基于数字化电解铝整流系统的工程应用

黄勇普，赖富强，张兴旺

（1.广西百色银海铝业有限公司，广西 百色533000；2.广州擎天实业有限公司，广东 广州510300）

1 引言

近几年来，随着自动控制技术、计算机技术、网络技术以及通信技术的快速发展，电解铝电气控制保护技术也日趋成熟，并不断地被推广应用，特别是随着国内铝电解生产规模的日益扩大，在供电系统中应用综合自动化技术已是必然趋势。

广西某公司铝电解生产线上配套使用的电解装置为广州某公司自主研制的基于工业计算机的全数字化系统－ELE9000 型二极管整流器。该系统自动化程度高，自2007年投运以来运行稳定，并具有节约电能的特点。

整流机组是电解铝系统供电的核心设备，一旦发生严重故障不仅直接影响电解铝系统的正常生产，产生的直接和间接损失更是无法估计的。电解铝的生产需耗用大量电能，节能降耗对于企业而言具有非常重要的意义。直流电流的平稳度是影响铝电解产量的重要因素之一，因此控制系统的反应迅速、控制精度高、对阳极效应的抑制深，也是极为关键的。智能化、网络化的整流设备可以方便工厂的日常维护，保证长期可靠运行。

2 整流系统的设计方案

该系统包括4 套整流机组和1 套集中控制台。每套整流机组含整流器（ZES－43kA／860V）2台、就地控制柜（ELE9000 型）1 套（2 柜）。4 套整流机组共用1 台总控柜，其系统结构如图1所示。

每台整流器采用6 脉波全桥非完全同相逆并联连接方式，交流侧桥臂采用专利技术－一体化浇铸型导电排。每桥臂6 只元件并联，柜内共有72只5000A／4600V防爆型整流二极管，72 只5000A／800V 单体快速熔断器。交流为后中下部进线，直流为顶部出线。

就地控制柜采用ELE9000 型控制系统，它以工业控制计算机为核心，可靠性好、功能丰富、自动化程度高。就地控制柜对本机组进行稳流调节，控制有载开关作电流粗调，控制饱和电抗器作电流细调，可抑制70V 以上的效应电压。

总控柜采用PLC 和智能触摸屏，主要完成在多机组并联运行情况下的系统总调稳流和每个机组负荷的均匀分配，保持单机组投切时的总电流恒定，同时也可以实时观察、记录整流系统的各种状态参数。

该系统有以下几个显著特点：

（1）它是一套完整的系统，通过现场总线，将整流系统各个部分有机的集成在一起；

（2）稳流控制柜内不采用PLC，而采用工控机作为稳流控制的核心，在保证可靠性的同时，大大提高了系统的智能化程度；

（3）交流侧桥臂采用一体化浇铸型同相逆变并联桥臂，使桥臂的电磁振动和电气绝缘问题得到了兼顾解决；

（4）直流侧母线在整流器前后布置，有效地解决了母线间短路隐患；

（5）系统数字化、智能化

该系统的数字化不仅体现在调节器上，还体现在整流柜、整流变压器和其它辅助设备上。整流系统的各个部分均能实现智能检测、智能显示、智能控制、信息智能传输和智能测试；

（6）CAN 总线的应用

图1 电解铝整流系统结构图

CAN 总线属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络，其最大特点是废除了传统的站地址编码，而是对通信数据块进行编码，通信实时性好、速度快，硬件简单，特别适合于工业过程监控设备的互联。该系统采用CAN 总线对整流系统的各个部分进行控制和信息交换，使整套整流装置成为一个完整体，既减少了大量的隔离器件、端子、柜间接线等，同时也节省了安装、维护等费用，提高了工艺水平，实现了彻底的分散控制。

