优化整流机组整流效率的研究与应用
1、研究背景
山河铝业有限公司是铝电解生产企业，其电解铝冶炼过程是需要低电压、大电流来进行生产的，生产中一般通过多台整流机组并列运行来提供需要的低电压、大电流的直流电能。
山铝公司铝电解生产是由三台三相110KV 有载调压自藕直降式移相整流变压器组（ZHSFTB-32000/110）和六台整流柜（ZHS-17000/430）组成。一台整流变压器组和两台整流柜，形成等效十二脉波整流电路，统称整流机组。整流柜采用三相桥式同相逆并联结构，冷却方式为单机组，全封闭、小循环去离子水内冷却技术，三台整流机组并列运行来提供430伏、75千安的直流电能供于电解88台电解槽生产，年耗电量2亿6千万千瓦时，是典型的用电大户，所以铝电解生产过程中，想尽可能提高经济效益，就必须尽可能的提高产量，提高产量要通过提高电流效率、降低成本，即降低吨铝电耗与氟化铝、氟化盐和阳极等原材物料的单耗,所以高电流效率是铝电解生产厂家追求的目标。因此，如何在同等条件下降低电能损耗，提高整流机组的电能利用率（整流效率），节约电能，具有重大意义。
2、影响整流机组整流效率因素分析
2．1整流机组整流效率计算公式
整流机组整流效率是电解直流侧耗电量与电解交流侧耗电量的比值。计算公式如下：
整流效率=输出整流器的直流电量/输入整流器的交流电量
在实际生产中常用整流变压器交流侧电量及整流柜输出直流侧电量代替公式中输入、输出整流器的电量。则整流效率又可表示为：
整流效率=整流柜输出侧直流电量/变压器输入侧交流电量
2．2理论分析
从式中可以看出整流效率反映的是整流机组功率损耗情况，即整流装置损耗（主要是整流硅元件和快速熔断器的损耗）、整流变压器损耗、电抗器损耗以及一些辅助系统的损耗多少的技术参数。理论上整流效率越大越好，一般在97％左右。但目前我公司整流机组的实际整流效率在95—96％左右，呈逐年降低趋势。
2．2．1单台整流机组损耗计算原理
单台整流机组的功率损耗计算式为：
ΔPg=ΔPZ+ΔPb=Pg0+βPgN1+β2PgN2 (1)
β=Ii/Iid (2)
Ii是机组负载电流，Iid是机组额定电流；Pg0是机组空载功率损失，PgN1为机组额定负载的一次方功率损失，PgN2为机组额定负载的二次方功率损失。
上式功率损失中又分别包括整流变压器的损失、整流器的损失、交直流保护以及风机
等辅助系统的功率损失等。
由上式可以概括为：单台机组的功率损失是负荷电流Ii的非线性函数。
2．2．2并列运行整流机组的损耗计算原理
由（1）、（2）式可得并列运行的全部机组的损耗计算表示为：
这样，总损耗的计算就是一个多变量、非线性的问题。如何在不改变当前设备配置和保证功率因数的前提下，求出每台机组合理的负荷率βi。因β=Ii/Iid，即要求每台机组合理的负载电流Ii，使总的有功功率的损失为最小。
综上所述，使每台机组的负载电流保持合理平稳，会降低机组有功功率损耗，从而达到提高优化整流机组整流效率的目的。
2.3 国内整流电源的发展及比较
年 代
整 流 方 法
优 缺 点
50 年代末 ~60 年代末期
大都采用递降变压器和有载调压开关配水银变流装置
变流效率低，不能细调，动态响应差、能耗大，汞害严重，有载调压开关寿命短、维修量大
60 年代末 ~70 年代末
有载调压变压器配二极管变流器
调节性能差，电流不稳定；稳流精度 5% ，有载调压开关的动作频繁，寿命短、维修量大
70 年代末 ~80 年代末
有载调压变压器配二极管加饱和电抗器变流器
自动稳流未能投入运行，仅能通过手动细调饱和电抗器，达到各机组负荷的平衡，减少了有载调压开关的动作次数，延长了检修周期
80~90 年代末
大量采用进口整流设备，如青海、贵州等铝厂采用有载调压变压器配二极管饱和电抗器变流器，山东、平果等铝厂采用可控硅变流器
均设有自动稳流系统，稳流精度 0.1% ，变流效率高，使电解生产指标得以提高，大大减少了有载调压开关的动作次数，延长了检修周期，但设备价格昂贵，噪音大
综上所述：西方国家铝厂用变流装置均设有自动稳流系统，我国目前正在生产的一百
三十多家铝厂中，除少数近十年有引进整流电源的铝厂设有自动稳流系统外，其它则屈指可数，有的虽设有饱和电抗器自动稳流系统，但由于种种原因，未能投入运行，这是导致我国铝电解工艺某些指标，长期落后于西方国家的一个重要原因。
3、制定技术改造方案，进行改造
3．1根据对整流机组损耗的分析，从公司整流机组负载电流的合理平稳运行为突破口，对公司的整流机组自动稳流系统进行改造。制定改造方案如下：
（1）改变原每台机组一台自动稳流调节器、两台整流变压器输出电流只能按照输出总量进行调节控制的设计，将机组两台整流变压器各设计一台稳流调节器。这样每台整流变压器就是一个闭环自动稳流控制系统，根据饱和电抗器自身特性进行调节饱和电抗器的电压，使每组饱和电抗器的电压基本保持一致，从而两台整流变压器输出电流基本保持一致。
（2）设置了偏移绕组手动调节系统，根据饱和电抗器的磁化特性，设置了初始工作点及给定输出电流值（即设定了输出直流电流的范围），增加了饱和电抗器的调节范围。在电解生产中突然出现效应、电流降低时，能及时围绕给定输出值补充效应电流，使输出电流保持平稳。
（3）改变自动稳流调节器的反馈量，设计了取自整流机组的调变和整变之间的电流互感器的交流反馈，提高了反馈量的测量精度和可靠性，使自动稳流调节器运行稳定、机组电流合理平衡。
（4）在电路设计上采取了较多的集成电路，触发电路使用了较为先进的集成触发器，
结构上简捷、合理，给系统的稳定运行创造了良好的基础条件。
3．2根据改造的方案，我们对整流机组自动稳流系统进行了改造，改造后原理图如下：
经过六天的技术改造及调试工作，整流机组自动稳流系统投入运行。
4、改造后的自动稳流系统运行分析
自动稳流系统使用后，整流机组两柜输出电流基本保持一致，使整流机组可满负荷运行，提高了整流机组的利用率。同时在电解出现效应时，电流围绕给定输出值上下波动，这是自动稳流系统的调节特性所决定的，提高了直流供电电流的平稳性。
自动稳流系统改造前后同期的数据统计，整流机组整流效率得到了优化提高，从原来的95.96%提高到96.04%，改善了直流供电质量，降低了电流波动造成的电能消耗,每月节约电能约九十万度左右,节约生产成本三十万元。
5、结束语
综上所述，影响整流机组整流效率的因素是多方面的，如直流传感器二次测量回路的压降、电能表计本身的误差等。只要采取适当的技术措施，直流传感器二次测量回路的压降等因素对整流机组整流效率的影响是可以减小的。我们今后还将继续加强整流机组整流效率的理论与实际的研究，并进行统计分析，力求达到节约用电、节约能源。
