大功率整流器

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的內容，但是它能顯示出優點，例如它以非常小的諧波干擾和1的功率因數加載於電網。 ^[1] 

整流器是一個整流裝置，簡單的説就是將交流轉化為直流的裝置。它有兩個主要功能：第一，將交流電變成直流電，經濾波後供給負載，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。

1、 整流主電路按接線方式分：A.雙反星帶平衡電抗；B.三相橋式或同相逆並聯雙反星帶平衡電抗器；C.同相逆並聯三相橋式；D.六相雙反星型電路E十二相雙反星帶平衡電抗器，功率元件採用大功率晶閘管。
　　2、 整流變壓器採用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；主變壓器採用兩次真空浸漆、烘乾，使其安全係數和穩定性得到有效的保障。
　　3、 冷卻方式分為自冷户外式、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，正負極切換時間、電壓、電流調節可任意設定，可自動更換輸出電流的極性，有利於增加鍍層的硬度、緻密度與光亮度。
　　5、 三相集成觸發控制板採用日本技術，具有多重保護措施，是一切新穎高效抗干擾強衝觸發電路，性能非常先進；控制電路的觸發器和調節器集成化、數字化，並採用計算機優化設計的大板結構，可靠性高檢測調試方便。
　　6、 具有自動計時功能，可以更好的實現列鍍層厚度、硬度、耐磨性等質量上的控制，可根據用户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、元件温度過高、缺相等保護環節及相應故障報警的功能；可設置多套工藝方案，如電流、電壓、脈衝、時間、安培小時計等，並可調用修改執行。
　　8、 可實現遠控箱遠程控制和中安集中控制，根據用户的要求採用PLC可編程控制器實現繼電操作、保護工藝過程的自動化。
　　9、 產品櫃體可採用電腦標準化設計，箱體整體密封設計，結構上採取了防鹽霧酸化的措施，局部採取塑料件結構，既防腐又美觀，同時又基本上克服了大電流磁場渦流發熱的影響，而且設備的損耗小，效率高。
　　10、具有軟啓功能，防止啓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。 ^[2] 

整流器的主要應用是把交流電源轉為直流電源。由於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部都少不了整流器。
　　至於把直流電源的電壓進行轉換則複雜得多。直流-直流轉換的一種方法是首先將電源轉換為交流，然後使用變壓器改變該交流電壓，最後再整流回直流電源。
　　整流器還用在調幅無線電信號的檢波。信號在檢波前可能會先經增幅，如果未經增幅，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。
　　整流裝置也用於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，並以相位控制觸發的方式調整其電壓輸出。 ^[3] 

現代大型水輪發電機勵磁系統，多采用大功率晶閘管整流器，為發電機提供強大的轉子勵磁電流。隨着電力電子技術的發展，大功率及超大功率晶閘管整流元件的出現，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、六套並聯的，可用一兩套完成，大大簡化了設備結構，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的散熱器，才能保證它的工作狀態最佳、效力最高。同時本廠的發電機正面臨增容改造，勵磁的參數也有所增加，所以對勵磁系統大功率整流器的增容改造問題就擺在了面前，如何總結前期整流器改造的經驗和不足，運用新技術、新產品、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。

（1）發電機及勵磁系統基本參數的增加

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

（2）勵磁系統增容的技術要點

本廠125 MW 水輪發電機組的國產勵磁系統，系採用交流側串連的自復勵勵磁方式，增容改造將去除發電機中性點串連變壓器，改造為自並勵勵磁方式。並要求發電機端正序電壓為 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、晶閘管的正反向峯值電壓、陽極電抗的重新分佈對晶閘管觸發及換相的影響、整流器靜態、動態和暫態的均流措施等等，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。

應用於本廠大型水輪發電機的勵磁系統，負荷特性有別於其他整流器負荷，更超出一般水電廠運用方式，其特點是：⑴ 連續運行時間長，年運行小時數達6000~7000，負荷電流一般在1500 A 左右，稍小於額定值，並滿足1.1倍額定電流，稱之為常態指標；⑵ 容量儲備要足夠大，以應對兩倍強勵的需要，持續時間大於20 s，稱之動態指標，即平常只用到其輸出能力的1/3；⑶ 還要特別考慮系統可能發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，這種情況的持續時間很短，只有幾秒鐘，稱之為極限衝擊的暫態指標。

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

根據系統增容的要求，基本容量要增加，常態出力2 kA，動態出力近4 kA；容量裕度也要增加最大達8 kA，也就是説一旦發生故障電流，整流器元件應有一定的堅持抗衡能力，不至於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、指標要高，而且要求與之配套的散熱系統的動態散熱能力也要高，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，因為固定的參數指標容易達到，而整流器的損壞，往往都是發生在異常的故障衝擊電流下，問題在於設計指標有沒有充分考慮周全。

整流器在多櫃並聯的配置下，還應按(N－1)的原則考慮冗餘，即一橋故障退出時，其餘整流櫃仍能滿足包括強勵在內的所有功能。並聯支路的均流，宜以交流電纜的自然物理均流方式為主，並輔以其他均流方式(如調節方式)，這就是從勵磁系統增容和安全穩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。

勵磁大功率整流器的配置，除了前面討論的參數指標的要求外，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，結構更優化，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境，對整流器的散熱和循環有所限制，熱風短路交換不足，使散熱效率降低，夏季依靠空調輔助降温有所緩解，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。二江採用的集中通風散熱系統，基本上解決了交換和清灰的問題，在沒有空調輔助的條件下，長期確保了勵磁設備的穩定運行；大江20F、21F進口勵磁設備，採用集中鼓風，進風口加濾網的方式，也解決得很好，都可以參考借鑑；三峽勵磁採用的強迫風冷，風道引出，加空調、濾網和自循環，但循環空間有限，濾網的灰塵仍較多。另外，由於熱風不與外界交換，僅靠兩台空調來平衡五台整流器的發熱量，增加了對空調系統的依賴，而且全年都不能停空調，從節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櫃子那麼簡單，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、絕緣結構問題，均風均熱結構的設計問題，脈放和強觸發的配置問題、EMC電磁防護的問題等。

為進一步選擇增容改造的方案，現代技術和產品的發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)均已明確規定的，晶閘管與散熱器接合
　　處的最高温升為 40℃的標準。

（2）鎖定目標：例如增容機組要求勵磁常態輸出保證1.1倍的額定電流即2000 A， 動態保證2倍的強勵輸出即3600 A(～4000 A)，還有暫態能抵抗不小於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：由實測數據出發，反推出完整温升散熱特性，即可確定標準温升下的輸出能力，再作對比評價，結果就很清楚了，可以排除那些似是而非的數字遊戲。

（4）圖表化處理：從散熱能力出發，融國家標準和設計規範於一體，直接關聯整流元件的I/P特性和散熱方式，就可由目標值直接選取適用元件，並確定散熱器熱阻，據此即可選擇不同的散熱方式，並做出性能、效率、經濟性、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。還應有結構和環境的配套設計，使裝置運行環境最佳，性能得到最大的發揮，可靠性也有保證。 ^[4]