多晶硅还原炉电气系统的设计和应用

多晶硅还原炉的电气设备改进及国产化一、序言随着近几年全球对可再生、清洁和安全能源的需求，推动了以多晶硅为产业基础的太阳能光伏发电产业的迅速发展，世界各国竟相建立多晶硅生产线，中国在这一轮新能源的产业开拓中也积极布局。

由于长期以来国外对中国在多晶硅生产技术方面的封锁，我国在相关技术装备制造、工艺技术突破及相关配套设备上存在着规模小、水平低、能耗大及可靠性差等缺点，这使得我国多晶硅生产线绝大部份均需要采购国外设备，设备采购以及设备维护的价格都非常昂贵，并且无法做到及时服务，影响整个产业的健康发展。

多晶硅还原炉加热控制系统是多晶硅生产的关键控制系统，关系到最终的产品质量及生产成本，英杰电气在多晶硅还原电气控制系统上进行了积极研发及实践，已有多套还原电源成功投运。

二、还原炉的特点及电源技术方案还原炉是还原系统的核心设备，内部硅棒串联形成负载，在整个还原过程中，存在以下特点：1、硅棒直径从Φ8增加到Φ150，电阻值从几十欧变为几十毫欧，在不考虑温度等其它因素影响的情况下，仅仅是直径的变化即导致负载电阻变化达400倍左右。

2、硅棒表面温度要维持1080℃，加热功率达100多千瓦～2000多千瓦；3、硅棒还原过程是一个连续长期的过程，运行时间达200多个小时，还原炉要求可靠性高，稳定性好。

因此，根据还原炉加热的工艺要求和以上3大特点，应用现代电力电子技术，实现对还原炉的加热电源设计应基于以下原则进行：1、由于硅棒电阻变化范围大，使得电压、电流变化范围宽，当采用晶闸管调压时，存在功率因数低及谐波电流大等问题，要从设计上考虑降低谐波、提高功率因数。

2、由于设备功率大，电能消耗非常大，在设计上要考虑较高的转换效率，提升设备节能水平。

3、由于设备长期大功率运行，设计上应保证高可靠性，提高产品平均无故障时间（MTBF）。

目前还原炉加热电源主要有3种控制方案：单层控制方案、叠层控制方案和直流控制方案。

1、单层控制方案这种控制方案是我国部份企业早期采用的传统控制方案，如图1，这种控制方式晶闸管触发角α在0-180°的范围内移相，当触发角α移相较大即深度调压时系统功率因数降低，并且存在较高的谐波，为了提高功率因数，减少谐 图1波，单层控制通常采用多抽头变压器或增加谐波治理和无功补偿装置，这样不仅增加了变压器制造难度，降低了可靠性，也会增加系统制造成本。

多晶硅还原系统及控制方法的改进摘要：改良西门子法是目前生产光伏级多晶硅的主流方法，随着国家提出“双碳”目标，光伏产业作为绿色能源的典型代表，对多晶硅的需求量迅速增加。

通过对作为核心设备之一的还原电源系统的改进，在提高多晶硅生产效率及产品质量的同时，降低了多晶硅还原炉供电系统的整体成本。

关键词：多晶硅、电源、启动、维持。

1引言多晶硅还原炉供电系统主要包括高压启动电源、功率电源，先采用高压启动电源依次对各硅芯进行高压击穿，再通过功率电源对硅芯进行持续加热。

传统还原电源系统中，由于高压启动电源只工作在对硅芯的打压击穿阶段，所配备的数量较少，单个还原炉需要生产的硅芯量多，对硅芯的打压击穿时间长。

申请号为201711405835.5，名称为《一种具备自启功能的多晶硅电源控制器实现方法》的专利，虽然对还原电源系统进行了改进，但仍存在高压启动回路不稳、高压启动击穿效率不高、主变压器输出电压较高使相关回路绝缘要求较高、自耦变压器高压易串入主变回路等诸多问题。

2改进型多晶硅还原炉供电系统的组成及控制本方案中供电系统包括主变压器、输出调节单元、启动击穿单元、功率调节单元，其中启动击穿单元至少包括两组。

图1：系统框图本文以6对棒供电系统电路原理图为例，硅芯分别用电阻R1～R6来示意，输出调节单元包括击穿切换开关K1～K3、维持切换开关K11～K15、功率开关QF1，功率调节单元A与单元B、启动击穿单元HV1和HV2的电气连接如下图所示。

图2：6对棒供电系统原理图当系统供电后，首先闭合K1，使硅芯R1、R2与两组启动击穿单元接通，并分别被HV1和HV2击穿；当硅芯R1、R2击穿后，当HV1和HV2的输出电压均不高于主变压器输出电压的50%时，断开K1，并闭合K11、K12，此时硅芯R1、R2由功率调节单元A维持加热。

