饱和电抗器在铝电解整流供电中的应用.doc

饱和电抗器在铝电解整流供电中的应用 摘　要：文章介绍了电解铝生产整流供电的特点，简述了饱和电抗器的工作原理，分析了电解铝生产整流供电系统中饱和电抗器调节整流器输出电流的原理，并对稳流系统做了简要介绍。 关键词：饱和电抗器 整流器 　 恒流控制　 稳流系统 引言 电能是电解铝生产的重要能源，电解铝生产采用的是直流电，电能成本约占电解铝总成本的30%-40%。当直流电流通过电解槽时，一方面是利用它产生的热能将冰晶石融化成熔融状态，并保持恒定的电解温度；另一方面实现电化学反应，完成铝电解生产过程。铝电解生产供电有以下特点：①低电压、大电流的直流电；②直流电能生产的连续性；③直流电能供给的恒流性。 电解槽使用的直流电能通过硅整流装置供给。目前，国内大型整流设备除部分采用引进的可控硅整流装置外，大部分采用多相二极管整流，虽然可靠性高，但是当电网电压波动，或者电解槽发生阳极效应时会引起电解电流变化，电解电流的变化不但会破坏电解稳定的技术条件，而且使电解铝能耗大幅度增加。因此，为降低电解铝的能耗和稳定电解技术条件，采用二极管的整流器必须采取恒流控制的措施。恒定直流电流的调节方式一般为整流变压器有载调压与自饱和电抗器相结合的方式，有载调压为直流电压的粗调，自饱和电抗器为直流电压的细调，它是直流电流恒流控制的主要执行元件，调节直流电压的范围约为50～70V。 饱和电抗器 1.1 概述 电解铝生产用硅二极管整流装置，当采用饱和电抗器与有载调压分接开关的联合调压方式时，饱和电抗器必须实现以下职能： eq \o\ac(○,1) 在有载调压分接开关的直流级差电压范围内起到细调作用； eq \o\ac(○,2) 减少有载调压分接开关的动作次数，以延长其检修周期和使用寿命，为此饱和电抗器的调压范围应大于有载调压开关的直流级差电压，通常不小于两级差电压，同时也不应小于电解一个阳极效应的电压（40-50V直流电压）； eq \o\ac(○,3) 校正电网电压短时波动所引起的电解直流电流波动； eq \o\ac(○,4) 校正各整流机组之间或同一机组两整流装置之间的负荷分配不均。 1.2 工作原理 饱和电抗器是利用铁磁物质磁化曲线的非线性和饱和特性，以较小的直流功率来控制较大的交流负载的一种电器，即利用铁磁物质的磁导率不是常数这一特性而工作的。饱和电抗器属于交直流同时磁化的非线性电抗器，与负载串联，用来调节负载的电流和功率，可以把饱和电抗器看成一个可控制的阻抗，但它是非线性的，不能用近似线性的电抗器的概念来解释饱和电抗器。 饱和电抗器的基本工作原理是利用直流绕组电流的大小来改变交流电路的电抗。原理如图1，它是一个具有交流绕组和直流绕组的铁芯磁路。 当交流电压Ua和交流回路电阻Ra不变时，交流电流Ia与交流线圈La有关： = 在不计漏磁和铁芯损耗的情况下，线圈的电感量可用下式表示： 从上式可知，交流线圈的电感量在一定的磁路L和匝数N下与磁路铁芯的磁导率μ成正比。改变磁导率就可以改变交流线圈的电感，从而改变电流和电抗器的容量。由于铁磁物质的磁导率不是常数，在正常工作下磁导率随铁芯的饱和而减小，而铁芯饱和程度的变化可以通过改变直流绕组的励磁电流Id来实现。Id增大则铁芯的磁感应强度增大，铁芯接近饱和，磁导率减小，从而电感值减小，交流电流Ia随之增大。由此可见，直流电流的大小可以控制交流输出电流的大小，将直流绕组称为控制绕组，交流绕组称为工作绕组。 1.3 调节过程 如图2所示，利用饱和电抗器的输出特性，将饱和电抗器的交流工作线圈串接在整流装置的整流臂中，直流控制绕组接控制电源。在不考虑整流变压器漏抗的理想情况下，在ωt=0时刻以前，整流桥臂D1流过的电流为Id，电抗器BK1工作绕组中的电流为Id，此时电抗器BK1的铁芯处于饱和状态，其磁阻很小可以忽略不计；在ωt=0时，由于Ua=Ub,则电流Id应瞬时由a相换到b相，但由于饱和电抗器BK3的阻碍作用，使的换相被推迟，其推迟的时间与饱和电抗器BK3的起始状态有关；在ωt=0时刻以后，由于Ub＞Ua，在电压差的作用下，饱和电抗器BK3工作绕组中的电流逐渐增加，激磁作用加大，在ωt=t1时刻BK3铁芯饱和，磁阻很小，整流桥臂D3完全导通，负载电流Id几乎全部流经BK3的工作绕组，与此同时，电抗器BK1的铁芯在反向电压（Ua-Ub为负）的作用下逐渐去磁，至ωt=t2时刻电抗器BK1的铁芯恢复到起始状态，整流桥臂D1封闭，电流为零，完成一个换相过程，如图3所示。由此可见，由于饱和电抗器交直流的同时励磁，使得三相整流桥的换相点由ωt=0时刻延迟到ωt=t1时刻，改变了整流桥的直流输出电压，达到了调节的目的，其对应角度为α称为饱和角，是指BK3铁芯从开始增磁至达到饱和状态的角度，