[科普中国]-大功率整流器

大功率整流器，是一种用于处理大电流的整流器。大功率整流电源要求整流器的电流容量大、击穿电压高、散热性能好，但这种器件的结面积大、结电容大，因而工作频率很低，一般在几十千赫以下。

原理在以大功率二极管或晶闸管为基础的两种基本类型的整流器中，电网的高压交流功率通过整流器变换为直流电源。提到未来的其它类型整流器：以不可控二极管前沿产品为基础的斩波器、斩波直流/直流变换器或电流源逆变型有源整流器。显然，这种最新型的整流器在技术上包含较多要开发的内容，但是它能显示出优点，例如它以非常小的谐波干扰和1的功率因数加载于电网。1

作用整流器是一个整流装置，简单的说就是将交流转化为直流的装置。它有两个主要功能：第一，将交流电变成直流电，经滤波后供给负载，或者供给逆变器；第二，给蓄电池提供充电电压。因此，它同时又起到一个充电器的作用。

说明1、 整流主电路按接线方式分：A.双反星带平衡电抗；B.三相桥式或同相逆并联双反星带平衡电抗器；C.同相逆并联三相桥式；D.六相双反星型电路E十二相双反星带平衡电抗器，功率元件采用大功率晶闸管。
2、 整流变压器采用0.27或0.35 mm高导磁率，无向冷轧硅钢片，设计成五柱三相输入，初次级用电阻率低的无氧紫铜线绕制；主变压器采用两次真空浸漆、烘干，使其安全系数和稳定性得到有效的保障。
3、 冷却方式分为自冷户外式、风冷、水冷、油浸水冷等可按工艺要求选择。
4、 具有周期换向、正向、反向三种可选工作状态，正负极切换时间、电压、电流调节可任意设定，可自动更换输出电流的极性，有利于增加镀层的硬度、致密度与光亮度。
5、 三相集成触发控制板采用日本技术，具有多重保护措施，是一切新颖高效抗干扰强冲触发电路，性能非常先进；控制电路的触发器和调节器集成化、数字化，并采用计算机优化设计的大板结构，可靠性高检测调试方便。
6、 具有自动计时功能，可以更好的实现列镀层厚度、硬度、耐磨性等质量上的控制，可根据用户的工艺要求增加不同的功能。
7、 设备设有过电压、欠压、过电流、水压降低、元件温度过高、缺相等保护环节及相应故障报警的功能；可设置多套工艺方案，如电流、电压、脉冲、时间、安培小时计等，并可调用修改执行。
8、 可实现远控箱远程控制和中安集中控制，根据用户的要求采用PLC可编程控制器实现继电操作、保护工艺过程的自动化。
9、 产品柜体可采用电脑标准化设计，箱体整体密封设计，结构上采取了防盐雾酸化的措施，局部采取塑料件结构，既防腐又美观，同时又基本上克服了大电流磁场涡流发热的影响，而且设备的损耗小，效率高。
10、具有软启功能，防止启动时的瞬间电流对整流器造成损伤，及避免工件烧焦。
11、输出纹波数最大输出时≤5%，≤3%，≤2%，≤1%。
12、整机可长期满载，安全可靠运作。
13、输出直流电流：100A-80000A。
14、输出直流电压：0-12V、8V、24V—500V等，可按工艺要求选择。2

用途整流器的主要应用是把交流电源转为直流电源。由于所有的电子设备都需要使用直流，但电力公司的供电是交流，因此除非使用电池，否则所有电子设备的电源供应器内部都少不了整流器。
至于把直流电源的电压进行转换则复杂得多。直流-直流转换的一种方法是首先将电源转换为交流，然后使用变压器改变该交流电压，最后再整流回直流电源。
整流器还用在调幅无线电信号的检波。信号在检波前可能会先经增幅，如果未经增幅，则必须使用非常低电压降的二极管。使用整流器作解调时必须小心地搭配电容器和负载电阻。电容太小则高频成分传出过多，太大则将抑制讯号。
整流装置也用于提供电焊时所需固定极性的电压。这种电路的输出电流有时需要控制，此时会以可控硅替换桥式整流中的二极管，并以相位控制触发的方式调整其电压输出。3

励磁系统大功率整流器的增容设计现代大型水轮发电机励磁系统，多采用大功率晶闸管整流器，为发电机提供强大的转子励磁电流。随着电力电子技术的发展，大功率及超大功率晶闸管整流元件的出现，也为整流器的大型化、集中化和高容量、高可靠性提供了可能。过去需要五、六套并联的，可用一两套完成，大大简化了设备结构，降低了运行维护量，更提高了运行可靠性。如此高性能的晶闸管整流元件，必须配备一个能力相当的散热器，才能保证它的工作状态最佳、效力最高。同时本厂的发电机正面临增容改造，励磁的参数也有所增加，所以对励磁系统大功率整流器的增容改造问题就摆在了面前，如何总结前期整流器改造的经验和不足，运用新技术、新产品、新工艺和新设计理念，全面提升整流器的性能指标，满足机组增容改造的要求，就是要解决的问题，如何设计和评价整流器的性能配置，正是本文要讨论的。

机组增容后的励磁参数和性能要求（1）发电机及励磁系统基本参数的增加

本厂125 MW水轮发电机组，作为增容改造的对象，其励磁系统的参数也要相应增加，励磁方式也要由自复励改为自并励，这就对励磁整流器的设计提出了具体的参数要求，详见表1。

