前言

    整流設備同一橋臂晶閘管元件的電流分配均衡與否直接影響到設備的可靠運行，均流系數(shù)也是制造廠進行元件選型的主要依據(jù)。實踐中，傳統(tǒng)的提高均流系數(shù)的基礎工作是元件篩選和強觸發(fā)，其它的均流方法還有套磁環(huán)、串聯(lián)電抗器、串聯(lián)均流互感器等。

    近年來，我們研究了一種基于自動調(diào)節(jié)電路的動態(tài)均流方法，采用此方法在較寬的電流范圍內(nèi)能保證均流系數(shù)大于0.95。

1． 影響均流的因素

影響均流的因素包括元件的通態(tài)特性、元件開通特性、溫度、母排連接方式、交流電壓等。

元件的通態(tài)特性是影響均流的關鍵因素，如圖1所示，兩只元件在相同的管壓降下，其電流分配相差懸殊。元件篩選就是選擇通態(tài)特性相同或相近的元件用在同一個并聯(lián)支路。較好的辦法是在采購時向元件供應商提出某個電流（比如額定）下元件通態(tài)壓降的偏差范圍，這個偏差一般是在十幾毫伏以內(nèi)，若要求的均流系數(shù)越高，則偏差越小。

圖1 晶閘管元件通態(tài)特性對均流的影響

    晶閘管元件的開通特性包括開通時間和門檻電壓，開通特性不一致會引起并聯(lián)晶閘管開通區(qū)間不均流。開通時間是觸發(fā)脈沖特性和晶閘管兩端電壓的函數(shù)，觸發(fā)脈沖di/dt越大，開通時間越短。另外，開通時間受晶閘管兩端電壓影響很大，電壓越高，晶閘管內(nèi)部正反饋過程加速，開通時間會顯著縮小，反之亦然。兩個晶閘管并聯(lián)，若開通特性不一致，一只晶閘管導通后，另一只晶閘管兩端電壓顯著下降，開通時間顯著增加，必然會影響到均流，這也是為什么要采用強觸發(fā)的原因。

    交流電壓對元件開通時間的影響較大。交流電壓越高，元件內(nèi)部正反饋過程加速，開通時間越短。

    元件的通態(tài)特性是溫度的函數(shù)，見圖2。不同溫度下，通態(tài)特性會發(fā)生偏移。所以我們得到的均流系數(shù)只能是某一運行點某一時刻的值。由圖2可見，在電流較小時，晶閘管具有負溫特性。

圖2 晶閘管元件通態(tài)特性與溫度的關系

    母排連接方式對均流的影響很大。圖3是理想化的連接方式，進、出線母排完全一致，不會影響電流分配。但由于元件通態(tài)特性的偏差，這種理想化的連接方式反倒沒有使用價值。在過去，經(jīng)常通過調(diào)整交流側(cè)進線及直流側(cè)出線的長度、在銅排連接端鋸槽或鉆孔等方法來調(diào)整均流系數(shù)。圖4是典型的母排連接方式。

圖3 理想化的母排連接    

圖4 典型的母排連接方

    母排連接方式對均流的影響見圖5所示。

圖5 不同連接方式對電流分配的影響

2． 動態(tài)均流

2．1調(diào)節(jié)原理

動態(tài)均流方法立足于控制回路，調(diào)節(jié)目標為元件通態(tài)平均電流，通過自動調(diào)節(jié)實現(xiàn)同相橋臂元件通態(tài)平均電流趨于相同。

均流自動調(diào)節(jié)器由以下單元組成：脈沖區(qū)間形成、區(qū)間前沿斜坡處理、本柜電流偏差放大（差分放大）、脈沖區(qū)間移相處理、脈沖列形成、脈沖功放等。   

圖6 動態(tài)均流原理框圖

區(qū)間前沿斜坡處理單元將脈沖區(qū)間的前沿（包括后沿）作斜坡處理，斜坡和來自差分放大器的移相控制信號被送到脈沖區(qū)間移相處理單元進行比較，得到包含均流控制信息（即前沿相位）的新的脈沖區(qū)間，它實時控制脈沖列的投入時間，使橋臂電流稍為推遲產(chǎn)生。動態(tài)均流理想化的效果示意圖見圖7。

圖7    動態(tài)均流理想化的效果示意圖

     自動調(diào)節(jié)過程總是對電流偏大的橋臂作電流回落調(diào)節(jié)，企圖使它維持在總輸出電流的平均水平。調(diào)節(jié)精度取決于開環(huán)放大倍數(shù)，可根據(jù)需要而設定。

     動態(tài)均流對整流控制器的影響甚微，它并不改變調(diào)節(jié)器脈沖輸出的時間，也不影響調(diào)節(jié)器脈沖輸出的有效性。

2．2脈沖形成

調(diào)節(jié)器脈沖信號為寬脈沖，經(jīng)60KHz脈沖發(fā)生器調(diào)制后轉(zhuǎn)化為高頻脈沖列信號。脈沖列頻率的選擇要考慮兩個因素：晶閘管開通時間和動態(tài)均流調(diào)節(jié)分辯率。晶閘管開通時間的典型值為4~6us，單個脈沖寬度不應小于該值。脈沖列頻率越高，調(diào)節(jié)分辨率就越高。我們認為脈沖列頻率在60KHz~80KHz是合適的。

