大功率整流器勵磁系統(tǒng)大功率整流器的增容設計

現(xiàn)代大型水輪發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，多采用大功率晶閘管整流器，為發(fā)電機提供強大的轉(zhuǎn)子勵磁電流。隨著電力電子技術的發(fā)展，大功率及超大功率晶閘管整流元件的出現(xiàn)，也為整流器的大型化、集中化和高容量、高可靠性提供了可能。過去需要五、六套并聯(lián)的，可用一兩套完成，大大簡化了設備結(jié)構(gòu)，降低了運行維護量，更提高了運行可靠性。如此高性能的晶閘管整流元件，必須配備一個能力相當?shù)纳崞?，才能保證它的工作狀態(tài)最佳、效力最高。同時本廠的發(fā)電機正面臨增容改造，勵磁的參數(shù)也有所增加，所以對勵磁系統(tǒng)大功率整流器的增容改造問題就擺在了面前，如何總結(jié)前期整流器改造的經(jīng)驗和不足，運用新技術、新產(chǎn)品、新工藝和新設計理念，全面提升整流器的性能指標，滿足機組增容改造的要求，就是要解決的問題，如何設計和評價整流器的性能配置，正是本文要討論的。

大功率整流器機組增容后的勵磁參數(shù)和性能要求

（1）發(fā)電機及勵磁系統(tǒng)基本參數(shù)的增加

本廠125 MW水輪發(fā)電機組，作為增容改造的對象，其勵磁系統(tǒng)的參數(shù)也要相應增加，勵磁方式也要由自復勵改為自并勵，這就對勵磁整流器的設計提出了具體的參數(shù)要求，詳見表1。

（2）勵磁系統(tǒng)增容的技術要點

本廠125 MW 水輪發(fā)電機組的國產(chǎn)勵磁系統(tǒng)，系采用交流側(cè)串連的自復勵勵磁方式，增容改造將去除發(fā)電機中性點串連變壓器，改造為自并勵勵磁方式。并要求發(fā)電機端正序電壓為 80%Ue 時，保證有2.0 Ule的強勵頂值電壓輸出；當發(fā)電機電壓為額定值時，強勵輸出有2.5 Ule 的頂值電壓。相應的要提高勵磁變的容量和二次電壓值，使晶閘管整流器的陽極電壓由現(xiàn)行的780 V 提高到965 V，從而引起了整流器運行工況的一些變化，例如陽極交流回路的絕緣水平、晶閘管的正反向峰值電壓、陽極電抗的重新分布對晶閘管觸發(fā)及換相的影響、整流器靜態(tài)、動態(tài)和暫態(tài)的均流措施等等，在新的條件下都會受到影響，其中的利弊尚需詳細的分析與判斷，才能做出合理的改造方案。

應用于本廠大型水輪發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)，負荷特性有別于其他整流器負荷，更超出一般水電廠運用方式，其特點是：⑴ 連續(xù)運行時間長，年運行小時數(shù)達6000~7000，負荷電流一般在1500 A 左右，稍小于額定值，并滿足1.1倍額定電流，稱之為常態(tài)指標；⑵ 容量儲備要足夠大，以應對兩倍強勵的需要，持續(xù)時間大于20 s，稱之動態(tài)指標，即平常只用到其輸出能力的1/3；⑶ 還要特別考慮系統(tǒng)可能發(fā)生的故障異常情況下，整流器承受的短路或誤強勵電流輸出，這不是其他技術措施可以限制的，必須靠整流器本身的高指標、高可靠性相抗衡，若考慮不周的話，一旦遇到故障，就會損壞整流器，這種情況的持續(xù)時間很短，只有幾秒鐘，稱之為極限沖擊的暫態(tài)指標。

