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多晶硅还原炉的电器设备


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第24 卷Vo l. 24 总第95 期

多晶硅还原炉的电器设备
李世振

东方电气自动控制工程有限公司,四川 德阳 618000

要 : 目前,国际上多晶硅的生产,工艺大多采用改良西门子法,其关键设备为还原炉 。本文介绍了国内常用的 12 对多

r />
晶硅棒还原炉之国产主要电器设备,并根据多晶硅生产的流程和工艺,说明选择这些电器设备参数的原则和依据,着重介绍了 生产电子级多晶硅用的高压启动方式,以及可控硅调功器“拼波”的原理。
关键词 :多晶硅; 还原炉; 电器设备

中图分类号: TM42

文献标识码: A

文章编号: 1001-9006 (2010 ) 03-0062-07

Electrical Equipments Of Polysilicon Reduction Furnace
LI Shi-zhen
( Dongfang Electrical Autocontrol Engineering Co., Ltd., 618000, Deyang, Sichuan, China )

Abstract:Currently, modified Siemens process and reduction furnace are extensively used in polysilicon production worldwide. In this paper, a domestic electrical system is described which can hold 12 polysilicon rods and is very common in China. Next, principle of parameters of electrical equipments is discussed based on the polysilicon production processes and techniques. It is represented in details that start mode with high-volt for the production of electronic grade polysilicon. And a stepless voltage regulation technique is considered as well which is based on the theory of Voltage Sequence Control(VSC). Key words: polysilicon production; reduction furnace; electrical equipments

伴随着全球节约能源 、减排二氧化碳的潮流, 近年来,我国多晶硅生产方兴未艾。 多晶硅是制造光 / 伏发电的太阳能电池片的基 础材料 。 同时,以电子级多晶硅为原料生产的单 晶硅是电子信息产业的基础材料,是生产大规模 集成电路 、 半导体分离元件 、 电力电子器件的原 材料。 1 多晶硅生产概述 1.1 三氯氢硅氢还原法 目前国际上多晶硅生产工艺有 70%以上采用 改良西门子法[1]。 所谓西门子法,也被称作三氯氢硅氢还原法, 是一种在还原炉内通过发生化学反应来生成多晶

硅的方法。该生产方法的原料是三氯氢硅和氢气。 在温度为 1 050 ̄1 150℃ 时,三氯氢硅与氢气 在还原炉内主要发生下列反应[2]: SiHCI3 + H2 =Si + 3HCI 这是一种氢还原反应。 1.2 还原炉生产多晶硅 近年来,国内大规模多晶硅生产,还原设备 多采用 12 对棒的还原炉。 12 对棒还原炉将炉内硅芯(硅棒)分为 3 个区域: 内环、外环 1、外环 2。每个区域都有 4 对多晶硅 棒。 正在还原炉内生长的多晶硅硅棒照片示于图 1。

收稿日期:2010- 2- 10 作者简介:李世振(1947-),男,高级工程师。1968 年至 2007 年在东方电机厂从事水轮机调速器调试、发电机励磁系统设计工作, 2007 年至 今在东方自控从事多晶硅项目的还原电器技术工作。

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高压开关柜 1 在 10 kV 变电站内, 主变压器将高压电网 220 kV

(或 110 kV ) 的电压降至 10 kV。 10 kV 电压被送至 10 kV 配电所内各高压开关 柜。 还原炉整流变压器高压开关柜 1 的功用是, 按 要求接通或切断供给整流变压器的 10 kV 电源; 在 整流变压器或其供电回路发生短路情况下, 柜内真 空断路器迅速切断 10 kV 电源。 高压开关柜内装设以下主要器件和保护装置。 3.1
图1 三氯氢硅氢还原法(西门子法)生产多晶硅