在需对硅芯R3、R4击穿时，闭合K2，硅芯R3、R4分别被HV1和HV2输出的电压击穿，当硅芯R3、R4击穿后，当HV1和HV2的输出电压均不高于主变压器输出电压的50%时，断开K2，并闭合K11、K12、K13，此时硅芯R1、R2由功率调节单元A维持加热，硅芯R3、R4则由功率调节单元B维持加热。

电子科技大学硕士学位论文一种多晶硅还原炉自动调功器硬件系统设计与实现姓名：张康乐申请学位级别：硕士专业：检测技术与自动化装置指导教师：王厚军20090501ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｉｓｐａｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｅｄａｎｕｍｂｅｒｏｆｓｃａｌｉｎｇｔｅｓｔｓｆｏｒｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎｓｉｌｉｃｏｎｃｏｒｅ，ｗｈｏｓｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉｓｍａｓｔｅｒｅｄ，ａｌｌｄｔｈｅｎｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ０ｔｔｈｅｇｒｏ、衲ｏｆｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｓｉｌｉｃｏｎａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ．ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｃ伽ｂｉｎｉｎｇｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎａｎｄｔｈｅｉｒｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｎｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ’ｓｒｅｑｕｉｒｅｏｆｔｈｅｓｃｅｎｅｆｏｒｔｈｅｒｅｓｔｏｒｅｆｕｒｎａｃｅ．Ｉｔｄｅｓｉｇｎｅｄｔｈｅｈｅａｔ豇冯ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｒｅｓｔｏｒｅｆｕｒｎａｃｅｆｏｒｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ·Ｔｈｅｈｅａｔｉｎｇｉｎｔｅ殍．ａｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｒｅｓｔｏｒｅｆｕｒｎａｃｅｆｏｒｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎｉｎｃｌｕｄｅｐｒｅ－ｈｅ撕ｎｇｃｏｎ仃ｏｌｓｙｓｔｅｍａｎｄｈｅａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｐｏｗｅｒｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ·Ｈｅａｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎｃａｎｂｅｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｔｈｒｅｅｐｈａｓｅｓ：ｐｒｅ－ｈｅａｔｉｎｇ，ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｈｅａｔｉｎｇａｎｄｉｓｏｔｌｌ锄脚ｈｅａｔｉｎｇ．Ｔｈｅｒｏｌｅｏｆｐｒｅ．ｈｅａｔｉｎｇｓｔａｇｅｉｓｔｏｕｓｅｈｉｇｈ’ｐｒｅｓｓｕｒｅｂｒｅａｋｄｏｗｎ０ｔｓｉｌｉｃｏｎｒｏｄｓ舳ｎｔｉｎｕｏｕｓｈｅａｔｉｎｇｓｔａｇｅｉｓｔｈｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓｔａｇｅｂｏｔｈｐｒｅ—ｈｅａｔｉｎｇｓｔａｇｅａｎｄｉｓｏｔｈｅｎ：Ｉｌａｌｈｅａｔｉｎｇｓｔａｇｅ．ｔｈｅｒｏｌｅｏｆｉｔｉｓｅｎｈａｎｃｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｏｆｔｈｅｓｉｌｉｃｏｎｒｏｄｓａｎｄ丘ｌｒｎａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．ｔｈｅｒｏｌｅｏｆｉｓｏｔｈｅｒｍａｌｈｅａｔｉｎｇｓｔａｇｅｉｓｔｏｍａｉｎｔａｉｎｔｈｅｓｕｎａｃｅｔｅｒｎｐｅｒａｎ】ｒｅｏｆｓｉｌｉｃｏｎｒｏｄｓｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｂｅｓｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｆｏｒｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ·Ｔｌｌｅｈｅａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｐｏｗｅｒｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｉｓｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒｔｏｔｔｈｅｈｅａｔｉｎｇ缸ｅ灯ａｔｅｄｃｏｎｔｒ０１ｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｒｅｓｔｏｒｅｆｕｒｎａｃｅｆｏｒｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ．ａｎｄｔｈｅＤＳＰＡ－ｕｔｏｍａ乜ｃＰｏｗｅｒＲｅｇｕｌａｔｏｒｉｓｔｈｅｃｏｒｅｏｆｔｈｅｈｅａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｐｏｗｅｒｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ·Ｔｌｌｅｍ池ｍｒｏ（１ｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｈｅｓｉｓｉｓｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅＡｕｔｏｍａｔｉｃＰｏｗｅｒＲｅ娜ｌａｔｏｒｏｆｔｈｅｒｅｓｔｏｒｅｆｕｒｎａｃｅｆｏｒｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎａｎｄｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｔｏｂｅｓｏｌｖｅｄｍｄｅｓｌ鹳·Ｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃｃｏｎｔｅｎｔｉｎｃｌｕｄｅｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇ：１、ｔｈｅｐａｒｔｏｆａｎａｌｏｇｃｈａｎｎｅｌ２、ｔｈｅｐａｒｔｏｆｄｉｇｉｔａｌｃｈａｎｎｅｌ３、ｔｈｅｐａｒｔｏｆＤＳＰ／ＣＰＬＤ４、ｔｈｅｐａｒｔｏｆｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙＩＩｌｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅＤＳＰＡｕｔｏｍａｔｉｃＰｏｗｅｒＲｅｇｕｌａｔｏｒｄｅｓｉｇｎｅｄｉｓｔｅｓｔｅｄｓｕｅｃｅｓｓｆｕｌｌＹｉｎｍｅ１ａｂｏｒａｔｏ吼ｓｉｘｈａｖｅｂｅｅｎｓｕｂｍｉｔｔｅｄｔｏｕｓｅｉｎｔｈｅｊｏｂ。

