一． 綜述
多晶硅還原爐電氣系統(tǒng)的主要設(shè)備是大功率調(diào)壓器。調(diào)壓器所帶負(fù)載是多晶硅棒串聯(lián)而成的純電阻負(fù)載。調(diào)壓器的作用實(shí)際上是對負(fù)載電阻進(jìn)行電加熱，并且保持硅棒表面溫度恒定（一般1080℃）。硅棒串聯(lián)而成的電阻是一個(gè)變化的電阻：第一，硅棒溫度從常溫上升到1000℃，Φ8直徑硅芯電阻從幾百kΩ下降到幾十Ω；第二，保持硅棒表面溫度1080℃，硅棒直徑從Φ8增加到Φ150，硅棒電阻從幾十Ω下降到幾十mΩ。可見硅棒電阻大范圍變動(dòng)引起調(diào)壓器輸出電壓和電流的調(diào)節(jié)范圍大是這種調(diào)壓器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。按照實(shí)際工作的性質(zhì)，調(diào)壓器分為硅棒溫度從常溫加熱到1000℃的預(yù)熱調(diào)壓器和硅棒直徑從Φ8增加到最終直徑并且始終保持硅棒表面溫度1080℃的還原調(diào)壓器。
預(yù)熱調(diào)壓器工作過程中硅棒溫度從常溫加熱到1000℃，其主要困難是硅棒初始電阻R太大，加熱功率正比于V2/R，電阻大必然要求供電電壓高（甚至需十幾kV），一般應(yīng)盡可能降低電阻R。常用方法有提高爐壁冷卻液的溫度，加粗硅芯直徑，對硅芯參雜，爐內(nèi)注入高溫等離子體或放置鹵鎢燈等等。預(yù)熱調(diào)壓器工作時(shí)間十幾分鐘，功率30－200kVA。
還原調(diào)壓器輸出功率用于加熱硅棒，硅棒再通過輻射、傳導(dǎo)和對流方式將功率傳遞給還原爐內(nèi)的反應(yīng)氣體和爐壁的冷卻液。隨硅棒直徑增長，反應(yīng)氣體流量加大，爐內(nèi)的反應(yīng)氣體和爐壁的冷卻液帶走的熱量增加，調(diào)壓器輸出功率越來越大。工藝對還原爐提出的技術(shù)要求如圖一所示。還原調(diào)壓器設(shè)計(jì)必須滿足工藝上隨直徑Φ變化，電壓V、電流I和功率P的供電要求。同時(shí)，重點(diǎn)考慮高電壓的電氣結(jié)構(gòu)問題、大電流的電氣結(jié)構(gòu)問題、負(fù)載電阻變化引起的調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)問題、調(diào)壓范圍大引起的功率因數(shù)低和諧波問題、結(jié)構(gòu)上的環(huán)流問題、硅棒碰壁、裂棒檢測及斷電再上電等輔助功能問題。
多晶硅還原爐電氣系統(tǒng)除了調(diào)壓器以外還有一套計(jì)算機(jī)管理、操作系統(tǒng)。它的主要功能是：
1． 對管轄的所有還原爐電氣設(shè)備（調(diào)壓器、變壓器、開關(guān)柜）進(jìn)行數(shù)字通信。
2． 對管轄的所有還原爐電氣設(shè)備的電氣數(shù)據(jù)進(jìn)行畫面顯示和曲線記錄，并且對所有還原爐電氣設(shè)備的故障進(jìn)行畫面提示和記錄。
3． 對管轄的所有還原爐電氣設(shè)備進(jìn)行畫面操作。
該系統(tǒng)采用雙冗余計(jì)算機(jī)和光纖通信，可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)。
目前，國際上對中國實(shí)行還原爐電氣系統(tǒng)的技術(shù)封鎖，同類進(jìn)口產(chǎn)品只是國際九十年代初的水平。要想設(shè)計(jì)出適應(yīng)我國還原爐內(nèi)硅棒不斷增多、直徑不斷長粗、氣體壓力不斷增高的還原爐電氣系統(tǒng)，仍然需要依靠中國電氣同行的共同努力。
