多晶硅還原爐電氣系統(tǒng)除了調(diào)壓器以外還有一套計算機管理、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)備的故障進行畫面提示和記錄。
　　3． 對管轄的所有還原爐電氣設(shè)備進行畫面操作。
　　該系統(tǒng)采用雙冗余計算機和光纖通信，可靠性高、抗干擾能力強。
　　目前，國際上對中國實行還原爐電氣系統(tǒng)的技術(shù)封鎖，同類進口產(chǎn)品只是國際九十年代初的水平。要想設(shè)計出適應(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
　　目前比較流行的預(yù)熱方式是直接采用高壓調(diào)壓電源進行預(yù)熱，而不是用高溫等離子體或放置鹵鎢燈等方式。因為在掌握了電極絕緣技術(shù)的情況下，高壓調(diào)壓電源進行預(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的缺點是真空接觸器體積較大，維護多、切換時間較長。優(yōu)點是不考慮環(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，無換檔時間。但是圖三中存在不同檔的兩個可控硅開通形成變壓器原邊兩個抽頭短路的環(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，其他檔可控硅處于脈沖封鎖狀態(tài)，絕不會產(chǎn)生環(huán)流。實際上環(huán)流是兩個原因造成的：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，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，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是把1000℃的硅棒和常溫的硅棒串聯(lián)再加熱時，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)波動容易出現(xiàn)裂棒甚至倒棒。
　　多電源方案不會出現(xiàn)溫度波動問題。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臺爐進行預(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。可以對任何一個爐進行硅芯調(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
　　多晶硅50Hz交流的集膚深度大約26mm，直徑較粗時，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，硅棒機械強度變差甚至出現(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。
　　用真空斷路器進行抽頭切換，可控硅交流調(diào)壓器在相鄰兩抽頭間進行小范圍調(diào)壓。缺點是硅棒電流較大時，真空斷路器價格高體積大。另外斷路器切換時間和維護都不如可控硅電子開關(guān)。無斷路器結(jié)構(gòu)，4個可控硅調(diào)壓器任何時候僅有1個可控硅調(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抽頭上安裝就地?zé)o功功率補償和諧波治理裝置。使功率因數(shù)大于0.9，注入10kV電網(wǎng)的諧波達到國家標準GB/14549?93。圖十中存在不同檔的兩個可控硅開通形成變壓器副邊兩個抽頭短路的環(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，其它檔可控硅處于脈沖封鎖狀態(tài)，保證絕不會產(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償和諧波治理裝置，選用高功率因數(shù)調(diào)壓方式實現(xiàn)功率因數(shù)大于0.9，注入10kV電網(wǎng)的諧波達到國家標準。該方式的調(diào)壓器主回路電路圖相同，4個可控硅調(diào)壓器任何時候有2個可控硅調(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)生電流負極性小正弦波，最后Q2導(dǎo)通產(chǎn)生電流負極性大正弦波。注意：假設(shè)兩個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，或者硅棒高度較長時，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)隨負載電阻變化而自動改變。具備全套的保護功能。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、計算機操作管理系統(tǒng)、綜合信號柜和還原調(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行以來，已經(jīng)制造了13套生