圖8   脈沖列波形

3． 試驗分析

某設備每橋臂并聯(lián)2支路，表1是+A相橋臂電流的分配。

表1 +A相橋臂電流分配

通過示波器，我們可以觀察到橋臂電流變化情況。圖9~11中，1(1)表示+A相1#硅元件，2(1) 表示+A相2#硅元件，1(4)表示-A相1#硅元件，2(4)表示-A相2#硅元件。這些波形反映出的信息很豐富。

首先，從圖9a中A處可見，由于觸發(fā)脈沖不一致導致不均流的現(xiàn)象很明顯。從圖9b中C處可以看出，動態(tài)均流技術能夠校正觸發(fā)脈沖不一致導致的電流分配失衡。

其次，從圖10~11可見，元件通態(tài)特性的差異是導致電流差異的主要原因。通過均流調(diào)節(jié)器的作用，使通態(tài)電阻較小的元件滯后觸發(fā)，能夠明顯改變硅元件導通前半部分電流的分配，見圖10b、圖11b中A處。

a)不投動態(tài)均流                              b)投入動態(tài)均流

圖9    輸出500A時橋臂電流波形

圖10   輸出1310A時橋臂電流波形

a)不投動態(tài)均流                               b)投入動態(tài)均流

圖11   輸出2100A時橋臂電流波形

要進一步說明的是，脈沖區(qū)間移相范圍的設計值在10^O左右。因為調(diào)節(jié)目標為通態(tài)平均電流，很多情況下，并聯(lián)元件的通態(tài)平均電流差距較大，這個設計值似乎是必要的。但在實踐中，1~5個脈沖列的移相范圍已足夠，即0.288^O~1.44^O。

這里面有兩個原因：第一，多個晶閘管并聯(lián)，其中一只晶閘管導通后，其它晶閘管元件兩端電壓顯著下降，開通時間顯著增加。第二，受回路中分布電感的影響，可用圖12加以說明。

圖12是兩個并聯(lián)晶閘管的等效電路，R1和R2代表通態(tài)電阻，L1、L2代表分布電感。由于R1和R2非常小，約為十分之幾毫歐，分布電感已不能忽略不計。當?shù)谝粋€晶閘管導通后，第二個晶閘管延時導通，達到穩(wěn)態(tài)值需克服該分支的時間常數(shù)L2/R2，這個時間常數(shù)可達到毫秒級，相對于6.7ms(50Hz)的全導通時間，非常可觀。事實上，支路中的分布電感已成為影響橋臂電流重新分配的重要因素。

圖12   兩個并聯(lián)晶閘管的等效電路

4．  結束語

總結:簡要述及了影響晶閘管均流的幾個因素，包括元件通態(tài)特性、元件開通特性、母排連接方式等。指出實現(xiàn)動態(tài)均流的基本原理是立足于控制回路，通過自動調(diào)節(jié)實現(xiàn)同相橋臂元件通態(tài)平均電流趨于相同,對動態(tài)均流的主要電路構成進行了分析。通過對橋臂電流波形的分析，論證了動態(tài)均流方法的有效性，采用此方法在較寬的電流范圍內(nèi)能保證均流系數(shù)大于95%。動態(tài)均流藉助于對同橋臂各晶閘管元件觸發(fā)脈沖時間的控制達到均流的目的。動態(tài)均流的優(yōu)點是：對晶閘管元件參數(shù)的差異，交直流進出線阻抗不均衡等差異的適應性較強，當更換元件時也易于實現(xiàn)均流。此外由于均流是通過對各元件電流測量的條件下進行的，為此能準確的反映出各元件的均流情況。實踐證明，這一方法是行之有效的。

某廠生產(chǎn)的可控硅整流設備的主要特點

一、用途
本系列整流柜主要用于鋁、鎂、錳、鋅、銅、鉛等有色
金屬和氯鹽的電解等不同類型的整流設備和自動化控制系統(tǒng)，也可作為類似負荷的供電電源。
 
二、主柜特點
1. 化柜體結構，減少損耗，維護方便。
3. 元件及快熔銅排均選用特制循環(huán)水路型材，電聯(lián)結形式：一般根據(jù)直流電壓、電流和電網(wǎng)諧波允許值進行選擇，有雙反星形、三相橋式兩大類以及六脈波、十二脈波共四種不同的組合可供選擇。
2. 選用大功率晶閘管減少并聯(lián)元件數(shù)，簡充分散熱，提高元件使用壽命。
4. 元件壓裝采用均衡固定受力的典型設計，雙重絕緣。
5. 柜內(nèi)連接水管選用進口增強透明軟塑管，抗冷熱，使用壽命長。
6. 元件散熱器水嘴采用特殊處理，耐腐蝕。
7. 機柜采用全數(shù)控機床加工，整體噴塑，外形美觀。
8. 柜體一般為戶內(nèi)開啟式、半開啟式、戶外全密封式，進出線方式按用戶要求設計。
9. 本系列整流柜采用數(shù)字工控觸發(fā)控制系統(tǒng)使設備