前言

    整流設(shè)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(shè)備的可靠運(yùn)行，均流系數(shù)也是制造廠進(jìn)行元件選型的主要依據(jù)。實(shí)踐中，傳統(tǒng)的提高均流系數(shù)的基礎(chǔ)工作是元件篩選和強(qiáng)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(lái)，我們研究了一種基于自動(dòng)調(diào)節(jié)電路的動(dòng)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(kāi)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(guān)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(gè)并聯(lián)支路。較好的辦法是在采購(gòu)時(shí)向元件供應(yīng)商提出某個(gè)電流（比如額定）下元件通態(tài)壓降的偏差范圍，這個(gè)偏差一般是在十幾毫伏以?xún)?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(duì)均流的影響

    晶閘管元件的開(kāi)通特性包括開(kāi)通時(shí)間和門(mén)檻電壓，開(kāi)通特性不一致會(huì)引起并聯(lián)晶閘管開(kāi)通區(qū)間不均流。開(kāi)通時(shí)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(kāi)通時(shí)間越短。另外，開(kāi)通時(shí)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(guò)程加速，開(kāi)通時(shí)間會(huì)顯著縮小，反之亦然。兩個(gè)晶閘管并聯(lián)，若開(kāi)通特性不一致，一只晶閘管導(dǎo)通后，另一只晶閘管兩端電壓顯著下降，開(kāi)通時(shí)間顯著增加，必然會(huì)影響到均流，這也是為什么要采用強(qiáng)觸發(fā)的原因。

    交流電壓對(duì)元件開(kāi)通時(shí)間的影響較大。交流電壓越高，元件內(nèi)部正反饋過(guò)程加速，開(kāi)通時(shí)間越短。

    元件的通態(tài)特性是溫度的函數(shù)，見(jiàn)圖2。不同溫度下，通態(tài)特性會(huì)發(fā)生偏移。所以我們得到的均流系數(shù)只能是某一運(yùn)行點(diǎn)某一時(shí)刻的值。由圖2可見(jiàn)，在電流較小時(shí)，晶閘管具有負(fù)溫特性。

圖2 晶閘管元件通態(tài)特性與溫度的關(guān)系

    母排連接方式對(duì)均流的影響很大。圖3是理想化的連接方式，進(jìn)、出線母排完全一致，不會(huì)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(méi)有使用價(jià)值。在過(guò)去，經(jīng)常通過(guò)調(diào)整交流側(cè)進(jìn)線及直流側(cè)出線的長(zhǎng)度、在銅排連接端鋸槽或鉆孔等方法來(lái)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(duì)均流的影響見(jiàn)圖5所示。

圖5 不同連接方式對(duì)電流分配的影響

2． 動(dòng)態(tài)均流

2．1調(diào)節(jié)原理

動(dòng)態(tài)均流方法立足于控制回路，調(diào)節(jié)目標(biāo)為元件通態(tài)平均電流，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)同相橋臂元件通態(tài)平均電流趨于相同。

均流自動(dòng)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(dòng)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(lái)自差分放大器的移相控制信號(hào)被送到脈沖區(qū)間移相處理單元進(jìn)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(shí)時(shí)控制脈沖列的投入時(shí)間，使橋臂電流稍為推遲產(chǎn)生。動(dòng)態(tài)均流理想化的效果示意圖見(jiàn)圖7。

圖7    動(dòng)態(tài)均流理想化的效果示意圖

     自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程總是對(duì)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(kāi)環(huán)放大倍數(shù)，可根據(jù)需要而設(shè)定。

     動(dòng)態(tài)均流對(duì)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(shí)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(hào)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(hào)。脈沖列頻率的選擇要考慮兩個(gè)因素：晶閘管開(kāi)通時(shí)間和動(dòng)態(tài)均流調(diào)節(jié)分辯率。晶閘管開(kāi)通時(shí)間的典型值為4~6us，單個(gè)脈沖寬度不應(yīng)小于該值。脈沖列頻率越高，調(diào)節(jié)分辨率就越高。我們認(rèn)為脈沖列頻率在60KHz~80KHz是合適的。

圖8   脈沖列波形

3． 試驗(yàn)分析

某設(shè)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(guò)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(jiàn)，由于觸發(fā)脈沖不一致導(dǎo)致不均流的現(xiàn)象很明顯。從圖9b中C處可以看出，動(dòng)態(tài)均流技術(shù)能夠校正觸發(fā)脈沖不一致導(dǎo)致的電流分配失衡。