真空断路器 高压开关柜内的核心器件是真空断路器。 真空断路器是指触头在真空中断开电路 、 并利

多晶硅生产过程中, 要通过还原炉底盘的电极, ——硅芯 (硅棒 ) 通以电流加热, 对炉内的阻性负载— 以使硅芯 (硅棒 ) 温度升高并保持至理想的还原温 度。 在一定的温度下, 源源不断送入还原炉内、 并被 加热的原料— ——按一定比例组成的三氯氢硅和氢气 ——发生还原反应,从三氯氢硅还原析出 的混合物— 的硅沉积在硅芯表面上,使硅芯逐渐增粗而长成成 品硅棒。 一般情况下, 高度为 2.5 ̄2.8m、 直径为 10 ̄12 mm 圆 截面 (或 10×10 mm 方截面 ) 的细长硅芯, 经 6 ̄8 天 后, 可长成直径为 140 ̄165 mm 左右的成品硅棒。 2 还原炉的主要电器设备 生产多晶硅的还原炉,其主要电器设备包括: 高压开关柜、 整流变压器、 中压调功器、 预加热装置 或高压启动系统, 以及与上述设备有关的低压开关 柜以及辅助电器等。 多晶硅还原炉的供电流程示于图 2。 4

用真空原理来灭弧的断路器。 真空断路器参数选择的原则是, 额定电流应为 整流变压器一次侧额定线电流的若干倍。 为便于维护和检修, 真空断路器采用手车式。 3.2 整流变压器微机保护装置 微机保护装置可对还原炉整流变压器进行两 种过电流保护。 Ⅰ段过电流保护—— —高压侧瞬时电流速断保护 当整流变压器高压侧过电流达到某一设定倍 数 K1 时, 立即 (延时时间 t1=0 ) 跳真空断路器, 以切 断 10 kV 电源, 保护整流变压器。 Ⅱ段过电流保护—— —高压侧过电流定时限保护 当整流变压器高压侧过电流达到某一设定倍 (K2 <K1 ) , 延时 (延时时间 t2≠0 ) 跳真空断 数 K2 时 路器, 以切断 10 kV 电源。 微机保护装置应设有通讯口。 高压开关柜 2 高压开关柜 2 安设在每台还原炉整流变压器 附近, 既便于整流变压器和中压调功器的试验和调 试, 又便于还原炉开炉和停炉时的操作。该柜的型 号规格可与高压开关柜 1 相同。 不过,两者微机过电流保护装置的设定值不 同: 高压开关柜 1 作为 2 的后备保护。

图2

还原炉供电框图

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5 单相半波可控整流 5.1 单相半波可控整流 设: 单相正弦输入电压瞬时值为 Ui。 ui= 姨 2 uisin ωt 式中: ——单相正弦输入电压的有效值, V; Ui— ——单相正弦输入电压的角频率, rad/s。 ω— 正弦电压 ui 被一个二极管整流后, 得到的是半 个正弦波 (0 ̄π 或 π ̄2π ) 电压。 而单相正弦电压 ui 被一个晶闸管(可控硅 ) 整流, 得到的是被斩波后具有缺块的正弦波电压 ud, 如图 3 所示。 图中, 在每个周期 0  ̄ 2π 中, 晶闸管在正向阳 极电压作用下, 不导通的范围, 称为控制角 (或移相 晶闸管导通的范围 (阴影线部分) , 角) , 以 α 表示;
%

然后在一周 (0  ̄ 2π ) 内的平均值, 即 积分 uo、
π π

1 1 U d= uo= 2π 2π (1 ) sin ωtdωt=0.45Ui

α



1 ud dωt= 2π

α



姨 2 Ui uidωt = 2π

%

π

α



1+cosα 1+cosα =U d 0 2 2

(3 )

式中: —控制角 α=0 时输出的最大直流 U d0—— 平均电压, V。 Ud0=0.45Ui (4 )

被斩波后具有缺 式 (3 ) 显示, 在 0 ̄2π 周期中, 块的正弦波电压 U(图 3 中阴影线的部分) 面积与 0 矩形 0b mn 面积相等; 而矩形的高度 (0b 或 nm ) 即 为输出直流平均电压 Ud。 6 6.1 缺块正弦波电压 缺块正弦波电压的傅里叶级数分解 图 3 中, 0 ̄2π 周期内,单相输入电压 ui 是正弦 波电压。 当控制角为 α 时, 经晶闸管整流后输出的具有 缺块的电压 Uo 虽非正弦波电压,但却是一个周期函 数。 利用傅里叶级数可以对非正弦的周期函数 Uo 进行分解, 分解后的 Uo 由直流分量、 基波分量、 高次 谐波分量三部分组成。

