一． 綜述

　　多晶硅還原爐電氣系統的主要設備是大功率調壓器。調壓器所帶負載是多晶硅棒串聯而成的純電阻負載。調壓器的作用實際上是對負載電阻進行電加熱，并且保持硅棒表面溫度恒定（一般1080℃）。硅棒串聯而成的電阻是一個變化的電阻：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引起調壓器輸出電壓和電流的調節范圍大是這種調壓器的設計特點。按照實際工作的性質，調壓器分為硅棒溫度從常溫加熱到1000℃的預熱調壓器和硅棒直徑從Φ8增加到最終直徑并且始終保持硅棒表面溫度1080℃的還原調壓器。

　　預熱調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，爐內注入高溫等離子體或放置鹵鎢燈等等。預熱調壓器工作時間十幾分鐘，功率30－200kVA。

　　還原調壓器輸出功率用于加熱硅棒，硅棒再通過輻射、傳導和對流方式將功率傳遞給還原爐內的反應氣體和爐壁的冷卻液。隨硅棒直徑增長，反應氣體流量加大，爐內的反應氣體和爐壁的冷卻液帶走的熱量增加，調壓器輸出功率越來越大。工藝對還原爐提出的技術要求如圖一所示。還原調壓器設計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，重點考慮高電壓的電氣結構問題、大電流的電氣結構問題、負載電阻變化引起的調節器參數設計問題、調壓范圍大引起的功率因數低和諧波問題、結構上的環流問題、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除了調壓器以外還有一套計算機管理、操作系統。它的主要功能是：

　　1． 對管轄的所有還原爐電氣設備（調壓器、變壓器、開關柜）進行數字通信。
　　2． 對管轄的所有還原爐電氣設備的電氣數據進行畫面顯示和曲線記錄，并且對所有還原爐電氣設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備進行畫面操作。

　　該系統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的技術封鎖，同類進口產品只是國際九十年代初的水平。要想設計出適應我國還原爐內硅棒不斷增多、直徑不斷長粗、氣體壓力不斷增高的還原爐電氣系統，仍然需要依靠中國電氣同行的共同努力。

　　二． 預熱調壓器的設計

　　目前比較流行的預熱方式是直接采用高壓調壓電源進行預熱，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的情況下，高壓調壓電源進行預熱，工藝優勢比較大。

　　預熱調壓器方案1，380V交流電壓經過交流調壓器調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，調壓輸出范圍V1－V2；K2真空接觸器吸合，調壓輸出范圍V2－V3；K3真空接觸器吸合，調壓輸出范圍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。優點是不考慮環流問題。

　　預熱調壓器方案2，380V交流電壓經過交流調壓器Q1調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），調壓輸出范圍V1－V2。380V交流電壓經過交流調壓器Q2調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），調壓輸出范圍V2－V3。380V交流電壓經過交流調壓器Q3調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流可能性。因此，方案2的核心技術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，絕不會產生環流。實際上環流是兩個原因造成的：一是應該關斷的可控硅在干擾情況下誤觸發導通；二是應該關斷的可控硅承受很大的dv/dt而導通。因此，主回路應該通過阻容吸收電路抑制可控硅兩端的電壓尖峰和dv/dt，控制回路應該采取抗干擾措施。
　　
　　根據經驗，預熱調壓器最高輸出電壓：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℃）。當預熱調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。

　　[$page]　　短對方案中K1和K2真空接觸器先吸合，預熱調壓器為一對棒加熱到1000℃。然后K1真空接觸器吸合、K2斷開，預熱調壓器為1000℃的一對棒和常溫的一對棒串聯加熱，使兩對棒都加熱到1000℃。最后K1、K2都斷開，預熱調壓器為1000℃的兩對棒和常溫的一對棒串聯加熱，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，硅棒溫度反復波動容易出現裂棒甚至倒棒。
　　
　　多電源方案不會出現溫度波動問題。對應預熱調壓器1的一對硅棒先到1000℃，由于它對爐內溫度的加熱，使對應預熱調壓器2的兩對硅棒的最高每米電壓值降低，預熱調壓器2可以加熱兩對硅棒到1000℃。兩個預熱調壓電源相位互差120°，三根預熱母線中任意兩根線的電壓不超過預熱調壓器最高輸出電壓。
　　
　　為了簡化設備，一般選用1套預熱調壓器對N臺爐進行預加熱。9對棒還原爐預加熱系統原理，K1真空斷路器斷開，防止高壓加入A相還原調壓器。K2吸合，對1#爐A相3對棒預熱。預熱結束，K2斷開，K1吸合，A相3對棒開始由A相還原調壓器供電。同樣，K3真空斷路器斷開，防止