電解整流裝置分析及改進

謝 濤

（攀鋼集團研究院有限公司，四川攀枝花 617000）

0 引言

在鍍鋅機組中，原料帶鋼表面有一層油污，這會造成鍍鋅板嚴重質量問題，如脫鋅、鼓包、花紋和分層等。為了提高涂鍍效果，必須對帶鋼進行清洗?？梢酝ㄟ^熱堿和刷輥的方式對帶鋼表面清洗進行機械清洗，其缺點是只能對帶鋼表面大部分污漬進行清洗，不容易清洗掉那些在帶鋼表面凹凸處和粘附較為牢固的點。為此在清洗系統中引入電解清洗技術。電解清洗就是堿液在電流的作用下，發生水點電解過程產生H2和O2，電解產生的氣體聚集在帶鋼表面，大量的氣體析出對油膜產生強大的乳化作用。電解清洗過程實際上是電極極化和氣體對油膜的機械撕裂作用的綜合，因此能在帶鋼表面和凹點深處產生氣泡把油污帶走，再通過刷輥的刷洗，很快使帶鋼的表面變得清潔。

在帶鋼油污相同的情況下，電流密度越大、清洗速度越快，為電解清洗提供穩定電源是才是重中之重。針對攀鋼冷軋廠2#鍍鋅機組中，電解清洗存在的問題進行分析和解決，從而提高2#鍍鋅的清洗質量。

1 電解清洗系統

電解清洗系統由電解槽、循環系統、變壓裝置、控制裝置、整流裝置、整流冷卻裝置和上位機系統等組成。其中，整流變壓器和整流柜在該系統中是主要設備，起到將高壓交流電源變為低壓的直流電源；控制柜和上位監控系統共同完成整套整流裝置的控制、調節、監視、報警及通信功能，保障安全穩定的運行；電解槽內裝有兩組極板，裝滿清洗帶鋼的堿液，為電解系統提供清洗場所；循環系統為電解清洗系統提供所需的清洗液；整流冷卻裝置是為了保證整流系統穩定運行對各極板和晶閘管進行冷卻。不難看出，整個系統中的核心部分是變壓裝置、控制裝置和整流裝置。

1.1 變壓裝置

在電解清洗系統中，經常采用低電壓大電流的可調直流電源，電流可達幾千安到上萬安。為了使系統電流達到所需的數值，常采用三相半波整流技術進行整流。為保證電源的穩定性，2#鍍鋅整流裝置采用12 脈波整流方式，在系統中為保證電源的穩定性，采用雙反星型變壓器，兩臺變壓器采用同一變壓器供電，在整流器變壓器中由于一次側分別采用星形、三角形接法，兩組變壓器二次側之間自然相差為30°。這樣就可以得到12 相差30°的電源。

1.2 整流裝置

在整流柜中共由24 個晶閘管、熔斷器和冷卻回路組成，整流元件分布在水冷母排上。在整流過程中由于在每一導通區域只有一只可控硅導通，并不能使設備在相間很平衡的工作，為使兩組并聯整流器能更有效地工作，將電抗器L1、L2 接于兩組星形的中點O1 和O2 之間，這地方的電抗器為均衡電抗器，其作用是：設備工作時兩組整流橋輸出的瞬時電壓差加在電抗器L 的兩端，電抗器可以補償兩組整流橋相應兩相線電壓的差值。

由于采用雙繞組進行降壓變壓器，這樣在二次輸出的電流是單相整流技術的兩倍，這是因為每一個變壓器上都有兩組三相半波整流電路并聯，這樣輸出的電流就可以增加兩倍。在電解整流系統中，電解槽中的堿液可以理解為一個電解水的過程，所以也可以理解為一個可變電阻。

