多晶硅还原炉电气系统研制及其实际应用———多晶硅还原炉电气系

　
  一． 综述
　　多晶硅还原炉电气系统的主要设备是大功率调压器。调压器所带负载是多晶硅棒串联而成的纯电阻负载。调压器的作用实际上是对负载电阻进行电加热，并且保持硅棒表面温度恒定（一般1080℃）。硅棒串联而成的电阻是一个变化的电阻：第一，硅棒温度从常温上升到1000℃，Φ8直径硅芯电阻从几百kΩ下降到几十Ω；第二，保持硅棒表面温度1080℃，硅棒直径从Φ8增加到Φ150，硅棒电阻从几十Ω下降到几十mΩ。可见硅棒电阻大范围变动引起调压器输出电压和电流的调节范围大是这种调压器的设计特点。按照实际工作的性质，调压器分为硅棒温度从常温加热到1000℃的预热调压器和硅棒直径从Φ8增加到最终直径并且始终保持硅棒表面温度1080℃的还原调压器。
　　预热调压器工作过程中硅棒温度从常温加热到1000℃，其主要困难是硅棒初始电阻R太大，加热功率正比于V2/R，电阻大必然要求供电电压高（甚至需十几kV），一般应尽可能降低电阻R。常用方法有提高炉壁冷却液的温度，加粗硅芯直径，对硅芯参杂，炉内注入高温等离子体或放置卤钨灯等等。预热调压器工作时间十几分钟，功率30－200kVA。
　　还原调压器输出功率用于加热硅棒，硅棒再通过辐射、传导和对流方式将功率传递给还原炉内的反应气体和炉壁的冷却液。随硅棒直径增长，反应气体流量加大，炉内的反应气体和炉壁的冷却液带走的热量增加，调压器输出功率越来越大。工艺对还原炉提出的技术要求如图一所示。还原调压器设计必须满足工艺上随直径Φ变化，电压V、电流I和功率P的供电要求。同时，重点考虑高电压的电气结构问题、大电流的电气结构问题、负载电阻变化引起的调节器参数设计问题、调压范围大引起的功率因数低和谐波问题、结构上的环流问题、硅棒碰壁、裂棒检测及断电再上电等辅助功能问题。
  
　　多晶硅还原炉电气系统除了调压器以外还有一套计算机管理、操作系统。它的主要功能是：
　　1． 对管辖的所有还原炉电气设备（调压器、变压器、开关柜）进行数字通信。
　　2． 对管辖的所有还原炉电气设备的电气数据进行画面显示和曲线记录，并且对所有还原炉电气设备的故障进行画面提示和记录。
　　3． 对管辖的所有还原炉电气设备进行画面操作。
　　该系统采用双冗余计算机和光纤通信，可靠性高、抗干扰能力强。
　　目前，国际上对中国实行还原炉电气系统的技术封锁，同类进口产品只是国际九十年代初的水平。要想设计出适应我国还原炉内硅棒不断增多、直径不断长粗、气体压力不断增高的还原炉电气系统，仍然需要依靠中国电气同行的共同努力。
　　
  二． 预热调压器的设计
　　目前比较流行的预热方式是直接采用高压调压电源进行预热，而不是用高温等离子体或放置卤钨灯等方式。因为在掌握了电极绝缘技术的情况下，高压调压电源进行预热，工艺优势比较大。
  
　　预热调压器方案1，380V交流电压经过交流调压器调压后连接到升压变压器原边。变压器副边1档额定输出V1（例如12kV）、2档额定输出V2（例如6kV）、3档额定输出V3（例如3kV）。K1真空接触器吸合，调压输出范围V1－V2；K2真空接触器吸合，调压输出范围V2－V3；K3真空接触器吸合，调压输出范围V3－1000℃硅棒电压。方案1的缺点是真空接触器体积较大，维护多、切换时间较长。优点是不考虑环流问题。
  
