一种极化电源装置的研制

摘要：介绍了一种极化电源装置，主要应用于离子膜、电解槽的阳极保护领域，采用AC-DC-AC-DC的PWM变流方式，包括主电路部分和控制系统部分，其中，主电路采用三相AC380 V输入，首先通过三相整流桥模块输出直流电，然后经直流滤波电容输出低纹波高质量的直流电，再经过单相逆变器逆变成单相交流电，通过高频变压器变压后输出交流电，最后经过单相全波整流输出高频直流电。相对于传统的相控整流方式，该极化电源装置采用IGBT作为开关器件，具有开关频率高、损耗小、谐波少、变流效率及功率因数高等优势，功率因数可达0.97以上。另外，该装置采用全数字化设计，具有实时通信功能，从而提高了装置的控制精度，改善了系统的动态性能和操作性能，保障了系统运行的稳定性。

关键词：极化电源;三相整流桥;直流滤波;全桥逆变;高频变压器;二极管

中图分类号：TM461  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）03-0025-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.03.007

1    技术领域

本文介绍了一种极化电源装置，主要应用于离子膜、电解槽的电极保护，具体是在冶金、化工行业使用500 A以上整流器的电解槽中用于短期停车保护。

2    背景技术

盐化工行业电解槽的电极保护采用极化电源，一般电流从几十安培到几百安培不等。当大功率主整流系统一次侧停电或突发故障停运时，极化整流系统需投入运行，电解槽检修或停电时也会投入极化整流系统。极化电源的主要作用是向电解槽提供一定的直流电，阻止电极向外放电，保护电解槽电极镀层不脱落，提高电解槽电极的电流效率并延长其使用寿命。

盐化工行业对极化整流系统的质量要求较高，需供给电解槽稳定的直流电流/电压，自动稳流精度±0.5%，一旦投入，电流/电压要马上达到额定值，要求时间短、过冲小。同时还必须减少设备运行过程中产生的谐波，提高整流设备的安全性、可靠性，这就需要一种极化电源的控制装置，以保证产品质量与精度。而目前大部分厂家电解槽的极化电源都在300 A以下，整流电路通过晶闸管模块相控整流方式实现，该方式的无功损耗和谐波分量很大，功率因数低，这在晶闸管深控时尤为明显。

3    新型极化电源装置的研制

为了克服上述缺陷，本文提出了一种新型极化电源装置，以大功率高频电源作为极化电源，采用AC-DC-

AC-DC变流模式，主电路部分采用二极管全桥整流和IGBT全桥逆变，控制部分采用双CPU结构，系统运行稳定可靠、维护方便。

3.1    主电路

该极化电源装置主电路如图1所示，包括三相整流桥电路、直流滤波电路、全桥逆变电路、高频变压器和二极管整流电路。

三相整流桥是由图1中DT1所示的二极管三相整流桥模块完成的，输入三相交流380 V经过DT1整流后输出500 V左右直流。

直流滤波由图1中C1所示的电容完成，C1并联在主回路（即主电路的主要回路）中，经DT1整流后的直流电压含有很多纹波，经C1滤波后可变成平滑的直流电压。

全桥逆变是由图1中VT1、VT2、VT3、VT4所示的IGBT完成的，VT1、VT4一组，VT2、VT3一组，这两组导通和关断是互补的，即交替开通和关断。如一个周期内，VT1、VT4导通时，VT2、VT3关断;VT2、VT3导通时，VT1、VT4关断。

高频变压器如图1中T1所示，经全桥逆变后的高频交流电，经T1升压或降压到需要的高频交流电压值。

二极管整流由图1中D1、D2所示的肖特基二極管完成，其特征在于经高频变压器输出的高频交流电，分别经D1、D2整流后输出高频直流电。

肖特基二极管D1，R1和C2为其阻容吸收电路，主要作用是消减由于漏感产生的反峰电压。

肖特基二极管D2，R2和C3为其阻容吸收电路，主要作用是消减由于漏感产生的反峰电压。

该极化电源装置主电路还包括图1所示的交流电流传感器SC1、直流电流传感器SC2、霍尔电压传感器SV1。其特征在于交流电流传感器SC1为穿孔式电流传感器，用于测量三相交流电压的进线电流;直流电流传感器SC2为穿孔式电流传感器，用于测量输出的直流电流;霍尔电压传感器SV1并联在输出正极和输出负极之间，用于测量输出的直流电压。