二． 預(yù)熱調(diào)壓器的設(shè)計(jì)
目前比較流行的預(yù)熱方式是直接采用高壓調(diào)壓電源進(jìn)行預(yù)熱，而不是用高溫等離子體或放置鹵鎢燈等方式。因?yàn)樵谡莆樟穗姌O絕緣技術(shù)的情況下，高壓調(diào)壓電源進(jìn)行預(yù)熱，工藝優(yōu)勢比較大。
預(yù)熱調(diào)壓器方案1，380V交流電壓經(jīng)過交流調(diào)壓器調(diào)壓后連接到升壓變壓器原邊。變壓器副邊1檔額定輸出V1（例如12kV）、2檔額定輸出V2（例如6kV）、3檔額定輸出V3（例如3kV）。K1真空接觸器吸合，調(diào)壓輸出范圍V1－V2；K2真空接觸器吸合，調(diào)壓輸出范圍V2－V3；K3真空接觸器吸合，調(diào)壓輸出范圍V3－1000℃硅棒電壓。方案1的缺點(diǎn)是真空接觸器體積較大，維護(hù)多、切換時(shí)間較長。優(yōu)點(diǎn)是不考慮環(huán)流問題。
預(yù)熱調(diào)壓器方案2，380V交流電壓經(jīng)過交流調(diào)壓器Q1調(diào)壓后連接到升壓變壓器原邊1檔，變壓器副邊額定輸出電壓V1（例如12kV），調(diào)壓輸出范圍V1－V2。380V交流電壓經(jīng)過交流調(diào)壓器Q2調(diào)壓后連接到升壓變壓器原邊2檔，變壓器副邊額定輸出電壓V2（例如6kV），調(diào)壓輸出范圍V2－V3。380V交流電壓經(jīng)過交流調(diào)壓器Q3調(diào)壓后連接到升壓變壓器原邊3檔，變壓器副邊額定輸出電壓V3（例如3kV），調(diào)壓輸出范圍V3－1000℃硅棒電壓。方案2不是真空接觸器換檔而是可控硅換檔，無換檔時(shí)間。但是圖三中存在不同檔的兩個(gè)可控硅開通形成變壓器原邊兩個(gè)抽頭短路的環(huán)流可能性。因此，方案2的核心技術(shù)是確保任何一檔可控硅工作時(shí)，其他檔可控硅處于脈沖封鎖狀態(tài)，絕不會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。實(shí)際上環(huán)流是兩個(gè)原因造成的：一是應(yīng)該關(guān)斷的可控硅在干擾情況下誤觸發(fā)導(dǎo)通；二是應(yīng)該關(guān)斷的可控硅承受很大的dv/dt而導(dǎo)通。因此，主回路應(yīng)該通過阻容吸收電路抑制可控硅兩端的電壓尖峰和dv/dt，控制回路應(yīng)該采取抗干擾措施。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，預(yù)熱調(diào)壓器最高輸出電壓：硅棒長度×700V/米（爐壁冷卻液溫度240℃）；硅棒長度×1500V/米（爐壁冷卻液溫度130℃）。當(dāng)預(yù)熱調(diào)壓器最高輸出電壓超過爐底電極絕緣電壓時(shí)，可以采用短對方案，也可以采用多電源方案。
短對方案中K1和K2真空接觸器先吸合，預(yù)熱調(diào)壓器為一對棒加熱到1000℃。然后K1真空接觸器吸合、K2斷開，預(yù)熱調(diào)壓器為1000℃的一對棒和常溫的一對棒串聯(lián)加熱，使兩對棒都加熱到1000℃。最后K1、K2都斷開，預(yù)熱調(diào)壓器為1000℃的兩對棒和常溫的一對棒串聯(lián)加熱，使三對棒都加熱到1000℃。短對方案的主要缺點(diǎn)是把1000℃的硅棒和常溫的硅棒串聯(lián)再加熱時(shí)，由于常溫硅棒電阻很大，10000C的硅棒沒有獲取功率而溫度下降，硅棒溫度反復(fù)波動(dòng)容易出現(xiàn)裂棒甚至倒棒。
