Napájecí zdroje pro elektrochemické výrobní procesy

Napájecí zdroje pro elektrochemické výrobní procesy

Ing. Tomáš Cetl,
Elektrotechnická fakulta ČVUT v Praze

Elektrochemické procesy zaujímají ve výrobních technologiích sice ne nejvýznamnější, ale přesto trvale nezaměnitelné místo. Uplatňují se zejména v oblasti povrchových úprav (galvanické pokovování, leštění, moření, odmašťování, leptání), při výrobě čistých kovů (rafinace mědi, niklu, stříbra, zlata,…) a při výrobě některých plynů (chlor - Cl) nebo kovů (hliník - Al, hořčík - Mg). Mimo tyto technologické procesy nalézá elektrochemie využití např. i při elektrolytickém obrábění nebo ostření nástrojů. Všechny zmíněné technologické procesy probíhají v prostředí elektrolyzérů a galvanických lázní různých velikostí a provedení a pro svou činnost vyžadují (až na malé výjimky) výkonové zdroje malého stejnosměrného napětí, které dodávají velké proudy. Z hlediska potřebných výkonů je možno zdroje pro elektrochemické aplikace rozdělit do několika kategorií. Nejmenší výkony asi do 1 kV·A mají zdroje pro méně významné technologické procesy např. odmašťování, střední výkony asi do 40 kV·A jsou typické pro pokovování a malé rafinační linky a velké výkony (od 100 kV·A výše) jsou používány pro velké rafinační linky a výrobu chlóru a hliníku.

Před rokem 1989 se v České republice vyráběly zdroje pro všechny zmíněné aplikace v celém rozsahu výkonů pro vnitřní potřebu i pro export. V současnosti nabízí výrobky v tomto sektoru trhu jen několik málo českých firem, a to v rozsahu malých a středních výkonů.

Technické řešení zdrojů a specifické problémy jejich konstrukce jsou shrnuty v dalších odstavcích.

1. Zdroje pro galvanické pokovování

Požadavky na napájecí zdroje pro provozy galvanického pokovování se v řadě požadavků výrazně odlišují od většiny napájecích zdrojů, používaných pro jiné průmyslové technologie. Jejich specifické vlastnosti vyplývají z charakteristických vlastností techniky galvanického pokovování. Je to především potřeba malého výstupního napětí, značně velkých proudů a dále skutečnost, že lázeň je zdrojem protinapětí proměnné velikosti. Pro některé technologické procesy je také třeba, aby zdroj umožňoval měnit polaritu výstupního napětí.

Pro pokovování se používá stejnosměrný proud. Vzhledem k tomu, že proud potřebné velikosti je generován z usměrňovačů, napájených z rozvodné sítě střídavého napětí o frekvenci 50 Hz, které produkují stejnosměrné napětí se značným podílem střídavé složky o frekvenci 100 Hz nebo 300 Hz, obsahuje i proud dodávaný do galvanické lázně střídavou složku těchto frekvencí. Pro zmenšení střídavé složky proudu (zvlnění proudu) je zapotřebí do proudového obvodu lázně zařadit filtrační člen, kterým bývá pro větší proudy výhradně tlumivka. Tou je možno zvlnění proudu potlačit na přijatelnou velikost. Vyhlazený proud s minimálním zvlněním ve většině případů umožňuje dosáhnout kvalitnější povrch, tj. homogenní povlak naneseného kovu. Nevýhodou je, že při minimálním zvlnění proudu jsou z povrchu pokovovaného materiálu hůře odstraňovány likvidní produkty a musí být zajištěno jejich odstraňování intenzivnějším omýváním povrchu. O optimální velikosti zvlnění proudu se vedou mnohaleté diskuse mezi teoretiky i praktiky, ale v podstatě většina z nich považuje za technicky i ekonomicky přijatelnou úroveň zvlnění proudu 2 až 5 % jeho střední hodnoty.