图3

单相半波可控整流曲线

直流分量, 就是输出直流平均电压 Ud, 其数值 即式 (3 ) 表达式: Ud=0.45Ui 1+cosα 2 (5 )

称为导通角, 以 β 表示。 在每个周期内, 改变施加于晶闸管的触发脉冲 出现的迟早, 即改变控制角 α 的大小, 称为移相。 5.2 单相半波可控整流输出电压 uo 在负载为电阻 — ——例如为硅芯(硅棒)—— —的情 况下, 正弦输入电压 ui 在 α  ̄ π 期间的输出电压 uo (图 3 中阴影线部分 ) , 为整流输出电压瞬时值 ud 在 半周 (0  ̄ π ) 内的积分, 即
π π d π %

基波分量的角频率为 ω,与晶闸管输入电压的 角频率相等。 二次谐波的角频率为 2ω, …… n 次谐波的角频 率为 nω。 高次谐波的分量,幅值随角频率的增加而迅速 减小。 6.2 缺块正弦波电压对硅芯 (硅棒 ) 的危害 缺块正弦波电压对硅芯 (硅棒) 的危害主要是, 对硅芯 (硅棒 ) 形成电冲击。 图 3 中阴影部分的缺块正弦波电压 uo,若施加 于硅芯 (硅棒 ) , 则每个周期都会对硅芯 (硅棒) 形成 一次电冲击。 反复多次的电冲击, 容易造成硅芯 (硅棒 ) 的脆裂。

uo=

α

乙u

dωt=

α

乙uidωt = 姨 2 U 乙sin ωtdωt (2)
i

α

显然 , 通过改 变控 制 角 α 的 大 小 , 即 可 调 节 晶 闸管整流输出的直流电压 Uo 之大小 。

5.3

单相半波可控整流输出直流平均电压 Ud 在负载为电阻情况下, 晶闸管的输出直流平均

电压 Ud, 等于输出瞬时电压 Ud 在半周 (0  ̄ π ) 内的

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拼波技术— ——晶闸管无级调压 既要控制单相半波可控整流的输出, 又要克服

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中压调功器 还原炉在运行中, 要对硅芯 (硅棒) 进行适时控

缺块波形的危害, 可采用拼波技术。 两个具有相同角频率和相位的不同输入电压, 被 不同的晶闸管整流后,将产生两个大小不同的缺块正 弦波电压。 所谓拼波, 就是将这两个缺块电压拼接成一 个新的接近于正弦波形的电压,以达到所要求的输出 电压, 如图 4 中 0  ̄ 2π 周期内的阴影线区域。 晶闸管无级调压时, 输出至硅棒上的拼波电压 波形, 即如图 4 中阴影线部分所示。

制, 以确保炉内硅芯 (硅棒 ) 的温度在 1 050 ̄1 150℃ 区间内— ——1 080℃ 最佳 —— —这就是中压调功器的 功用。 充斥于还原炉内的原料 (按一定比例混合后的 三氯氢硅和氢气) , 其温度并没有硅芯 (硅棒) 这么 主要氢还原反应发生在硅芯 (硅棒) 的表 高。所以, 面。 8.1 中压调功器的主要组成 中压调功器主要由可编程控制器 PLC、调功板 DSP 和晶闸管整流器等组成。 8.2 影响硅芯 (硅棒 ) 温度的因素 还原炉运行过程中, 影响硅芯 (硅棒) 温度的因 素很多, 主要有以下几点。

图4

拼波示意图

——原料的输入使温度降低 — 源源不断从炉底进气管输入的、按一定比例混 合的三氯氢硅和氢气混合物, 将使硅芯 (硅棒) 和炉 内已有的原料温度降低。 — (硅棒 ) 电阻的变化 ——硅芯 随着还原炉运行时间的增加, 硅芯 (硅棒 ) 直径增 粗, 硅芯 (硅棒 ) 的电阻减小, 导致其中流过的电流变 化, 从而使硅芯 (硅棒 ) 和炉内已有的原料温度变化。 — ——其它因素 还原炉炉筒、 炉底盘、 电极拥有各自的循环冷却 水系统。 水系统温度、 压力、 流量的变化, 将导致炉温的

