大功率整流器多個支路并聯(lián)的均流分析

侯豐

摘 要：針對目前大功率整流器的使用情況，本文首先對均流進(jìn)行簡述，然后探討影響大功率整流器多個支路并聯(lián)的均流的因素，最后提出解決辦法，以期為相關(guān)學(xué)者的研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：均流;大功率整流器;多支路并聯(lián)

中圖分類號：TM461 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）13-0138-04

Abstract： In view of the current situation of high-power rectifier， this paper first gave a brief description of current sharing， then discussed the factors affecting the current sharing of multiple branches of high-power rectifier in parallel， and finally put forward solutions， with a view to providing reference for the research of relevant scholars.

Keywords： current sharing;high power rectifier;multi-branch parallel connection

1 研究背景

整流系統(tǒng)主要由整流變壓器、濾波器、整流柜等裝置組成。其中，整流變壓器的損耗在整流系統(tǒng)部件中占有很大一部分;整流柜中的電力電子器件是整個整流系統(tǒng)的核心部件。目前，國內(nèi)外大功率整流系統(tǒng)大多采用二極管、晶閘管作為整流元件。半導(dǎo)體二極管的出現(xiàn)開辟了能量變換的新方式，由其構(gòu)成的整流系統(tǒng)具有諧波小的優(yōu)點，但二極管的開通與斷開不能控制。隨著晶閘管的出現(xiàn)，以晶閘管為代表的整流技術(shù)具有調(diào)壓范圍廣、精度高、可靠、高效率以及控制靈活、操作簡單的優(yōu)點，并且在相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。近年來，GTR、GTO、MOSFET和IGBT等這些大功率可關(guān)斷器件，在整流系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，具有控制靈活、諧波減小等優(yōu)點。但是，目前可關(guān)斷器件的價格、電路復(fù)雜、產(chǎn)生高次諧波、耐壓等級、容量等因素限制了晶閘管在實際工程中的廣泛應(yīng)用。

目前，晶閘管整流在我國電解領(lǐng)域占有主導(dǎo)地位。大功率整流系統(tǒng)在電解化工行業(yè)大多應(yīng)用多重化技術(shù)，基于新型整流變壓器的整流系統(tǒng)不僅可以減少整流系統(tǒng)對整個電力系統(tǒng)的諧波污染，而且還可以減小輸出的電壓和電流畸變率。在大電流工業(yè)應(yīng)用中，晶閘管相控整流器是最常用的技術(shù)。晶閘管整流器效率較高，約為97%[1-3]。晶閘管整流器的主要優(yōu)勢是高效率、高可靠性、負(fù)載電流控制得好、成本低和技術(shù)成熟。由于電解工藝不斷進(jìn)步，大規(guī)模電解槽需要的直流電流從幾十千安到幾百千安不等，整流系統(tǒng)采用大功率多機(jī)組并聯(lián)的方式為電解槽提供電源，單臺6脈波晶閘管整流柜的電流最高達(dá)到幾十千安，二極管整流柜的電流甚至更高。當(dāng)整流柜的電流要求達(dá)到一定值時，由于器件容量等原因，需要多個整流元件并聯(lián)供電才能滿足要求。整流元件并聯(lián)使用過程中，每個支路的均流問題嚴(yán)重影響整流器的安全運行。本文從器件、布局、脈沖觸方多個影響均流的方面進(jìn)行分析，針對晶閘管整流器多支路并聯(lián)均流方式進(jìn)行探討，提高均流水平，為整流器的安全運行提供幫助。

2 均流介紹

為了滿足電化學(xué)工業(yè)所需直流大電流的要求，在設(shè)計制造中都采用大功率硅（可控硅）整流器，在一個橋臂上并聯(lián)多個元件，增大單個整流器直流輸出電流，整流側(cè)采用多臺整流器并聯(lián)運行的方式向生產(chǎn)提供足夠的系列大電流。為提高整流器的運行效率、減少各環(huán)節(jié)的功率損耗，實現(xiàn)節(jié)能降耗作用，必須提高對整流器均流系數(shù)的要求。

2.1 均流系數(shù)

從圖3可知，各支路在導(dǎo)通期間，由于受磁場的影響，在開通時兩端的整流元件上升快，中間的整流元件上升慢。開通后一段時間，所有支路元件的電流趨于平衡。

3.4 整流橋橋臂間互感

在大功率整流中，三相橋式整流電路由6個整流橋臂構(gòu)成，三相相A、B、C各有一個正橋臂和負(fù)橋臂。由于整流柜空間的限制，整流橋臂布局在一個柜內(nèi)，橋臂間和橋臂支路間的磁場會產(chǎn)生互相干擾。如圖4所示，橋臂的導(dǎo)通順序為1-2-3-4-5-6-1循環(huán)，任一時刻都有兩個橋臂同時導(dǎo)通。如圖5所示，起始時刻為6-1同時導(dǎo)通，在1導(dǎo)通的中間時刻，6和2換相，變?yōu)?-2導(dǎo)通;在2的中間時刻，1和3換相，變?yōu)?-3導(dǎo)通，以此類推順序循環(huán)導(dǎo)通。以1號橋臂來分析，其導(dǎo)通的前一半時間是1-6號橋臂共同導(dǎo)通，后一半時間是2-3號橋臂共同導(dǎo)通。從結(jié)構(gòu)上來看，6號橋臂靠近1號橋臂，而2號橋臂遠(yuǎn)離1號橋臂，因此，導(dǎo)通的前半部分受6號橋臂的磁場影響大，而導(dǎo)通的后半部分受2號橋臂的影響小。這種情況對中間的四個橋臂2-3-6-1影響基本相同，而對靠近兩側(cè)的橋臂5-4則影響很小。這種情況會造成中間四個橋臂導(dǎo)通時前半部分和后半部分電流不一致。