2 電流的控制

電解清洗技術中常采用電流密度為100～210 A/dm2的高電流密度進行清洗，但隨著堿液的消耗，電解槽中的電阻變大，當不調整控制器的導通角度時，電解槽中的電流會發生波動，以達到系統的電流的穩定，來保證系統的清洗質量。根據自動控制原理，要維持電解電流恒定，就要將直流電流引入到控制的輸入端，形成電流閉環負反饋，即電流閉環控制。

2.1 電流閉環的組成

2#鍍鋅機組電解整流裝置控制柜中，電流閉環是由ABB 公司的DCS500 控制器、觸發器和直流電流檢測元件直流互感器組成（圖1）：上位機的給定通過網絡傳遞到DCS500 控制器中，由控制器識別并處理進行對比，輸出給整流裝置實時出發角度。

圖1 電流閉環原理

2.2 電流閉環系統分析

在生產過程中，由于堿液的消耗造成電解清洗槽中堿液濃度降低，這樣就造成電解槽中導電能力降低。根據公式I=U/R。其中，I 為電解整流槽中通過的電流，U 為加載在兩極板之間的電壓，R 為電解液的電阻。

當系統導電能力下降、R 增加時，因為設定I 為一個恒定值，加載在兩極板之間的電壓必然升高，這樣才能保證系統的穩定運行。當電壓增加到一定數值時，由于系統的過壓保護，造成系統故障，整流裝置停止運行。

3 系統存在的問題分析

3.1 機組電流的設定

在電解清洗的控制系統中，電解整流系統的電流可以手動設定和自動設定。手動和自動的切換時通過在機組的HMI 畫面可以直接切換，手動時直接在HMI 上直接給定。在上位機中，自動控制系統電流I=（s×0.412+17.64）×100。其中，s 為機組速度，I為自控控制的時候機組上位機對電解清洗系統電流給定值。需要注意的是，在機組速度低于30 m/min 時，整流器將不在工作，這是為了防止過電流將帶鋼擊穿造成斷帶。

從上面的分析可以看出，整個電解清洗系統電流的大小與機組速度成正比，而上位機系統并不直接參與電流控制，只是將機組速度和電流的關系直接反應出值的結果輸出給DCS500 控制器，因此可以理解為，上位機和整個電解清洗系統是一個開環控制，并不直接參加系統的控制。

在正常生產過程中，機組速度是固定的，因而電解電流也是一個固定值。隨著生產的進行和堿液的消耗，電解槽中的電阻逐漸變大，當電壓值過高時電解整流系統會跳閘保護設備。為了解決這個問題，可以改變控制方式，引入電解清洗系統的電導率進行堿液濃度檢測，電壓環進行整個系統的閉環控制，這樣可以很好地解決系統的穩定性。

4.2 電壓環引入控制

在系統中有電壓檢測，但是電壓只作為保護回來，并沒有參與系統的控制，為此可以將電壓信號加載在上位機的控制系統：當電壓到達一定數值時，可以將加堿液的閥門打開；當電壓降低到一定婁值時，可以將堿液的閥門關閉。這樣可以很好地控制堿液濃度，解決電解槽中堿液波動造成清洗質量的波動，同時還可以節約電能損耗和堿液的消耗。

根據實際生產經驗發現，在堿液濃度一定的情況下，電解清洗系統的電壓與機組速度成正比，而卻整個系統的電壓在機組速度最高時不超過32 V，為此可以得到U=0.14s±2。其中，U 表示的加載在電解清洗槽的電壓，s 表示的機組速度。需要注意的是，當機組速度不大于30 m/min 時，整流器自動停止工作。將此公式引入自動控制系統，以計算的值上、下偏差設定為5 V，這樣可以在程序中設定打開關閉加堿液的閥門，有利于降低勞動強度，提高設備的穩定性和可靠性。

4 總結

引入電壓環控制后，可以很好地解決生產過程中電解清洗的質量波動問題，也解決了由于電壓保護造成設備頻繁造成設備損壞，這樣可以較好地提高系統的穩定性和可靠性，降低操作人員的勞動強度。