定義了上述三個指標，用來衡量大功率整流器的輸出能力，把增容機組和現(xiàn)行改造應用的配置模型N/(N－1)列于表2。

根據(jù)系統(tǒng)增容的要求，基本容量要增加，常態(tài)出力2 kA，動態(tài)出力近4 kA；容量裕度也要增加最大達8 kA，也就是說一旦發(fā)生故障電流，整流器元件應有一定的堅持抗衡能力，不至于在故障切除之前就燒損或熔斷。這一點不但要求整流元件的品質(zhì)、指標要高，而且要求與之配套的散熱系統(tǒng)的動態(tài)散熱能力也要高，裕量要足夠。這就是機組增容對整流器和散熱能力的重點要求，因為固定的參數(shù)指標容易達到，而整流器的損壞，往往都是發(fā)生在異常的故障沖擊電流下，問題在于設計指標有沒有充分考慮周全。

整流器在多柜并聯(lián)的配置下，還應按(N－1)的原則考慮冗余，即一橋故障退出時，其余整流柜仍能滿足包括強勵在內(nèi)的所有功能。并聯(lián)支路的均流，宜以交流電纜的自然物理均流方式為主，并輔以其他均流方式(如調(diào)節(jié)方式)，這就是從勵磁系統(tǒng)增容和安全穩(wěn)定的角度設定的勵磁功率整流器的基本指標，也為下一步的技術改造鎖定了目標。

大功率整流器勵磁大功率整流器增容設計要點

勵磁大功率整流器的配置，除了前面討論的參數(shù)指標的要求外，還應注重解決好前期運用中暴露的問題，使裝置整體配置更合理，結(jié)構(gòu)更優(yōu)化，性能更好，運行更可靠，所以下面的問題必須解決好。

（1）大江電廠勵磁設備的安裝環(huán)境，對整流器的散熱和循環(huán)有所限制，熱風短路交換不足，使散熱效率降低，夏季依靠空調(diào)輔助降溫有所緩解，但仍未從根本上解決，改造時應重點考慮解決此問題，不論是風冷散熱還是自冷散熱，都必須提高熱交換量和交換空間，避免熱風短路，解決好環(huán)境適應問題。

（2）沒有交換就沒有散熱，交換量大了又增加了灰塵的聚集。二江采用的集中通風散熱系統(tǒng)，基本上解決了交換和清灰的問題，在沒有空調(diào)輔助的條件下，長期確保了勵磁設備的穩(wěn)定運行；大江20F、21F進口勵磁設備，采用集中鼓風，進風口加濾網(wǎng)的方式，也解決得很好，都可以參考借鑒；三峽勵磁采用的強迫風冷，風道引出，加空調(diào)、濾網(wǎng)和自循環(huán)，但循環(huán)空間有限，濾網(wǎng)的灰塵仍較多。另外，由于熱風不與外界交換，僅靠兩臺空調(diào)來平衡五臺整流器的發(fā)熱量，增加了對空調(diào)系統(tǒng)的依賴，而且全年都不能?？照{(diào)，從節(jié)能和整體可靠性的要求看有些欠缺。所以技術改造還不僅是換個柜子那么簡單，應該綜合考慮、因地制宜、整體配套、妥善解決這些問題。

（3）其他要關注的問題包括：均流方式和保證措施問題、阻容和過壓保護的配置問題、絕緣結(jié)構(gòu)問題，均風均熱結(jié)構(gòu)的設計問題，脈放和強觸發(fā)的配置問題、EMC電磁防護的問題等。

大功率整流器大功率熱管散熱整流柜散熱效果評價

為進一步選擇增容改造的方案，現(xiàn)代技術和產(chǎn)品的發(fā)展為我們提供了空間，但需要正確地評價和選擇技改方案，其要點就是：

（1）堅持標準：例如國標/行標(GB/T7409.3-1997，DL/T583-1995)均已明確規(guī)定的，晶閘管與散熱器接合

處的最高溫升為 40℃的標準。

（2）鎖定目標：例如增容機組要求勵磁常態(tài)輸出保證1.1倍的額定電流即2000 A， 動態(tài)保證2倍的強勵輸出即3600 A(～4000 A)，還有暫態(tài)能抵抗不小于8000 A的故障電流(該點也很重要)，同時滿足(N－1)的原則要求。

（3）綜合評價：由實測數(shù)據(jù)出發(fā)，反推出完整溫升散熱特性，即可確定標準溫升下的輸出能力，再作對比評價，結(jié)果就很清楚了，可以排除那些似是而非的數(shù)字游戲。