3 全数字化整流系统的技术特点及功能

3.1 双通道冗余设计

ELE9000 控制柜由两个工控机控制通道组成，两控制通道之间互为热备用、自跟踪，出现故障时实现无扰动切换，可确保任何工况下控制系统的可靠性，防止“掉电”。

3.2 产品调试软件化

随机附送调试软件，操作人员通过电脑操作对设备进行调试并存储调试结果。控制柜需要更换板卡时，可直接将存储的数据拷贝，而不需要重新调试，使用简便。

3.3 故障录波功能

设备发生故障时，工控机自动保存故障前、后10s 的整流设备数据，便于进行故障分析。

3.4 远程诊断

设备发生故障时，经用户许可，整流系统生成方（广州某公司）可通过互联网直接连接整流设备，读取相关数据，进行故障分析，并指导现场操作人员对设备进行维护，方便快捷。

3.5 节约电能

ELE9000 系统控制器采用了先进的DSP 器件，可以实时采样机组高压侧的电压波形和电流波形，直接计算出本机的有功功率、无功功率和功率因数，联锁有载开关，便于实现节电经济运行。

3.6 产品技术升级

目前，电解整流器的控制方式仍采用恒流控制方式，电流值的整定仍依赖于人为设定，能耗浪费较为严重。随着自动化水平的提高，各种新工艺和控制技术不断出现，届时只需更新工控机控制器软件即可实现产品的更新换代，满足自动化生产的需要。

3.7 状态检修

ELE9000 整流系统在触摸屏上实时显示与整流系统相关的各种参数，包括各元件的状态参数。通过参数比较，可及时预判可能发生的故障，提前对系统进行检修，避免故障造成的损失。

3.8 现场总线（CAN 总线）技术

整流系统的各个部分通过现场总线进行控制和信息交换，使整流系统成为一个有机的、完整的整体，系统简洁，可靠性高。相关人员通过局域网可随时了解整流系统的工作状况。通讯线采用光缆材料，安全、抗干扰。

3.9 调节器故障自诊断

通常的双通道系统需要专门的控制通道切换器件，若该器件损坏则主通道故障时无法切换至备用通道，导致意外停机；而ELE9000 调节器双通道间具有互相巡检功能，故障时可自动退出故障通道并无扰动切换至备用通道。

3.10 控制系统无风扇设计

一般的稳流控制柜都必须加装散热风扇，以降低柜内的温升。因此，外界的尘埃、水汽和腐蚀性气体都会随着空气的流动进入柜内，并且沉积下来，造成故障隐患。ELE9000 控制柜采用了先进的器件和工艺，控制柜内发热量极小，不需要散热风扇，可以彻底杜绝这一问题。

3.11 先进的人机界面

就地控制柜和远控台均装有彩色触摸屏，具有显示、操作、报警、故障追忆等功能。整流系统各部分参数在触摸屏上完成。信息集中，操作简便。

3.12 在线检修

线路板安装采用标准欧洲板卡结构，出现故障时可直接拔插更换，不需停电。更换板卡后，可通过调试软件直接将存储数据下载至板卡中，而后直接开机，无需重新调试。

3.13 故障保护动作和信号传输的组态技术

用户可以通过软件自行修改各种故障保护的后续动作和接点定义。这种修改在图形化界面上完成，直观且不易出错，便于日常维护。

3.14 光纤通讯技术

整流系统内部的通讯采用光纤为介质。光纤具有天然的绝缘特性，它可以彻底实现整流柜和控制系统之间的电气隔离。光纤传输的是光信号，在复杂电磁环境下不易受到干扰。另外，光纤还具有速度快、损耗小、距离长等优点，非常适合总线系统大量的实时数据。

4 结束语

虽然电解铝厂的整流器电流、电压大幅提高，各电解铝厂供电的整流设备也基本满足要求，有些甚至还达到了国际水平，但是整流设备负荷率高，要求无故障、少维护、技术自动化，安全可靠性永远是首要问题。ELE9000 型二极管整流器控制器的核心PID 调节部分采用工业计算机控制，速度快、精度高、可靠性好，功能丰富。系统实现了冗余设计的先进理念，在调节器、控制电流整流桥、调节器供电电源、反馈信号和通讯系统都实现了冗余设计，从根本上保证了可靠性。

［1］黄 强，周东泳，李拓等.基于以太网的控制器网络的嵌入式网关开发［J］.电子技术应用，2007，1：33－35.

［2］王兆安.电力电子设备设计和应用手册［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［3］何则济.240kA 电解铝系统的电气控制与保护［J］.电气时代，2006，10：64－67.