。

5 防止穩(wěn)流系統(tǒng)不穩(wěn)定的措施

（1）對(duì)JM 820中P I參數(shù)適當(dāng)設(shè)定，一般設(shè)置在P參數(shù)：24000，P移位：8，I參數(shù)：13500，I移位：17。

（2）對(duì)電氣線路板進(jìn)行定期測(cè)試，對(duì)發(fā)生變化的控制板進(jìn)行及時(shí)更換，確保電氣控制板標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

（3）定期測(cè)試供電系統(tǒng)的諧波含量，避免過補(bǔ)償，形成線路諧振是，致使穩(wěn)流系統(tǒng)波動(dòng)大，導(dǎo)致輸出電流不穩(wěn)定。

（4）防止電解槽生產(chǎn)參數(shù)寬范圍進(jìn)行修改，以免電解槽生產(chǎn)狀況發(fā)生擺動(dòng)，致使系列電流為了達(dá)到設(shè)定值上下波動(dòng)，導(dǎo)致輸出電流不穩(wěn)定。

6 結(jié)束語

河南神火鋁業(yè)公司永城鋁廠整流機(jī)組在經(jīng)歷了系列電流不穩(wěn)定的影響下，致使電解槽生產(chǎn)狀況非常不穩(wěn)定，給電解生產(chǎn)帶來了非常不利因素。因此穩(wěn)流系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性對(duì)電解生產(chǎn)至關(guān)重要，穩(wěn)流系統(tǒng)的日常維護(hù)和定期測(cè)試顯得尤為重要。