图中, 0 ̄ t1 时间段, 拼波电压取的是电压 1; t1 ̄ 拼波电压取的是电压 2。 π 时间段, 从图中可看出, 在缺块电压 1 和缺块电压 2 拼 波的时刻 t1,输出电压 Ud 有一跳变。但相对于图 3 中单单使用缺块电压 U0 进行调压 (控制角 α ) , 谐波 量和电冲击可大为减小。 在 0  ̄ 2π 周期中, 用式 (3 ) 可求出输入电压 1、 2 的输出直流平均电压 ud1、 ud2。 故拼波后的输出电压 ud 为: ud=ud1+ud2
t1 π

1 = 2π
%

0



1 ud1 dωt+ 2π
t1

t1

乙u

d2

dωt
% π

(6 )

变化。 中压调功器需克服以上可变因素的影响,自动 控制硅芯 (硅棒 ) 温度在所要求的范围内。 8.3 自动控制系统方框图 生产多晶硅的还原炉,理想的电气控制系统方 框图示于图 5。

姨 2 Ui 1 = 2π

0



姨 2 Ui 2 sin ωtdωt + 2π

t1

乙sin ωtdωt

从理论上来说,只要选择不同的 t1 点拼波, 就 可获得晶闸管调压范围内的任一电压输出。 无级调压可使整流输出电压在所要求的调压范 围内连续地变化, 并使多晶硅生产供电系统的功率 因数明显高于传统的移相方式。 在还原炉调功系统中, 提供给晶闸管不同输入 电压的是整流变压器副边绕组的不同抽头。

图5

理想的多晶硅还原炉控制框图

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控制系统的理想反馈量是硅芯 (硅棒 ) 的实际温 度 T, 但由于工程上不易实现,改由间接反映温度 的其它物理量与计算机集散控制系统 DCS 设定的 相同物理量作比较。 设定值可以在主控室远方给定, 亦可在中压调 功器的触摸屏上就地整定。 8.4 整流方式的特点 通过中压调功器的晶闸管整流柜整流后 、 经炉 底电极施加于 12 对硅芯 (硅棒) 的电流, 有如下特 点。 ——硅芯 — (硅棒 ) 流过的是拼波电流 这一方面是为了降低缺块正弦波电压对硅芯 (硅棒 ) 的危害; 另一方面也是为了降低谐波的影响, 提高供电回路的功率因数。 —— —硅芯 (硅棒 ) 流过的是交流电流 这就是说: 对每个整流元件而言, 晶闸管上流过的是单方 向电流, 最大值为半波整流。 对每根硅芯 (硅棒 ) 而言, 正半波流过的是一组晶 闸管整流后的拼波电流,负半波流过的是另一组晶闸 管整流后的拼波电流, 如图 6 阴影线区域所示。 9.3 9.2

— (170 ̄175 ——生 产 中 硅 棒 直 径 达 到 最 大 值 mm ) 的电压、 电流要求; —调功器采用 —— “拼波” 的要求; —还原炉启动过程完成后,硅芯切换为整流 —— 变压器供电瞬间的过渡过程要求。 变压器二次绕组的形式、各抽头电压和电流参 数的确定, 同样与上述因素有关。 二次绕组的抽头, 为调功器提供拼波电源, 故必 须考虑谐波对二次绕组的影响。 整流变压器的型式— ——环氧浇注干式变压器 考虑到多晶硅生产原料—— —三氯氢硅和氢气都 属于易燃易爆的危险品, 从防火角度考虑, 不宜采用 油浸式变压器;而应使用具有良好阻燃性的干式变 压器, 同时亦易于维护。 多晶硅生产厂内, 存在有毒、 有害、 腐蚀气体, 以 采用环氧浇注变压器为宜。 整流变压器采用环氧浇注干式变压器,绕组的 防潮性能也得以提高。 变压器温度控制器 装于整流变压器外罩的干式变压器温度控制 器, 设有通讯口。温控器有如下功能。 — ——显示各相绕组温度 温度控制器的液晶屏,依次显示变压器各相绕 组的温度, 且可传送至 DCS 控制室。 ——控制和报警 — 运行中的整流变压器, 任一相绕组温度: 达到 100 ℃时,温控器自动启动设在绕组底部 的风机, 给绕组降温; 达到 130 ℃时, 温控器发出报警信号;