Velikost zvlnění proudu ovlivňuje nejen kvalitu pokovení, ale má vliv i na konstrukci samotného zdroje. Množství vyloučeného materiálu je úměrné době pokovování a střední hodnotě proudu, tepelné ztráty průchodem proudu závisí na efektivní hodnotě proudu. U vyhlazeného proudu je střední i efektivní hodnota shodná, u silně zvlněného proudu je efektivní hodnota o několik procent větší, při přerušovaném proudu může být větší až o několik desítek procent. Při použití zdroje pro elektrochemické technologie závisí požadavek velikosti zvlnění proudu na konkrétní technologii. U některých není zvlnění proudu rozhodující (např. odmašťování), jiné vyžadují zvlnění menší než 3 až 5 %. Proto nejsou ani konstrukce zdrojů pro galvanizační účely shodné a je potřeba rozlišovat několik typů zapojení obvodu podle požadovaných parametrů výstupního proudu, podle způsobu řízení jeho velikosti a způsobu vyhlazování.

2. Zdroje klasické koncepce se síťovým transformátorem

Napájení průmyslových zdrojů pro galvanizační účely je obvykle z trojfázové rozvodné sítě. S přihlédnutím k požadavku malého zvlnění je třeba zvolit zapojení některého z vícepulzních zapojení usměrňovačů. V úvahu přichází šestipulzní uzlové nebo můstkové zapojení usměrňovače, pro jednotky velkých výkonů potom některé z dvanáctipulzních zapojení. Velikost výstupního napětí galvanizačního zdroje bývá požadována v rozmezí od 3 do 13 V, výjimečně do 18 až 24 V. Protože regulace napětí v tak širokém rozsahu by byla velmi neekonomická, je vhodné pracovní oblast rozdělit do několika napěťových stupňů, např. 3 až 7 V, 7 až 14 V apod. Sekundární vinutí transformátoru je rozděleno do několika sekcí a pro výstupní napětí v jednotlivých napěťových stupních se využívá jejich paralelního resp. sériového řazení. Důležitým parametrem zdroje je i jeho účinnost. Při malých hodnotách výstupního napětí zdroje je vhodné, aby počet usměrňovacích prvků (diod resp. tyristorů) v proudové dráze byl minimální a aby byly použity prvky, které mají minimální úbytek v propustném směru. Z tohoto hlediska je výhodnější uzlové zapojení, kde je v proudové dráze pouze jeden usměrňovací prvek. U můstkového zapojení jsou v proudové dráze v sérii prvky dva. Při použití tyristorů (U_F = 1,5 V) a napětí zdroje 6 V, představuje úbytek na tyristoru 25 % výstupního napětí. Použitím můstkového zapojení zhoršíme účinnost zhruba o dalších 15 %.

Součástí usměrňovače je také transformátor, jehož využití je u uzlových zapojení usměrňovačů horší než u můstkových. Proto je u uzlových zapojení usměrňovačů pro dosažení stejného usměrněného výkonu zapotřebí transformátor s větším typovým výkonem. Při návrhu celého zařízení je tedy nutné uvážit, zda bude rozhodující pořizovací cena zařízení nebo provozní náklady za celou předpokládanou dobu využívání zdroje a podle toho volit variantu skutečně použitého zapojení. Na základě ekonomického rozboru při uvažování běžných cen komponentů zdrojů lze pro zdroje menších výkonů s jmenovitým výstupním napětím do 12 voltů doporučit zapojení uzlová, pro větší napětí zapojení můstková.

2.1. Typické znaky konstrukce transformátorů pro zdroje s malým výstupním napětím
Základní odlišnost od běžných převodních transformátorů, jaké známe z rozvodných sítí, vyplývá z potřeby získávat na sekundární straně malé napětí při velkých proudech. Počet závitů na volt u vinutí transformátoru středního výkonu (6 až 8 kV·A) je kolem 1 závitu na volt (pro uvedený výkon bude potřebný počet závitů sekundárního vinutí asi 8, při průřezu mědi 140 mm²), u větších výkonů transformátorů se bude počet sekundárních závitů dále snižovat až k jednomu závitu. Průřez mědi vodičů se bude zvyšovat, takže sekundární vinutí bude nakonec realizováno jen jedním nebo několika málo závity, nejčastěji z měděného plechu, pasu nebo profilu.

Primární vinutí s vyšším počtem závitů a podstatně menším průřezem vodiče nebude představovat žádné výrobní problémy.

Příklad blokového uspořádání výkonového obvodu zdroje je na obr. 1.