（2）励磁系统增容的技术要点

本厂125 MW 水轮发电机组的国产励磁系统，系采用交流侧串连的自复励励磁方式，增容改造将去除发电机中性点串连变压器，改造为自并励励磁方式。并要求发电机端正序电压为 80%Ue 时，保证有2.0 Ule的强励顶值电压输出；当发电机电压为额定值时，强励输出有2.5 Ule 的顶值电压。相应的要提高励磁变的容量和二次电压值，使晶闸管整流器的阳极电压由现行的780 V 提高到965 V，从而引起了整流器运行工况的一些变化，例如阳极交流回路的绝缘水平、晶闸管的正反向峰值电压、阳极电抗的重新分布对晶闸管触发及换相的影响、整流器静态、动态和暂态的均流措施等等，在新的条件下都会受到影响，其中的利弊尚需详细的分析与判断，才能做出合理的改造方案。

应用于本厂大型水轮发电机的励磁系统，负荷特性有别于其他整流器负荷，更超出一般水电厂运用方式，其特点是：⑴ 连续运行时间长，年运行小时数达6000~7000，负荷电流一般在1500 A 左右，稍小于额定值，并满足1.1倍额定电流，称之为常态指标；⑵ 容量储备要足够大，以应对两倍强励的需要，持续时间大于20 s，称之动态指标，即平常只用到其输出能力的1/3；⑶ 还要特别考虑系统可能发生的故障异常情况下，整流器承受的短路或误强励电流输出，这不是其他技术措施可以限制的，必须靠整流器本身的高指标、高可靠性相抗衡，若考虑不周的话，一旦遇到故障，就会损坏整流器，这种情况的持续时间很短，只有几秒钟，称之为极限冲击的暂态指标。

定义了上述三个指标，用来衡量大功率整流器的输出能力，把增容机组和现行改造应用的配置模型N/(N－1)列于表2。

根据系统增容的要求，基本容量要增加，常态出力2 kA，动态出力近4 kA；容量裕度也要增加最大达8 kA，也就是说一旦发生故障电流，整流器元件应有一定的坚持抗衡能力，不至于在故障切除之前就烧损或熔断。这一点不但要求整流元件的品质、指标要高，而且要求与之配套的散热系统的动态散热能力也要高，裕量要足够。这就是机组增容对整流器和散热能力的重点要求，因为固定的参数指标容易达到，而整流器的损坏，往往都是发生在异常的故障冲击电流下，问题在于设计指标有没有充分考虑周全。

整流器在多柜并联的配置下，还应按(N－1)的原则考虑冗余，即一桥故障退出时，其余整流柜仍能满足包括强励在内的所有功能。并联支路的均流，宜以交流电缆的自然物理均流方式为主，并辅以其他均流方式(如调节方式)，这就是从励磁系统增容和安全稳定的角度设定的励磁功率整流器的基本指标，也为下一步的技术改造锁定了目标。

励磁大功率整流器增容设计要点励磁大功率整流器的配置，除了前面讨论的参数指标的要求外，还应注重解决好前期运用中暴露的问题，使装置整体配置更合理，结构更优化，性能更好，运行更可靠，所以下面的问题必须解决好。

（1）大江电厂励磁设备的安装环境，对整流器的散热和循环有所限制，热风短路交换不足，使散热效率降低，夏季依靠空调辅助降温有所缓解，但仍未从根本上解决，改造时应重点考虑解决此问题，不论是风冷散热还是自冷散热，都必须提高热交换量和交换空间，避免热风短路，解决好环境适应问题。

（2）没有交换就没有散热，交换量大了又增加了灰尘的聚集。二江采用的集中通风散热系统，基本上解决了交换和清灰的问题，在没有空调辅助的条件下，长期确保了励磁设备的稳定运行；大江20F、21F进口励磁设备，采用集中鼓风，进风口加滤网的方式，也解决得很好，都可以参考借鉴；三峡励磁采用的强迫风冷，风道引出，加空调、滤网和自循环，但循环空间有限，滤网的灰尘仍较多。另外，由于热风不与外界交换，仅靠两台空调来平衡五台整流器的发热量，增加了对空调系统的依赖，而且全年都不能停空调，从节能和整体可靠性的要求看有些欠缺。所以技术改造还不仅是换个柜子那么简单，应该综合考虑、因地制宜、整体配套、妥善解决这些问题。

（3）其他要关注的问题包括：均流方式和保证措施问题、阻容和过压保护的配置问题、绝缘结构问题，均风均热结构的设计问题，脉放和强触发的配置问题、EMC电磁防护的问题等。

大功率热管散热整流柜散热效果评价为进一步选择增容改造的方案，现代技术和产品的发展为我们提供了空间，但需要正确地评价和选择技改方案，其要点就是：

（1）坚持标准：例如国标/行标(GB/T7409.3-1997，DL/T583-1995)均已明确规定的，晶闸管与散热器接合
处的最高温升为 40℃的标准。

（2）锁定目标：例如增容机组要求励磁常态输出保证1.1倍的额定电流即2000 A， 动态保证2倍的强励输出即3600 A(～4000 A)，还有暂态能抵抗不小于8000 A的故障电流(该点也很重要)，同时满足(N－1)的原则要求。

（3）综合评价：由实测数据出发，反推出完整温升散热特性，即可确定标准温升下的输出能力，再作对比评价，结果就很清楚了，可以排除那些似是而非的数字游戏。

（4）图表化处理：从散热能力出发，融国家标准和设计规范于一体，直接关联整流元件的I/P特性和散热方式，就可由目标值直接选取适用元件，并确定散热器热阻，据此即可选择不同的散热方式，并做出性能、效率、经济性、可靠性等方面的综合评价。

（5）整体配置：即从元件的选择到性能的搭配，要综合平衡，不能有瓶颈。还应有结构和环境的配套设计，使装置运行环境最佳，性能得到最大的发挥，可靠性也有保证。4

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学