图6

硅芯 ( 硅棒 ) 实际流过的拼波电流

达到 150 ℃时,温控器发出整流变压器高压开 关柜跳闸信号。 10 硅芯的击穿 还原炉内以三氯氢硅氢还原法生产多晶硅, 硅 芯 (硅棒 ) 有两个作用。 其一, 通过电流, 作为热载体, 为其自身和还原 炉加温或保温。 其二, 氢还原反应生成的硅, 不断地沉积在硅棒

9 整流变压器 整流变压器的功用是, 为中压调功器提供所需 要的电压和电流。 9.1 整流变压器参数的确定 整流变压器参数的确定, 是还原炉电器设备的 技术重点之一。 变压器容量的确定, 需要考虑以下因素。

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外层, 使之逐步增粗— ——由最初的硅芯, 逐渐增粗为 成品硅棒。 10.1 硅芯击穿问题的提出 硅芯是半导体材料,截面为直径 10 ̄12 mm 的圆 (或 10×10 mm 方截面 ) , 高度通常为 2.5  ̄2.8 m。细长 的硅芯于常温下, 电阻率和电阻都非常大。 常温下, 控制硅芯电流大小的中压调功器无法 将硅芯击穿, 即硅芯无法导通而产生电流。 10.2 硅芯的电压-温度特性 经实验室多次试验, 获得非线性的多晶硅硅芯 击穿电压 - 温度曲线。 倘若以温度值作为横坐标、硅芯击穿电压 (V/m ) 为纵坐标, 在这条曲线中, 存在着一个转折点 温度 t0。 设: 还原炉炉温为 T, 则 — —— T < t0 时,硅芯击穿所需要的电压非常 高, 且随温度上升而非线性地下降; — —— T = t0 时, 硅芯击穿所需要的电压, 工程上 能够提供; — —— T > t0 时, 击穿电压随温度上升而较为平 滑地下降。 所以, 启炉时将还原炉炉温升高, 成为降低硅芯 击穿电压的最简单办法。 11 还原炉预加热装置 还原炉启炉时, 常规的做法是用石墨棒给还原 炉预加热, 即在还原炉内装设 2 根石墨棒 。在还原 炉启动前, 对石墨棒通以低压大电流, 使还原炉炉温 迅速升高。 硅芯属于半导体材料, 炉内温度升高后, 硅芯的 电阻率和电阻迅速下降。这样, 调功器对硅芯施加 某一中压, 硅芯就能被击穿而导通。此后, 中压调功 器自动控制 12 对硅芯的电流,还原炉开始进料生 产。 采用石墨棒预加热启动, 优点是设备比较简单。 事物总是相辅相成的 。 石墨棒在预加热过程 (0.5 ̄1h ) 中被通电 、 在生产过程 (6 ̄8 d ) 内被加温 。 在这两个过程中, 棒中易逸出的杂质原子弥漫在还

该法会 原炉中, 使生产出的多晶硅含有杂质。因此, 影响到多晶硅的纯度。 12 硅芯高压击穿法 四川东方电气自动控制工程有限公司与峨嵋半 导体材料厂共同研发的高压启动系统,已成功运行 在三个多晶硅项目的 18 台还原炉上。 12.1 还原炉高压启动过程 还原炉高压启动系统是利用磁性调压器的数千 ——例 如 内 环 的 4 对 硅 伏高压,先将部分硅芯— 芯—— —击穿而导通; 而后, 使这 4 对 (8 根 ) 硅芯通过 这样, 还原炉内的温度 的电流都逐渐增大至数十安。 快速升高。 随着硅芯温度的升高,其电阻率和电阻迅速下 降。 此时, 迅速将由磁性调压器供电的内环硅芯, 切 换为整流变压器供电。 待硅芯电流稳定后,逐渐升高硅芯电流至某一 较大值, 还原炉温度继续升高。 这样,中压调功器通过整流变压器对外环硅芯 施加某一中压,即可将外环的 8 对硅芯分两批击穿 而导通。 此后, 中压调功器自动控制 12 对硅芯 (硅棒 ) 的 电流, 还原炉开始进料生产。 高压启动过程对硅芯无污染,便于生产出高纯 多晶硅。 12.2 还原炉高压启动系统的组成 还原炉高压启动系统由磁性调压器 (可控变压 器 ) 和高压启动装置两部分组成。 12.3 磁性调压器 (可控变压器 ) 磁性调压器在高压启动过程中,向硅芯提供可 以连续变化和适时受控的电压。 磁性调压器(可控变压器)由磁饱和电抗器 A 和 单相变压器 B 两部分有机组合而成。 单相变压器 B 之副边绕组即为磁性调压器的 输出端, 设有几组电压抽头。 磁饱和电抗器 A 和单相变压器 B 既有电的联