多電源方案不會(huì)出現(xiàn)溫度波動(dòng)問題。對應(yīng)預(yù)熱調(diào)壓器1的一對硅棒先到1000℃，由于它對爐內(nèi)溫度的加熱，使對應(yīng)預(yù)熱調(diào)壓器2的兩對硅棒的最高每米電壓值降低，預(yù)熱調(diào)壓器2可以加熱兩對硅棒到1000℃。兩個(gè)預(yù)熱調(diào)壓電源相位互差120°，三根預(yù)熱母線中任意兩根線的電壓不超過預(yù)熱調(diào)壓器最高輸出電壓。
為了簡化設(shè)備，一般選用1套預(yù)熱調(diào)壓器對N臺(tái)爐進(jìn)行預(yù)加熱。9對棒還原爐預(yù)加熱系統(tǒng)原理，K1真空斷路器斷開，防止高壓加入A相還原調(diào)壓器。K2吸合，對1#爐A相3對棒預(yù)熱。預(yù)熱結(jié)束，K2斷開，K1吸合，A相3對棒開始由A相還原調(diào)壓器供電。同樣，K3真空斷路器斷開，防止高壓加入B相還原調(diào)壓器。K4吸合，對1#爐B相3對棒預(yù)熱。預(yù)熱結(jié)束，K4斷開，K2吸合，B相3對棒開始由B相還原調(diào)壓器供電。以次類推，每次預(yù)熱3對棒，每爐預(yù)熱3次?？梢詫θ魏我粋€(gè)爐進(jìn)行硅芯調(diào)壓預(yù)熱。所有真空接觸器和真空斷路器的邏輯控制由PLC操作。
三． 還原調(diào)壓器設(shè)計(jì)
多晶硅50Hz交流的集膚深度大約26mm，直徑較粗時(shí)，直流導(dǎo)電面積是圓的面積，50Hz交流的導(dǎo)電面積是圓環(huán)的面積。還原調(diào)壓器可以采用直流調(diào)壓方式。但是，在工藝上，由于硅棒中心導(dǎo)電，中心溫度要高于硅棒表面溫度，硅棒機(jī)械強(qiáng)度變差甚至出現(xiàn)溶心現(xiàn)象。在供電上，直流硅棒電阻小，對同樣功率屬于低壓大電流供電方式，所以一般采用交流調(diào)壓方式。
由工藝決定的硅棒調(diào)壓范圍大約10：1，為了提高功率因數(shù)，降低諧波，通常采用副邊多抽頭的還原變壓器，即調(diào)壓器調(diào)壓與抽頭切換相結(jié)合的交流調(diào)壓方式。
用真空斷路器進(jìn)行抽頭切換，可控硅交流調(diào)壓器在相鄰兩抽頭間進(jìn)行小范圍調(diào)壓。缺點(diǎn)是硅棒電流較大時(shí)，真空斷路器價(jià)格高體積大。另外斷路器切換時(shí)間和維護(hù)都不如可控硅電子開關(guān)。無斷路器結(jié)構(gòu)，4個(gè)可控硅調(diào)壓器任何時(shí)候僅有1個(gè)可控硅調(diào)壓器在工作。變壓器原邊繞組的電壓、電流波形如圖九所示，電流波形由0線和正弦波組成。顯然，電流滯后于電壓，功率因數(shù)低；電流畸變，存在高次諧波。因此，在變壓器副邊的一個(gè)抽頭上安裝就地?zé)o功功率補(bǔ)償和諧波治理裝置。使功率因數(shù)大于0.9，注入10kV電網(wǎng)的諧波達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)GB/14549?93。圖十中存在不同檔的兩個(gè)可控硅開通形成變壓器副邊兩個(gè)抽頭短路的環(huán)流可能性。因此，其核心技術(shù)是確保任何一檔可控硅工作時(shí)，其它檔可控硅處于脈沖封鎖狀態(tài)，保證絕不會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。