（4）圖表化處理：從散熱能力出發(fā)，融國家標準和設計規(guī)范于一體，直接關聯(lián)整流元件的I/P特性和散熱方式，就可由目標值直接選取適用元件，并確定散熱器熱阻，據(jù)此即可選擇不同的散熱方式，并做出性能、效率、經(jīng)濟性、可靠性等方面的綜合評價。

（5）整體配置：即從元件的選擇到性能的搭配，要綜合平衡，不能有瓶頸。還應有結(jié)構(gòu)和環(huán)境的配套設計，使裝置運行環(huán)境最佳，性能得到最大的發(fā)揮，可靠性也有保證。

整流器的主要應用是把交流電源轉(zhuǎn)為直流電源。由于所有的電子設備都需要使用直流，但電力公司的供電是交流，因此除非使用電池，否則所有電子設備的電源供應器內(nèi)部都少不了整流器。

至于把直流電源的電壓進行轉(zhuǎn)換則復雜得多。直流-直流轉(zhuǎn)換的一種方法是首先將電源轉(zhuǎn)換為交流，然后使用變壓器改變該交流電壓，最后再整流回直流電源。

整流器還用在調(diào)幅無線電信號的檢波。信號在檢波前可能會先經(jīng)增幅，如果未經(jīng)增幅，則必須使用非常低電壓降的二極管。使用整流器作解調(diào)時必須小心地搭配電容器和負載電阻。電容太小則高頻成分傳出過多，太大則將抑制訊號。

整流裝置也用于提供電焊時所需固定極性的電壓。這種電路的輸出電流有時需要控制，此時會以可控硅替換橋式整流中的二極管，并以相位控制觸發(fā)的方式調(diào)整其電壓輸出。

1、 整流主電路按接線方式分：A.雙反星帶平衡電抗；B.三相橋式或同相逆并聯(lián)雙反星帶平衡電抗器；C.同相逆并聯(lián)三相橋式；D.六相雙反星型電路E十二相雙反星帶平衡電抗器，功率元件采用大功率晶閘管。

2、 整流變壓器采用0.27或0.35 mm高導磁率，無向冷軋硅鋼片，設計成五柱三相輸入，初次級用電阻率低的無氧紫銅線繞制；主變壓器采用兩次真空浸漆、烘干，使其安全系數(shù)和穩(wěn)定性得到有效的保障。

3、 冷卻方式分為自冷戶外式、風冷、水冷、油浸水冷等可按工藝要求選擇。

4、 具有周期換向、正向、反向三種可選工作狀態(tài)，正負極切換時間、電壓、電流調(diào)節(jié)可任意設定，可自動更換輸出電流的極性，有利于增加鍍層的硬度、致密度與光亮度。

5、 三相集成觸發(fā)控制板采用日本技術，具有多重保護措施，是一切新穎高效抗干擾強沖觸發(fā)電路，性能非常先進；控制電路的觸發(fā)器和調(diào)節(jié)器集成化、數(shù)字化，并采用計算機優(yōu)化設計的大板結(jié)構(gòu)，可靠性高檢測調(diào)試方便。

6、 具有自動計時功能，可以更好的實現(xiàn)列鍍層厚度、硬度、耐磨性等質(zhì)量上的控制，可根據(jù)用戶的工藝要求增加不同的功能。

7、 設備設有過電壓、欠壓、過電流、水壓降低、元件溫度過高、缺相等保護環(huán)節(jié)及相應故障報警的功能；可設置多套工藝方案，如電流、電壓、脈沖、時間、安培小時計等，并可調(diào)用修改執(zhí)行。

8、 可實現(xiàn)遠控箱遠程控制和中安集中控制，根據(jù)用戶的要求采用PLC可編程控制器實現(xiàn)繼電操作、保護工藝過程的自動化。

9、 產(chǎn)品柜體可采用電腦標準化設計，箱體整體密封設計，結(jié)構(gòu)上采取了防鹽霧酸化的措施，局部采取塑料件結(jié)構(gòu)，既防腐又美觀，同時又基本上克服了大電流磁場渦流發(fā)熱的影響，而且設備的損耗小，效率高。