12.3.1 磁性调压器及其直流励磁电流

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系、 又有磁的联系。它是通过控制直流绕组励磁电 流来改变磁饱和电抗器 A 的铁心磁导率, 从而调节 或改变单相变压器 B 的输出电压。

高压启动系统、 中压调功器等 ) 提供操作回路电源。 14 一体化调功器 由四川东方电气自动控制工程有限公司和峨嵋 半导体材料厂研发的一体化调功器,将高压启动系 统和中压调功器合二为一。 高压启动系统,先以磁性调压器将内环 4 对硅 芯击穿后, 交由整流变压器供电; 而后, 再用磁性调 压器将外环 8 对硅芯几乎同时击穿,亦交整流变压 器供电。 整个启动过程,只需在各项开炉条件被满足的 情况下, 在主控室或就地控制屏上, 设置好内 、 外环 的中压启动电流; 再按一下按钮即可完成。属 “一键 式” 傻瓜启动方式, 无需人工干预。 还原炉启动完成后, 由主控室 DCS 控制还原炉 进料生产。 一体化调功器的主要特点,一是硅棒无级调压 “拼波” 的方式— ——硅芯作为一个阻性负载, 其 采用 两端所加载拼波电压的直流等效电压,与其消耗的 二是晶闸管采用水冷却。 三是控制采用 功率相对应。 可编程控制器 PLC, 既可在远方 (控制室) 用集散控 制系统 DCS 控制硅芯 (硅棒 ) 电流、 亦可在就地控制 柜上方便地操作。 15 结语 本文介绍的多晶硅还原炉各种电器,全部为国 产设备。 这些电器设备,经过 3 个多晶硅项目的生产运 行, 说明还原炉电器系统方案的拟定 、 参数的选择 、 设备的安装、 现场的调试都是成功的, 能够很好地满 足多晶硅生产的需求。

12.3.2 磁性调压器参数的确定
磁性调压器 (可控变压器) 参数的确定, 需要考 虑以下因素。 —单相变压器副边最高抽头电压, 能够将内 —— 环硅芯击穿。 但是, 电压又不能太高。 原因是直径 1.6 m 左右 的还原炉炉底, 布置了 12 对电极及其冷却水管 、 电 原料进气管、 尾气出气管。 极间的连接铜排、 必须考虑电极与这些管道、 铜排的绝缘安全。 —磁性调压器输出端各绕组的电压和功率, —— 必须满足硅芯击穿后电流增大的要求。 —— —还原炉在充氢情况下启动, 所需电功率要 大于充氮启动。

12.3.3 需要注意的问题
—根据还原厂房防火要求, —— 磁性调压器亦宜 采用干式。 —还原炉第一、 —— 第二对硅芯击穿有一定困难, 需要采用一些技巧解决。 —— —在单相变压器副边绕组各抽头的切换过程 中, 副边绕组会产生很高的感应电压, 容易将高压绕 组绝缘损坏而导致匝间短路, 必须采取有效的措施 来预防。 12.4 高压启动装置 其功用是在启动过程中, 通过真空接触器和真 空断路器, 对硅芯适时施加或适时切断不同等级、 不 同来源的电压; 并通过自动反馈系统将硅芯电流限 制在规定的范围内。 高压启动装置采用可编程控制器 PLC 控制。 13 低压开关柜 低压配电所低压开关柜中, 涉及为还原炉电器 设备供电的主要有两部分。 一是为一次回路 (还原炉预加热装置或高压启 动系统 ) 提供一次电源。 二是为二次回路 (高压开关柜 2、 预加热装置或

参考文献 :
[1] 中国成达工程公司编. 峨嵋半导体材料厂 1 500 t/ 年多晶硅项目 可行性研究报告[R]. 2007.3 [2] 刘寄声著. 多晶硅和石英玻璃的联合制备法[M]. 冶金工业出 版社, 2008

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