其次，從圖10~11可見(jiàn)，元件通態(tài)特性的差異是導(dǎo)致電流差異的主要原因。通過(guò)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(dǎo)通前半部分電流的分配，見(jiàn)圖10b、圖11b中A處。

a)不投動(dòng)態(tài)均流                              b)投入動(dòng)態(tài)均流

圖9    輸出500A時(shí)橋臂電流波形

圖10   輸出1310A時(shí)橋臂電流波形

a)不投動(dòng)態(tài)均流                               b)投入動(dòng)態(tài)均流

圖11   輸出2100A時(shí)橋臂電流波形

要進(jìn)一步說(shuō)明的是，脈沖區(qū)間移相范圍的設(shè)計(jì)值在10^O左右。因?yàn)檎{(diào)節(jié)目標(biāo)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(gè)設(shè)計(jì)值似乎是必要的。但在實(shí)踐中，1~5個(gè)脈沖列的移相范圍已足夠，即0.288^O~1.44^O。

這里面有兩個(gè)原因：第一，多個(gè)晶閘管并聯(lián)，其中一只晶閘管導(dǎo)通后，其它晶閘管元件兩端電壓顯著下降，開(kāi)通時(shí)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(shuō)明。

圖12是兩個(gè)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(jì)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)晶閘管導(dǎo)通后，第二個(gè)晶閘管延時(shí)導(dǎo)通，達(dá)到穩(wěn)態(tài)值需克服該分支的時(shí)間常數(shù)L2/R2，這個(gè)時(shí)間常數(shù)可達(dá)到毫秒級(jí)，相對(duì)于6.7ms(50Hz)的全導(dǎo)通時(shí)間，非?？捎^。事實(shí)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(gè)并聯(lián)晶閘管的等效電路

4．  結(jié)束語(yǔ)

總結(jié):簡(jiǎn)要述及了影響晶閘管均流的幾個(gè)因素，包括元件通態(tài)特性、元件開(kāi)通特性、母排連接方式等。指出實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均流的基本原理是立足于控制回路，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)同相橋臂元件通態(tài)平均電流趨于相同,對(duì)動(dòng)態(tài)均流的主要電路構(gòu)成進(jìn)行了分析。通過(guò)對(duì)橋臂電流波形的分析，論證了動(dòng)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(dòng)態(tài)均流藉助于對(duì)同橋臂各晶閘管元件觸發(fā)脈沖時(shí)間的控制達(dá)到均流的目的。動(dòng)態(tài)均流的優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)晶閘管元件參數(shù)的差異，交直流進(jìn)出線阻抗不均衡等差異的適應(yīng)性較強(qiáng)，當(dāng)更換元件時(shí)也易于實(shí)現(xiàn)均流。此外由于均流是通過(guò)對(duì)各元件電流測(cè)量的條件下進(jìn)行的，為此能準(zhǔn)確的反映出各元件的均流情況。實(shí)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(shè)備的主要特點(diǎn)

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(lèi)型的整流設(shè)備和自動(dòng)化控制系統(tǒng)，也可作為類(lèi)似負(fù)荷的供電電源。
 
二、主柜特點(diǎn)
1. 化柜體結(jié)構(gòu)，減少損耗，維護(hù)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(jié)形式：一般根據(jù)直流電壓、電流和電網(wǎng)諧波允許值進(jìn)行選擇，有雙反星形、三相橋式兩大類(lèi)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(jiǎn)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(shè)計(jì)，雙重絕緣。
5. 柜內(nèi)連接水管選用進(jìn)口增強(qiáng)透明軟塑管，抗冷熱，使用壽命長(zhǎng)。
6. 元件散熱器水嘴采用特殊處理，耐腐蝕。
7. 機(jī)柜采用全數(shù)控機(jī)床加工，整體噴塑，外形美觀。
8. 柜體一般為戶(hù)內(nèi)開(kāi)啟式、半開(kāi)啟式、戶(hù)外全密封式，進(jìn)出線方式按用戶(hù)要求設(shè)計(jì)。
9. 本系列整流柜采用數(shù)字工控觸發(fā)控制系統(tǒng)使設(shè)備