10、具有軟啟功能，防止啟動時的瞬間電流對整流器造成損傷，及避免工件燒焦。

11、輸出紋波數(shù)最大輸出時≤5%，≤3%，≤2%，≤1%。

12、整機可長期滿載，安全可靠運作。

13、輸出直流電流：100A-80000A。

14、輸出直流電壓：0-12V、8V、24V—500V等，可按工藝要求選擇。

整流器是一個整流裝置，簡單的說就是將交流轉(zhuǎn)化為直流的裝置。它有兩個主要功能：第一，將交流電變成直流電，經(jīng)濾波后供給負載，或者供給逆變器；第二，給蓄電池提供充電電壓。因此，它同時又起到一個充電器的作用。

在以大功率二極管或晶閘管為基礎的兩種基本類型的整流器中，電網(wǎng)的高壓交流功率通過整流器變換為直流電源。提到未來的其它類型整流器：以不可控二極管前沿產(chǎn)品為基礎的斬波器、斬波直流/直流變換器或電流源逆變型有源整流器。顯然，這種最新型的整流器在技術上包含較多要開發(fā)的內(nèi)容，但是它能顯示出優(yōu)點，例如它以非常小的諧波干擾和1的功率因數(shù)加載于電網(wǎng)。

株洲金源電力電子設備有限責任公司（簡稱株洲金源）是以計算機控制為發(fā)展方向、專注于大功率整流器的研制開發(fā)、設計制造、生產(chǎn)和銷售的技術性企業(yè)，地處江南工業(yè)新城——株洲市，交通便利，環(huán)境宜人。

株洲金源電力電子設備有限責任公司主要產(chǎn)品有電化學、電冶金用的整流裝置，電解電源，直流電機調(diào)速裝置，電鍍電源、蓄電池充電電源，交流電機調(diào)整裝置，同步電動機勵裝置和各種裝置用的控制板。同時銷售整流變壓器、動力變壓器、高低壓開關柜、純水油水冷卻器等成套裝置。

株洲金源繼承眾多長期從事大功率半導體整流器的經(jīng)驗，并不斷創(chuàng)新和發(fā)展。使我廠產(chǎn)品電流從100A到100KA大型整流機組，廣泛用于冶金、化工、電力和交流等各個行業(yè)。自投入使用以來，以性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠、系統(tǒng)節(jié)能。操作方便和周到服務深得用戶好評。 2100433B

單晶硅片主要用于制作半導體元件。

用途： 是制造半導體硅器件的原料，用于制大功率整流器、大功率晶體管、二極管、開關器件等

現(xiàn)在，我們的生活中處處可見“硅”的身影和作用，晶體硅太陽能電池是近15年來形成產(chǎn)業(yè)化最快的。

熔融的單質(zhì)硅在凝固時硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向相同的晶粒，則這些晶粒平行結(jié)合起來便結(jié)晶成單晶硅。

單晶硅片的制法通常是先制得多晶硅或無定形硅，然后用直拉法或懸浮區(qū)熔法從熔體中生長出棒狀單晶硅。

單晶硅棒是生產(chǎn)單晶硅片的原材料，隨著國內(nèi)和國際市場對單晶硅片需求量的快速增加，單晶硅棒的市場需求也呈快速增長的趨勢。

單晶硅圓片按其直徑分為6英寸、8英寸、12英寸（300毫米）及18英寸（450毫米）等。直徑越大的圓片，所能刻制的集成電路越多，芯片的成本也就越低。但大尺寸晶片對材料和技術的要求也越高。單晶硅按晶體生長方法的不同，分為直拉法（CZ）、區(qū)熔法（FZ）和外延法。直拉法、區(qū)熔法生長單晶硅棒材，外延法生長單晶硅薄膜。直拉法生長的單晶硅主要用于半導體集成電路、二極管、外延片襯底、太陽能電池。目前晶體直徑可控制在Φ3~8英寸。區(qū)熔法單晶主要用于高壓大功率可控整流器件領域，廣泛用于大功率輸變電、電力機車、整流、變頻、機電一體化、節(jié)能燈、電視機等系列產(chǎn)品，目前直徑可控制在Φ3~6英寸。外延片主要用于集成電路領域。