2.2. Ventilová skupina usměrňovače
Regulaci výstupního napětí (střední hodnoty) je možno zajistit několika způsoby. Nejjednodušší se zdá být použití tyristorového usměrňovače na sekundární straně transformátoru (viz obr. 1). Regulací řídicího úhlu tyristorů je potom možno nastavit požadovanou střední hodnotu výstupního napětí. Problém nastává v případě, kdy při plném otevření tyristorů požadujeme na výstupu velmi malou hodnotu usměrněného napětí. Příčinou je skutečnost, že běžné výkonové tyristory se při malé velikosti blokovacího napětí (většinou asi do hodnoty U_D = 8 až 10 V - při pokojové teplotě) chovají podobně jako tranzistory, tj. po přivedení řídicího impulsu zapnou, ale po jeho skončení se vrátí do blokujícího stavu. Aby byly použitelné, je třeba použít takový typ generátoru zapínacích impulsů, který podporuje tuto vlastnost součástek.

Tyristorové řízené usměrňovače jsou z principu své činnosti zdrojem vyšších harmonických v průběhu proudu, který zdroj odebírá z rozvodné sítě a tím i zdrojem harmonických napětí v místě připojení zdroje na síť. Pro splnění limitů platných norem EMC je většinou zapotřebí na vstupní stranu zdroje zařadit odrušovací filtry, které samozřejmě zvyšují hmotnost, zastavěný prostor i cenu zdroje.

Konstrukčně bývají zdroje uspořádány do skříní unifikovaných rozměrů, v případě jednotek velkých výkonů jsou funkční bloky rozděleny do více skříní. Příklad zdroje Eprona 24 V, 6 000 A je na obr. 2.

Dříve využívaný způsob regulace napětí s tyristorovým měničem střídavého napětí na primární straně transformátoru a neřízeným (diodovým) usměrňovačem na sekundární straně se již nepoužívá, protože při tomto zapojení je prakticky nemožné splnit současně platné limity rušivých napětí dle norem EMC. Vlastnosti dnes vyráběných vypínatelných výkonových součástek (tyristory GTO, tranzistory IGBT) umožňují konstruovat střídavé měniče s využitím PWM (pulzní šířkové modulace), a tak dosahovat požadovaného regulačního rozsahu při zvládnutelných úrovních rušení. Není třeba připomínat, že taková aplikace bude vyžadovat jiné algoritmy řízení a jiné technické prostředky pro jejich realizaci než u původního tyristorového řízení.

Vzhledem ke zmíněným nevýhodám tyristorových usměrňovačů se jeví výhodnější pro zdroje menších výkonů, v současnosti asi do 40 kV·A (při paralelním chodu zdrojů i pro výkony několikanásobně vyšší) použití spínaných zdrojů.

3. Spínané zdroje se středofrekvenčním transformátorem

Blokové schéma tohoto typu zdroje je na obr. 3. Důvodem používání spínaných zdrojů je především zmenšení hmotnosti a zastavěného objemu zdroje a ceny v porovnání s klasickým zdrojem se síťovým transformátorem. Řízení velikosti výstupního napětí a proudu se provádí nepřímo řízením poměrné doby zapnutí střídače a tím změnou efektivní hodnoty primárního a tudíž i sekundárního napětí transformátoru.

Problémem spínaných zdrojů pro použití v galvanotechnice je konstrukce transformátoru pro malá výstupní napětí a velké proudy při poměrně velkých výkonech.

Bude-li mít pracovní frekvence střídače spínaného zdroje běžnou hodnotu 50 kHz, tedy bude v porovnání se síťovou frekvencí 50 Hz tisíckrát vyšší, je možné, aby součin počtu závitů vinutí transformátoru (N), průřezu jádra (S_Fe) a maximální indukce v jádře (B), tedy N × S_Fe × B, byl pro stejné napětí tisíckrát nižší. Tato skutečnost vyplývá ze základní napěťové rovnice transformátoru. Důsledkem je mnohem menší počet závitů na volt ve vinutí.