　　预热调压器方案2，380V交流电压经过交流调压器Q1调压后连接到升压变压器原边1档，变压器副边额定输出电压V1（例如12kV），调压输出范围V1－V2。380V交流电压经过交流调压器Q2调压后连接到升压变压器原边2档，变压器副边额定输出电压V2（例如6kV），调压输出范围V2－V3。380V交流电压经过交流调压器Q3调压后连接到升压变压器原边3档，变压器副边额定输出电压V3（例如3kV），调压输出范围V3－1000℃硅棒电压。方案2不是真空接触器换档而是可控硅换档，无换档时间。但是图三中存在不同档的两个可控硅开通形成变压器原边两个抽头短路的环流可能性。因此，方案2的核心技术是确保任何一档可控硅工作时，其他档可控硅处于脉冲封锁状态，绝不会产生环流。实际上环流是两个原因造成的：一是应该关断的可控硅在干扰情况下误触发导通；二是应该关断的可控硅承受很大的dv/dt而导通。因此，主回路应该通过阻容吸收电路抑制可控硅两端的电压尖峰和dv/dt，控制回路应该采取抗干扰措施。
　　根据经验，预热调压器最高输出电压：硅棒长度×700V/米（炉壁冷却液温度240℃）；硅棒长度×1500V/米（炉壁冷却液温度130℃）。当预热调压器最高输出电压超过炉底电极绝缘电压时，可以采用短对方案，也可以采用多电源方案。
         短对方案中K1和K2真空接触器先吸合，预热调压器为一对棒加热到1000℃。然后K1真空接触器吸合、K2断开，预热调压器为1000℃的一对棒和常温的一对棒串联加热，使两对棒都加热到1000℃。最后K1、K2都断开，预热调压器为1000℃的两对棒和常温的一对棒串联加热，使三对棒都加热到1000℃。短对方案的主要缺点是把1000℃的硅棒和常温的硅棒串联再加热时，由于常温硅棒电阻很大，10000C的硅棒没有获取功率而温度下降，硅棒温度反复波动容易出现裂棒甚至倒棒。
　　多电源方案不会出现温度波动问题。对应预热调压器1的一对硅棒先到1000℃，由于它对炉内温度的加热，使对应预热调压器2的两对硅棒的最高每米电压值降低，预热调压器2可以加热两对硅棒到1000℃。两个预热调压电源相位互差120°，三根预热母线中任意两根线的电压不超过预热调压器最高输出电压。
　　为了简化设备，一般选用1套预热调压器对N台炉进行预加热。9对棒还原炉预加热系统原理，K1真空断路器断开，防止高压加入A相还原调压器。K2吸合，对1#炉A相3对棒预热。预热结束，K2断开，K1吸合，A相3对棒开始由A相还原调压器供电。同样，K3真空断路器断开，防止高压加入B相还原调压器。K4吸合，对1#炉B相3对棒预热。预热结束，K4断开，K2吸合，B相3对棒开始由B相还原调压器供电。以次类推，每次预热3对棒，每炉预热3次。可以对任何一个炉进行硅芯调压预热。所有真空接触器和真空断路器的逻辑控制由PLC操作。
　　
  三． 还原调压器设计
　　多晶硅50Hz交流的集肤深度大约26mm，直径较粗时，直流导电面积是圆的面积，50Hz交流的导电面积是圆环的面积。还原调压器可以采用直流调压方式。但是，在工艺上，由于硅棒中心导电，中心温度要高于硅棒表面温度，硅棒机械强度变差甚至出现溶心现象。在供电上，直流硅棒电阻小，对同样功率属于低压大电流供电方式，所以一般采用交流调压方式。
　　由工艺决定的硅棒调压范围大约10：1，为了提高功率因数，降低谐波，通常采用副边多抽头的还原变压器，即调压器调压与抽头切换相结合的交流调压方式。
　　用真空断路器进行抽头切换，可控硅交流调压器在相邻两抽头间进行小范围调压。缺点是硅棒电流较大时，真空断路器价格高体积大。另外断路器切换时间和维护都不如可控硅电子开关。无断路器结构，4个可控硅调压器任何时候仅有1个可控硅调压器在工作。变压器原边绕组的电压、电流波形如图九所示，电流波形由0线和正弦波组成。显然，电流滞后于电压，功率因数低；电流畸变，存在高次谐波。因此，在变压器副边的一个抽头上安装就地无功功率补偿和谐波治理装置。使功率因数大于0.9，注入10kV电网的谐波达到国家标准GB/14549?93。图十中存在不同档的两个可控硅开通形成变压器副边两个抽头短路的环流可能性。因此，其核心技术是确保任何一档可控硅工作时，其它档可控硅处于脉冲封锁状态，保证绝不会产生环流。
  
　　在电压/电流工艺曲线固定的情况下，可以不用无功功率补偿和谐波治理装置，选用高功率因数调压方式实现功率因数大于0.9，注入10kV电网的谐波达到国家标准。该方式的调压器主回路电路图相同，4个可控硅调压器任何时候有2个可控硅调压器在工作。变压器原边绕组的电压、电流波形如图十所示，电流波形由小正弦波和大正弦波组成。例如：先Q3导通产生电流正极性小正弦波，再Q1导通产生电流正极性大正弦波，再Q4导通产生电流负极性小正弦波，最后Q2导通产生电流负极性大正弦波。注意：假设两个相邻的抽头电压分别为1000V和707V，硅棒电流波形大正弦波与小正弦波的峰值比例是1.414。但是变压器原边绕组的电流波形大正弦波与小正弦波的峰值比例则为2。可以证明，两个相邻的抽头电压接近到一定程度，可以解决功率因数和谐波的问题。
　　当单相供电的硅棒串联对数较多时，或者硅棒高度较长时，工艺电压曲线最高电压值比较大。为解决可控硅耐压问题，通常采用先独立后串联供电方案，如图十一所示。例如：18对棒还原炉单相供电6对棒，首先K1电子开关导通，K2电子开关断路，调压器T2为上3对棒供电，调压器T1为下3对棒供电。随直径长粗，供电电压下降，再进入串联状态，K2电子开关导通，K1电子开关断路，调压器T2、T3、T4为6对棒供电。
　　还原调压器的调节器是自适应调节器，调节器参数随负载电阻变化而自动改变。具备全套的保护功能。并且有硅棒碰壁、裂棒检测及主回路突然断电再上电的处理功能。
　　
  四． 实际应用效果
　　北京三义电力电子公司提供的多晶硅还原炉电气系统由我公司提供设计参数、其它厂家生产的外围设备（变压器、高压开关柜）和我公司设计并生产的核心设备组成。核心设备包括预热调压器、计算机操作管理系统、综合信号柜和还原调压器四部分。前三部分一套生产线仅需要1套，还原调压器数量与炉子数量相对应。北京三义电力电子公司自2005年第一套多晶硅还原炉电气系统在洛阳中硅公司投入运行以来，已经制造了13套生产线的多晶硅还原炉电气系统。其中4套已经投入生产。实际运行情况验证了系统的性能和可靠性。