在電壓/電流工藝曲線固定的情況下，可以不用無功功率補(bǔ)償和諧波治理裝置，選用高功率因數(shù)調(diào)壓方式實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)大于0.9，注入10kV電網(wǎng)的諧波達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。該方式的調(diào)壓器主回路電路圖相同，4個(gè)可控硅調(diào)壓器任何時(shí)候有2個(gè)可控硅調(diào)壓器在工作。變壓器原邊繞組的電壓、電流波形如圖十所示，電流波形由小正弦波和大正弦波組成。例如：先Q3導(dǎo)通產(chǎn)生電流正極性小正弦波，再Q(mào)1導(dǎo)通產(chǎn)生電流正極性大正弦波，再Q(mào)4導(dǎo)通產(chǎn)生電流負(fù)極性小正弦波，最后Q2導(dǎo)通產(chǎn)生電流負(fù)極性大正弦波。注意：假設(shè)兩個(gè)相鄰的抽頭電壓分別為1000V和707V，硅棒電流波形大正弦波與小正弦波的峰值比例是1.414。但是變壓器原邊繞組的電流波形大正弦波與小正弦波的峰值比例則為2?？梢宰C明，兩個(gè)相鄰的抽頭電壓接近到一定程度，可以解決功率因數(shù)和諧波的問題。
當(dāng)單相供電的硅棒串聯(lián)對數(shù)較多時(shí)，或者硅棒高度較長時(shí)，工藝電壓曲線最高電壓值比較大。為解決可控硅耐壓問題，通常采用先獨(dú)立后串聯(lián)供電方案，如圖十一所示。例如：18對棒還原爐單相供電6對棒，首先K1電子開關(guān)導(dǎo)通，K2電子開關(guān)斷路，調(diào)壓器T2為上3對棒供電，調(diào)壓器T1為下3對棒供電。隨直徑長粗，供電電壓下降，再進(jìn)入串聯(lián)狀態(tài)，K2電子開關(guān)導(dǎo)通，K1電子開關(guān)斷路，調(diào)壓器T2、T3、T4為6對棒供電。
還原調(diào)壓器的調(diào)節(jié)器是自適應(yīng)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器參數(shù)隨負(fù)載電阻變化而自動(dòng)改變。具備全套的保護(hù)功能。并且有硅棒碰壁、裂棒檢測及主回路突然斷電再上電的處理功能。
四． 實(shí)際應(yīng)用效果
北京三義電力電子公司提供的多晶硅還原爐電氣系統(tǒng)由我公司提供設(shè)計(jì)參數(shù)、其它廠家生產(chǎn)的外圍設(shè)備（變壓器、高壓開關(guān)柜）和我公司設(shè)計(jì)并生產(chǎn)的核心設(shè)備組成。核心設(shè)備包括預(yù)熱調(diào)壓器、計(jì)算機(jī)操作管理系統(tǒng)、綜合信號(hào)柜和還原調(diào)壓器四部分。前三部分一套生產(chǎn)線僅需要1套，還原調(diào)壓器數(shù)量與爐子數(shù)量相對應(yīng)。北京三義電力電子公司自2005年第一套多晶硅還原爐電氣系統(tǒng)在洛陽中硅公司投入運(yùn)行以來，已經(jīng)制造了13套生產(chǎn)線的多晶硅還原爐電氣系統(tǒng)。其中4套已經(jīng)投入生產(chǎn)。實(shí)際運(yùn)行情況驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能和可靠性。
（轉(zhuǎn)載）