一种多晶硅还原炉预加热系统的设计与实现的开题报告一、选题背景和研究意义多晶硅已经广泛应用于太阳能电池、半导体材料、光学玻璃等领域。

多晶硅生产的主要原料是二氧化硅，通过还原反应制得多晶硅。

多晶硅还原炉是多晶硅生产的关键设备之一，而预加热系统是多晶硅还原炉中的一个重要组成部分。

传统的多晶硅还原炉采用燃煤加热方式，煤气中的热能通过多晶硅还原炉前端的加热系统传递到多晶硅还原炉内部，从而使得多晶硅在还原炉内得到还原。

然而传统的多晶硅还原炉的加热过程存在很多问题，比如加热效率低，能耗高等。

因此，提高多晶硅还原炉的加热效率，降低能耗，成为了多晶硅生产厂家关注的问题。

预加热系统是多晶硅还原炉中最重要的组成部分之一，对多晶硅还原炉的加热效率起着至关重要的作用。

因此，研究和设计一种高效的多晶硅还原炉预加热系统成为了多晶硅生产中的必要研究方向。

二、研究内容和研究方法本项目研究的内容是一种多晶硅还原炉预加热系统的设计与实现。

该预加热系统具有加热效率高、能耗低等优点。

研究方法主要采用了实验研究和数值模拟的方法。

通过实验室热工试验，测试不同温度、流量等参数下的多晶硅还原炉预加热系统性能表现，并结合数值模拟分析预加热系统的各项性能指标。

三、预期目标和研究成果本项目的预期目标是设计和实现一种高效的多晶硅还原炉预加热系统，优化预加热系统的性能，并通过实验和数值模拟验证该预加热系统的可行性和可靠性。

该预加热系统能够有效提高多晶硅还原炉的加热效率，降低能耗，进而降低多晶硅生产成本，提高其市场竞争力。

本项目的主要研究成果包括：1.设计和实现一种高效的多晶硅还原炉预加热系统；2.掌握多晶硅还原炉预加热系统的性能表现及其对多晶硅还原炉加热效率的影响；3.通过实验和数值模拟，确认该预加热系统的可行性和可靠性；4.为多晶硅生产企业提供一种有效提高多晶硅生产效率、降低能耗的新技术。

多晶硅还原炉电气系统的设计和应用一．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。

72对棒多晶硅还原炉供电系统设计发表时间：2020-04-30T12:59:27.887Z 来源：《电力设备》2019年第24期作者：张书涛[导读] 摘要:本文通过设计了相关技术方案、并对主要构成部分进行核算，论述由一套还原炉供电系统为 72对棒多晶硅还原炉提供电源，该还原炉供电系统优越于现有技术，为大型还原炉提供了稳定可靠的电源，以满足后期公司改扩建项目中的相关要求。

(新特能源股份有限公司新疆 830011）摘要:本文通过设计了相关技术方案、并对主要构成部分进行核算，论述由一套还原炉供电系统为 72对棒多晶硅还原炉提供电源，该还原炉供电系统优越于现有技术，为大型还原炉提供了稳定可靠的电源，以满足后期公司改扩建项目中的相关要求。