3.2    控制系统

该极化电源装置控制系统部分包括控制电路、脉冲产生和功率放大电路、通信电路、反馈电路、操作面板。控制系统为现有技术，具体如图2所示。

通信电路由图2中所示功能部件MCU2完成，其主要实现与PLC200的PPI通信，通信信息中包括给定信息、状态信息和报警信息等。

控制电路由图2中所示功能部件MCU1完成，极化电源由直流电流和直流电压反馈，当电压反馈和电流反馈与给定值有偏差时，MCU控制器根据外部稳压或稳流指令进行电压PI调节或电流PI调节，并发出脉冲的开通与关断信号。

脉冲产生和功率放大电路，其主要由专用PWM脉冲产生芯片TL494完成PWM脉冲的产生，然后经过功率放大电路驱动400 A/1 200 V级别的大功率IGBT。

操作面板由汉字显示屏和操作按键组成，主要完成基本信息、报警信息的显示以及面板稳流稳压的给定。

反馈电路共有三路，即直流电流反馈、直流电压反馈、交流电流反馈，三路反馈都送给操作面板显示，其中，直流电流反馈、直流电压反馈还分别用于稳流控制和稳压控制。

控制系统的给定有三种：操作面板给定、上位机给定、电位器给定，上位机给定由PLC与控制器通过PPI通信实现，三种给定采用的是兼容模式，可以同时工作。

4    装置的安装、使用及故障排除

该系统自2012年起在出口俄罗斯、法国、比利时等的氯碱项目中使用情况良好，因其体积小、易安装、方便操作等特点受到用户广泛好评。

装置安装注意事项如下：控制部分进出线采用电缆或穿管绝缘导线与变压器或低压馈电架空线连接;所有外部连接电缆均通过穿墙板进入柜内;交流互感器连接控制电缆不小于2.5 mm2，其他信号控制电缆不小于1.0 mm2，保护接地导线最小截面积为10 mm2，柜体外接地导线最小截面积为25 mm2;要求接线编号清晰、准确，对号入座，接头紧固可靠。

脉冲线连接时需注意对应其变压器出线;与整流变压器、高压柜之间的保护信号连线，应在其生产厂家的配合下按要求完成;穿线管道要固定，管头进行防水处理，多余导线进行绑扎，电缆头进行防水、防潮处理;检查各接线是否正確、牢固;高压和低压电缆应分开安装。

装置运行步骤如下。

4.1    送电前准备工作

（1）检查装置内部有无杂物，有则清除杂物;

（2）将电流电位器给定清零;

（3）检查启动开关是否在停止位置。

4.2    送电步骤

（1）接通主回路进线电源，确认面板上的指示灯亮;

（2）接通极化柜进线电源，确认面板上的指示灯亮;

（3）本/远控开关切换到“Local”位置为本控启/停极化;

（4）本/远控开关切换到“Remote”位置为DCS启/停极化;

（5）合上主回路塑料外壳式断路器（给定必须清零）;

（6）缓慢旋转电流给定电位器直至达到所需要的直流电流值，电流给定电位器一般情况下第一次调整正常运行后不需要再进行修改（除非工艺特殊要求）。

注：电压给定电位器在第一次调整正常运行后也无须再设定。

4.3    停电步骤

（1）将电流给定清零;

（2）停止极化柜;

（3）一般不需要关闭控制电源开关，建议电源保持通电状态，防止电子元器件受潮、发霉，影响下次正常开车;

（4）停电完毕。

4.4    故障排除

极化电源装置常见故障现象分析及排除方法如表1所示。

5    结语

与现有技术相比，采用本文所述结构的极化电源装置具有以下优点：以大功率高频电源作为极化电源，采用AC-DC-AC-DC变流模式，主电路部分采用二极管全桥整流和IGBT全桥逆变，控制部分采用双CPU结构，系统运行稳定可靠、维护方便。该设计能大大减小整流器的体积，且不需要体积庞大的工频变压器，变流效率达到90%以上，节能20%以上，极大地降低了成本。

收稿日期：2021-12-21

作者简介：章雅（1973—），女，江苏盐城人，高级工程师，研究方向：工程咨询。