Při porovnání s dříve zmíněným transformátorem pro zdroj cca 6 kV·A, dostaneme místo hodnoty přibližně 1,5 V / závit hodnotu 20 V / závit. Pro malé výstupní napětí zdroje by to znamenalo, že sekundární vinutí by mělo i při redukci původních hodnot průřezu jádra a sycení pouze zlomek závitu, což není prakticky realizovatelné. Aby mohlo být použito primární napětí původní velikosti, je vhodné konstrukci transformátoru rozdělit do několika dílčích transformátorů, jejichž primární vinutí jsou zapojena v sérii a sekundární vinutí paralelně. Takové uspořádání nazýváme maticovým transformátorem. Při použití ve zdrojích ještě vyšších výkonů, resp. při vyšších pracovních frekvencích, konstrukce degraduje do velkého počtu dílčích transformátorů, jejichž primární vinutí tvoří jen jeden nebo několik málo závitů a sekundární vinutí je tvořeno jen jedním závitem nebo průvlakem vodiče v oknu magnetického obvodu. Mění se také tvar komponentů jádra magnetického obvodu z původně užívaných klasických typů UI nebo EI na plochá (planární) jádra, u nichž se snadno realizuje jednozávitové vinutí a lze dobře zajistit těsnou magnetickou vazbu mezi vinutími primáru a sekundáru. Současně vyráběná planární feritová jádra umožňují konstrukci transformátoru o výkonu do 5 až 8 kV·A při frekvenci 250 až 300 kHz, což při maticovém uspořádání měniče umožňuje konstruovat jednotky asi do 100 kV·A, perspektivně i výše. Nutno ale upozornit, že u zdrojů takovýchto výkonů lze očekávat potíže při jejich odrušení a také bude zapotřebí upravit dosud obvyklá konstrukční uspořádání měničů tak, aby byla v souladu s hygienickými normami z hlediska přípustné úrovně expozice obsluhy zařízení elektromagnetickým polem značné intenzity.

Vinutí středofrekvenčního transformátoru se odlišuje od nízkofrekvenčního v důsledku nutnosti respektování skinefektu. Hloubka vniku je pro uvedené frekvence několik desetin milimetru, avšak potřebné průřezy vodičů jsou v jednotkách až stovkách mm². Vinutí tedy není možno realizovat pro měniče středního a většího výkonu jedním vodičem kruhového průřezu. Dá se však realizovat svazkem navzájem izolovaných tenkých vodičů spojených na obou koncích, nebo svazkem tenkých, navzájem izolovaných plechů. Pro zajištění rovnoměrného zatížení jednotlivých vodičů (nebo plechů) ve svazku je nutno zajistit, aby docházelo k jejich stejné poloze vůči siločarám magnetického pole. Toho se dosahuje tzv. transpozicí, tj. zkroucením resp. twistováním u vodičů a překládáním segmentů ve vrstvách u vinutí z plechů. To značně komplikuje technologii výroby u vinutí s více závity. Sekundární vinutí má u aplikací s malou hodnotou výstupního napětí obvykle pouze jeden závit a pro dosažení potřebného proudu se používá konstrukce s větším počtem těchto vinutí zapojených paralelně. Taková konstrukce je např. na obr. 4., kde je představen transformátor 10 kV·A, 25 kHz jako komponenta spínaného zdroje galvanizačního usměrňovače 40 kV·A, výrobce Eprona Rokytnice n. J.

Při maticovém uspořádání transformátorů se usměrňovače na výstupní straně transformátorů často umisťují přímo na svorky sekundárních vinutí a paralelní propojení se dělá až na stejnosměrné straně. Jestliže je to možné, použijeme diody Schottkyho typu pro zajištění malého úbytku napětí a krátké doby zotavení. U zdrojů velkých výkonů vzniká tak velké množství ztrátového tepla úbytkem na diodách protékaných velkými proudy, že je nutno pro jejich chlazení používat vodou nebo olejem chlazené chladiče, příp. chladiče s tepelnými trubicemi.

Pro vyhlazení usměrněného proudu při vyšší frekvenci střídavé složky napětí postačuje mnohem menší tlumivka než u síťové varianty, v aplikacích s velkými proudy se často používá tlumivka bez ferromagnetického obvodu.