关键词:改良西门子法、72对棒、多晶硅还原炉、供电系统 1 目前多晶硅还原炉供电系统的现状硅材料是半导体工业、电子信息产业和太阳能光伏电池产业中最重要功能性材料，多晶硅作为制备单晶硅的唯一原料和生产太阳能电池的材料，其需求量日益增大。

多晶硅生产企业为了降低能耗，对多晶硅还原炉的设计选型越来越大型化，由原来的3 ～ 12 对棒逐渐发展至36对棒及以上。

由于大型多晶硅还原炉对多晶硅生产的能耗、成本等因素都有较大的降幅，因此对于大型多晶硅还原炉研究工作的要求要更高。

目前针对大型还原炉如48对棒、66对棒还原炉国内采用的方式由两套供电系统为一台还原炉进行供电、或是采用长度较短、直径较粗的硅芯作为生产载体，这些解决方案均有较大的弊端。

2 现阶段48对棒、66对棒还原炉供电系统相关设计方案的缺点如果按照现有48对棒、66对棒还原炉供电系统的技术方式为72对棒还原炉设计相应的供电方案，就需要将两套36对棒还原炉供电系统组合同时对一台还原炉进行供电，该种还原炉供电方式有以下缺点： 1、一次性技改投资比较大，需要两台10000KV A容量的变压器，两套36对棒还原炉电源控制柜，4.8吨铜牌及300米高压电缆，合计投资金额908万。

专利名称：多晶硅还原系统及其应用
专利类型：发明专利
发明人：石何武,黄伟兵,郑红梅,张升学,严大洲申请号：CN201810153634.9
申请日：20180222
公开号：CN108314051A
公开日：
20180724
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了多晶硅还原系统及其应用。

其中，该多晶硅还原系统包括：还原炉、第一换热器、汽化器、混合器和第二换热器。

通过第一和第二换热器两个换热器及汽化器对还原炉产生的大量高温还原尾气进行能量递级利用，逐步将高温还原尾气的余热转移到多晶硅还原的原料上，满足生产需求，实现了能量的综合合理利用，降低了多晶硅还原系统的能耗。

申请人：中国恩菲工程技术有限公司
地址：100038 北京市海淀区复兴路12号
国籍：CN
代理机构：北京清亦华知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：宋合成
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多晶硅还原炉电源系统的一体化解决方案四川英杰电气有限公司摘要：多晶硅是生产环保新能源——太阳能光伏电池的最基础的材料。

本文首先概述了多晶硅生产工艺及其实现方法，然后着重描述了多晶硅还原炉电源系统的一体化解决方案以及针对用户的配套方案。

关键词：多晶硅还原炉；电源系统；多晶硅生产工艺；太阳能光伏电池；一体化解决方案中图分类号：文献标识码：文章编号：1 引言众所周知，硅材料是半导体工业，电子信息产业，太阳能光伏电池产业的最重要、最基础的功能性材料。

而在整个硅材料产业链中，多晶硅是最重要的一环，也是制约我国硅产业发展的主要瓶颈之一。

多晶硅作为制备单晶硅的唯一原料和生产太阳能电池的材料，随着近些年来全球单晶硅生产迅速增长和全球光伏发电的环保能源的旺盛需求，使得多晶硅市场异常火爆。

目前多晶硅生产技术主要有：改良西门子法、硅烷法和流化床法，从多晶硅生产的主要工艺技术的现状和发展趋势来看，改良西门子工艺能够兼容电子级和太阳能级多晶硅的生产，以其技术成熟、适合产业化生产等特点，仍是目前多晶硅生产普遍采用的首选工艺。

但该技术主要被美、日、德等国垄断，直到2000年左右才寻到机会，从俄罗斯引入，然后在有关研究院的努力下，形成了国内自有技术，攻克了多晶硅制造及产业化的基础性关键性问题，使得大规模生产成为可能。

随着多晶硅项目红红火火地展开，也就将配套设备的相关问题暴露了出来。

据有关专家分析，我国多晶硅在工业生产方面与国际先进水平的差距主要表现在四个方面：一是工艺、设备落后，导致物料与电力消耗过大；二是生产规模小；三是超高纯产品难以获得；四是成本没有竞争力。

这样一来大家都不得不注意到：方案及其设备的性能好坏直接影响着多晶硅生产的品质和成本，同时对于设备能否长期稳定、可靠运行以及设备后期维护的难度和效率也对生产影响深远。

所以选择一个好的方案，选择一套性价比高的设备，选择一个专业的、综合实力雄厚的、拥有自主知识产权的、能长期稳定运作的、服务响应快捷的、不受国际关系剧烈动荡影响的、可靠的公司成为了当前国内众多企业的首选。