3.5 晶閘管的脈沖

對于晶閘管整流器，各支路晶閘管的脈沖一致性、脈沖功率、脈沖前沿上升率和晶閘乏怕門極參數(shù)一致性會對晶閘管的開通一致性產(chǎn)生影響。

3.6 其他因素

3.6.1 交流側(cè)進(jìn)線排和直流側(cè)匯流母排的影響。以下進(jìn)上出為例，交流側(cè)進(jìn)線磁場會對整流臂下部的整流支路產(chǎn)生影響，直流側(cè)匯流母排的磁場會對整流臂上部的整流支路產(chǎn)生影響。對于交流側(cè)采用銅排互聯(lián)的整流橋，由于其銅排明顯呈現(xiàn)阻性，即電阻遠(yuǎn)大于電感，所以可以根據(jù)改變銅排的電阻來達(dá)到均流的目的。比如，通過在銅排上打孔的方式改變電阻的均流方式。

3.6.2 直流匯流母排的匯流方式的影響。側(cè)部出線的整流器匯流母線電流由內(nèi)側(cè)向外側(cè)電流逐步增大，中間出線的整流器匯流母線由兩側(cè)向中間電流逐步增大，因此，匯流母線電流磁場對每個橋臂的影響不一致，會造成橋臂間電流的不一致，對每個橋臂的上部元件的影響也不一致，從而影響橋臂上支路的均流。

4 提高均流系數(shù)的方法

4.1 整流元件參數(shù)的篩選

對于影響均流的整流元件參數(shù)整流管門檻電壓[VTo]和整流管斜坡電阻[rT]，廠家在出廠時提供的是在125℃溫度條件和一定通態(tài)電流條件測量的通態(tài)壓降[VTM]，不能完全反映電流上升的動態(tài)壓降變化曲線，也不能反映溫度變化條件下的通態(tài)壓降，因為在運用中往往不會應(yīng)用在額定最大溫度條件下。因此，在大功率多支路并聯(lián)條件下，應(yīng)要求廠家提供兩點以上電流條件和三點溫度條件下的管壓降，根據(jù)這些條件下的通態(tài)壓降[VTM]進(jìn)行匹配，使每個橋臂并聯(lián)支路的整流元件通態(tài)壓降[VTM]具有一致性。此外，也要注意每個整流元件的反向恢復(fù)電荷[Qrr]不要偏差太大，該參數(shù)影響整流元件的關(guān)斷時間。

4.2 整流支路器件的工藝一致性

整流器中可控硅是構(gòu)成整流支路的關(guān)鍵器件。元件的好壞與橋臂均流系數(shù)的提高有很大的關(guān)系，與其自身壽命長短也有較大關(guān)聯(lián)。同時，整流支路中要選用電阻一致性好的快速熔斷器，整流元件的散熱器和支路連接排的工藝一致性要好，要對安裝過程中各個部件螺栓扭力進(jìn)行一致性要求，在選擇時注意元件性能的穩(wěn)定，整流橋元件均流調(diào)整后，能夠長期維持理想均流狀態(tài)運行。另外，采購?fù)慌蔚脑材芴岣呦到y(tǒng)運行的可靠性。

4.3 整流橋臂支路的阻抗均流

通過分析整流橋臂磁場對均流的影響，可以得出兩端的整流元件電流大于中間的整流元件電流，可以采用調(diào)整整流支路感抗的方式來觖決此問題，對整流支路的連接排采用彎曲制作，并加大兩端的支路連接排彎曲路徑，以增加感抗，從而起到調(diào)節(jié)均流的作用。

4.4 整流柜的布局

對于整流橋臂磁場影響和相間磁場影響，采用綜短交流橋臂和直流橋臂以減小交鏈磁場的影響，采用增大橋臂間距以減小相間磁場的影響。

對于交流排和直流匯流排的磁場影響，可增大交流排和匯流母排與整流橋臂的距離[7-9]。

4.5 同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

對于可以采用同相逆并聯(lián)的整流器，采用同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)，使其整流臂靠近安裝，可以使同相逆并聯(lián)每個橋臂內(nèi)部的磁場相互抵消，從而不對周邊的整流產(chǎn)生影響，對相間均流和橋臂均流都有較大好處。

4.6 觸發(fā)脈沖的保障

對脈沖波形電路選用響應(yīng)速度快的器件，使脈沖前沿徒。對每個脈沖回路的器件一致進(jìn)行檢測，使每個晶閘管上的脈沖波形一致性較好，脈沖功率能夠滿足開通要求;選取門極特性一致性好的晶閘管，使晶閘管的開通一致性好。

5 結(jié)語

大功率整流器的均流對安全運行具有非常重要的影響。影響均流的因素較多，提高均流系數(shù)要從整流柜工作條件、成本、器件、結(jié)構(gòu)和控制等各方面綜合考慮，應(yīng)在整流器出廠和運行中對各支路均流進(jìn)行定期測量，增強運行和維護(hù)經(jīng)驗，保障整流柜的均流水平和安全運行。

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