Nevýhodou spínaných zdrojů je vyšší úroveň rušení, a to jak v oblasti nízkých frekvencí (rušení napájecí sítě), tak v oblasti vysokých frekvencí. Vstupní usměrňovač je připojen přímo na svorky napájecí sítě a napájí kondenzátor stejnosměrného meziobvodu. Proud odebíraný ze sítě má tudíž pulsní charakter s vysokým obsahem vyšších harmonických kmitočtů a nepříznivým poměrem efektivní hodnoty v porovnání s efektivní hodnotou základní harmonické (viz obr. 5 ). Tato skutečnost obvykle vyžaduje zařazení nějakého typu vstupního filtru, aby časový průběh proudu vyhověl normám EMC. Filtrační člen může být pasivní (tlumivka) nebo aktivní (PFC obvody). V obou případech filtr zvyšuje pořizovací cenu zařízení, jeho hmotnost a rozměry. Rušení v oblasti vysokých kmitočtů je u měničů, které pracují s malým výstupním napětím (a velmi malou impedancí zátěže), méně nebezpečné než např. u měničů pro pohony. Odrušení se omezuje na blízké okolí střídače a transformátoru, příp. ještě na vstupní síťovou část měniče. Výstupní část s obvody malého napětí nevyžaduje zvláštní odrušení.

4. Výkonové zdroje pro velké výrobní technologie

Elektrochemické procesy velkých výkonů se odlišují od elektrochemických technologií menších výkonů nejen výkonem, ale také způsobem práce. U galvanizačních a podobných procesů je typické, že práce probíhá po dávkách, kde přerušení technologického procesu nebo změna výkonu linky nepředstavuje podstatné výrobní problémy. Příkladem zdroje pro takovou aplikaci může být zdroj pro rafinační linku 125 V, 21,8 kA. Skříň s vodou chlazenými usměrňovači v montážní hale podniku Eprona je na obr. 6.

U technologií zvláště velkých výkonů výroba probíhá převážně kontinuálně. To znamená, že napájecí zdroje musí dodávat energii nepřetržitě při téměř konstantním odebíraném výkonu. Napětí na výstupu zdrojů je řádu stovek voltů, proudy jsou podle velikosti výrobní jednotky v řádu stovek až desítek tisíc ampérů, v některých případech i více, tzn. příkon celé výrobní jednotky v megawattech. Typickými představiteli těchto výrobních technologií jsou elektrolýzy hliníku a chlóru.

Primárním požadavkem na napájecí zdroj je zajištění nepřetržité dodávky energie pro technologický proces. Při delším výpadku elektrického proudu hrozí při poklesu teploty elektrolytické lázně (což je např. u elektrolýzy hliníku tavenina) její „zamrznutí“ s velkými ekonomickými důsledky. Celý napájecí systém musí být tedy zálohován. Při výpadku napětí na rozvodné síti musí být zajištěno přepojení na jinou, dosud funkční, část vedení, v případě totálního výpadku je nutné aktivovat vlastní zdroje, např. alternátory poháněné plynovou turbinou. Náhradní zdroj musí překlenout výpadek rozvodné sítě, příp. zajistit provoz až do řádného odstavení celé technologie.

Vzhledem k velkým výkonům se používají tyristorové usměrňovače. Zapojení pracovních bloků usměrňovačů, které pracují paralelně do společné zátěže, bývá řešeno jako dvanáctipulsní, v některém ze zapojení, které poskytuje pokud možno co nejvyšší využití usměrňovacích ventilů. Hlubší rozbor je uveden např. v lit. [1], [2], [3]. Bloky výkonových usměrňovačů jsou navrženy tak, aby při výpadku některého z nich bylo možno operativně zapojit rezervu, tedy instalovaný výkon musí být větší nejméně o jeden, častěji o dva bloky, aby bylo možno vždy zajistit požadovaný výkon. Celkové uspořádání výkonových obvodů řízených usměrňovačů pro tyto velké technologie se prakticky neodlišuje od obdobných měničů pro jiné technologie, elektrické pohony apod.

5. Závěr

Zdroje pro elektrochemické aplikace představují specifickou kategorii napájecích zdrojů. Moderní řešení zdrojů středních výkonů vychází z technologie spínaných zdrojů a je pravděpodobné, že od dosud běžných spínacích frekvencí v rozmezí 20 až 40 kHz dojde vbrzku k přechodu na vyšší frekvence a tím zmenšení a zlevnění zdrojů. Problematika EMC související s aplikacemi spínaných zdrojů s vyššími frekvencemi je jedním z klíčových momentů možnosti jejich aplikací a je řešena např. na Elektrotechnické fakultě ČVUT v Praze v rámci Výzkumného záměru 34/99173/13113: Výzkum efektivnosti a kvality spotřeby energie.

V tomto článku byly použity s laskavým svolením obrazové materiály podniku Eprona a. s. Rokytnice n. J.