高频开关电源在离子膜法烧碱中的应用探讨

2015-06-15董辰生宋绪凯罗晓晶王学军

中国氯碱 2015年5期

董辰生，宋绪凯，罗晓晶，王学军*，

（1.山东东岳高分子材料有限公司，淄博256401；2.东岳集团有限公司，山东淄博256401）

当前世界氯碱工业技术正朝着节能环保的方向发展，低功耗高效率离子膜法烧碱已成为发展的主流方向。氯碱企业的核心是电解槽和整流器，整流作为氯碱生产企业的关键工序和重要组成部分，其稳定运行直接影响整个生产系统的安全，决定着氯碱生产一系列技术经济指标的优劣。氯碱企业整流系统正朝着节能型、智能化、全数字控制化、高整流效率、高功率因数的方向发展[1]。

目前，氯碱工业普遍采用的整流器是可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier，SCR），是一种以晶闸管（电力电子功率器件）为基础，以智能数字控制电路为核心的电源功率控制电器。可控硅，是可控硅整流元件的简称，是一种具有3 个PN 结的4 层结构的大功率半导体器件，亦称为晶闸管（Thyristor），是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器。由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有重要的地位。可控硅整流器最基本的用途就是可控整流。相控电源是指采用晶闸管作为整流器件的电源系统，其原理是交流输入电压经工频变压器降压，然后采用晶闸管进行整流，并通过移相控制以保持输出电压的稳定。

随着绝缘栅双极晶体管（IGBT）的出现及高频开关电路技术的成熟，使IGBT 高频开关电源成功问世并大量投入使用，大电流高电压的IGBT 已模块化、集成化，其性能更好，整机的可靠性更高及体积更小。作为电力电子重要大功率主流器件之一，IGBT 非常适合应用于直流电压为600 V 及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、电力工程、可再生能源和智能电网等领域。

1 高频开关电源整流原理

随着科技的进步，新的氯碱技术层出不穷，世界各国都在积极研发电解节能新技术，氯碱工业电解电源由最初的晶闸管相控整流器整流装置发展到高频开关电源直流电源系统将是技术发展的主要趋势。高频开关电源整流器的工作原理见图1。

图1 高频开关电源整流器原理图

高频开关电源先将输入的工频交流电经整流滤波后得到直流电压，再通过功率变换器变换成高频脉冲电压，经高频变压器和整流滤波电路最后转换为稳定的直流输出电压。因其采用脉冲宽度调制（PWM）电路来控制大功率开关器件（功率晶体管、MOS 管、IGBT 等）的导通和截止时间，可以得到很高的稳压和稳流精度及很短的动态响应时间。高频开关电源内部还应用了软开关技术和无源功率因数校正（PFC）技术，功率因数大幅提高。

2 IGBT 电源的特点与SCR 整流的比较

2.1 重量轻，体积小

采用高频技术，去掉了工频变压器，与相控整流器相比较，在输出同等功率的情况下，开关整流器的体积只有相控整流器的1/10，重量也接近1/10。

2.2 功率因数高

可控硅整流器的功率因数cosφ1的开放角有关，一般情况下，cosφ1为0.70～0.80，而高频开关电源的功率因数cosφ2一般为0.90～0.95。

2.3 可闻噪音低

在相控整流设备中，工频变压器及滤波电感工作时产生的可闻噪声较大，一般大于60 dB。而开关电源在无风扇的情况下可闻噪声仅为45 dB 左右。

2.4 效率高

晶闸管相控电源采用硅堆调压，响应速度慢，反应时间为几十毫秒，输入电压突变时在输出端会产生冲击，容易烧坏二次设备。高频开关电源直流系统采用无级调压方式，响应速度快，输入电压突变时，模块在200 μs 内调整完成，过冲小于5%。

2.5 可靠性好

高频开关整流器的可靠性好，其平均无故障工作时间一般大于l00 000 h，而相控整流器一般只有8 000 h。高频开关电源设备采用模块结构，如模块发生故障，可迅速更换，方便维护，有的甚至可以做到在供电系统下更换整流模块，其平均修复时间小于5 min。

2.6 损耗低

在整流过程中由交流电转变成直流电有一定的能耗，此能耗与整流方式有关。可控硅电镀整流器是以六相双反星形整流为主要手段，而高频开关电源是以三相桥式整流为主要手段，转换损耗最小，因此高频开关电源从整流形式上就比可控硅整流器节能。可控硅整流器是以庞大、笨重的工频变压器为基础，因此铜损、铁损都很大，而高频开关电源中的高频变压器的用铜量只是同规格可控硅整流变压器的30%，因此铜损很少，又因高频变压器在高达10～50 kHz 的高频下工作[2]，因此，不采用矽钢片而是采用软铁体磁芯，在磁芯中几乎没有涡流损耗。