高功率因數(shù)、低諧波、高轉(zhuǎn)換效率單晶爐電源

李勇

(西安理工晶體科技有限公司，陜西西安，710077)

隨著太陽能產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，生產(chǎn)太陽能電池所需要的半導(dǎo)體材料單晶硅急劇增長(zhǎng)，對(duì)單晶生長(zhǎng)設(shè)備的需求越來越大，而隨著單晶設(shè)備的增多，對(duì)單晶爐加熱電源高效節(jié)能的要求越來越高。加熱電源是單晶生長(zhǎng)設(shè)備的重要組成部分，隨著需求量的增加，對(duì)其能耗都提出了一定的要求。本文分析了幾種常用整流方式的結(jié)構(gòu)形式，最終確定了一種高效節(jié)能的加熱電源——五柱式變壓器初級(jí)調(diào)壓、次級(jí)雙反星形整流電源。

1 整流電源的結(jié)構(gòu)分析及方案設(shè)計(jì)

1.1 整流電路的功耗分析比較

目前常用的整流電源有多種結(jié)構(gòu)形式，如：三相全控橋式整流電源(見圖1)、帶平衡電抗器的雙反星整流電源(見圖2)、三相五柱變壓器雙反星形整流電源(見圖3)等。不同的整流電源結(jié)構(gòu)形式，其最終的使用效果也不盡相同。

圖1 三相橋式整流電路

圖2 帶平衡電抗器的雙反星形整流電路

從變壓器的結(jié)構(gòu)來看，三柱變壓器在三個(gè)鐵芯上產(chǎn)生的磁通量?jī)蓛上嗷ビ绊懀S著輸入電壓相位的不斷變化，以相鄰兩柱比較，A線包要受到B線包磁場(chǎng)的影響，中間B線包同時(shí)受到A線包、C線包磁場(chǎng)的影響，C線包受到B線包的影響，由于變壓器的結(jié)構(gòu)及各線包之間距離等原因，造成三柱上的磁通量都不平衡，這樣的情況反映在三柱變壓器使用效果上，就會(huì)出現(xiàn)每相輸出的電壓不等，將直接影響最終整流波形的效果。

五柱式變壓器在三柱的基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)邊軛，很好地平衡了三相的磁通量，使中間三柱上線包的磁通量都較平衡，在輸出端不會(huì)出現(xiàn)各相電壓差異較大的情況。而三相五柱變壓器構(gòu)成的六脈波雙反星形大功率整流電源可以省去中性點(diǎn)間的平衡電抗器，同時(shí)由于變壓器的兩個(gè)邊軛為3倍頻諧波磁通或不對(duì)稱分量中的零序磁通提供了通路，而不必經(jīng)過夾件耦合，從而比起帶平衡電抗器的雙反星形整流電源(圖2)大大降低了這些結(jié)構(gòu)件上的附加損耗。

對(duì)于雙反星形整流電路，變壓器二次側(cè)每相上有兩個(gè)匝數(shù)相同極性相反的線包，如圖3所示，a與 a’繞在一相鐵芯上，同樣 b、b’，c、c’分別繞在一相鐵芯上（“*”表示同名端），將它們接成兩組三相半波整流電路，a、b、c 為正相組，a’、b’、c’為反相組，兩組三相半波整流電路并聯(lián)的輸出即為六脈波輸出。同理，可以將三相橋式整流電路看作兩組三相半波電路串聯(lián)。因此，在輸出電流相同的情況下，雙反星形整流電路的整流元件可比三相橋式電路小一個(gè)電流等級(jí)。

圖3 三相五柱式變壓器雙反星形整流電路(一次側(cè)調(diào)壓二次側(cè)整流)

對(duì)圖1、圖3兩種方案的功率損耗大致分析為：根據(jù)實(shí)際測(cè)量可知，晶閘管的壓降在1.5 V左右，二極管的壓降在1 V左右。以單晶爐化料過程的工作狀況為例，直流輸出2 500 A，60 V，一次側(cè)輸入電流基本在300 A左右，圖1中，流過晶閘管的電流為2 500 A×0.816≈2 000 A，每只管消耗2 000 A×1.5 V=3 000 W的功率，6只總共18 KW，系統(tǒng)本身在整流器件上損耗功率為18 KW。而圖3中，一次側(cè)一組晶閘管上消耗300 A×1.5 V=450 W的功率，3組總共1.35 KW，流過二極管的電流為2 500 A×0.407≈1 000 A，產(chǎn)生壓降1V，二極管上消耗1 000 A×1 V=1 000 W的功率，6只總共6 KW，系統(tǒng)本身在整流器件上損耗功率約為7.35 KW。

表1為兩種整流方式下功率器件損耗的計(jì)算，從計(jì)算的數(shù)據(jù)可以看出，采用圖3設(shè)計(jì)的整流電源，功率器件的損耗最小。故高效節(jié)能電源采用的一次側(cè)可控硅調(diào)壓，二次側(cè)二極管整流的雙反星形電路在功率損耗上，優(yōu)于三相全控橋式整流電源。

表1 兩種整流方式功率器件損耗

1.2 功率因數(shù)、轉(zhuǎn)換效率、諧波電流含量的介紹、測(cè)試比較

目前在單晶爐電源設(shè)計(jì)上對(duì)功率因數(shù)、諧波電流含量、轉(zhuǎn)換效率都提出了一定的要求，好的電源應(yīng)該具有高功率因數(shù)、低諧波、轉(zhuǎn)換效率高－節(jié)能的特點(diǎn)。

1.2.1 功率因數(shù)

在交流電路中，針對(duì)電網(wǎng)中的某個(gè)非純阻性元件來說，由于電流與電壓存在超前或滯后的關(guān)系，它們之間存在一個(gè)相位差(Φ)，電壓與電流之間的相位差(Φ)的余弦叫做功率因數(shù)，用符號(hào)表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率(P)和視在功率(S)的比值，即：

功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的一個(gè)重要的技術(shù)數(shù)據(jù)。功率因數(shù)越低，電路用于交變磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換的無功功率越大，供電線路和變壓器的容量也就越大，供電電流也就越大，從而降低了設(shè)備的利用率，增加了線路供電損耗。電源設(shè)備的容量不能充分利用。在電源設(shè)備容量：

一定的情況下，功率因數(shù)越低，P越小，設(shè)備得不到充分利用。

1.2.2 轉(zhuǎn)換效率

轉(zhuǎn)換效率就是電源的輸入功率與輸出功率的比值，即：

由于設(shè)備本身要消耗能源，當(dāng)輸入功率一定時(shí)，設(shè)備轉(zhuǎn)換效率越高，設(shè)備本身損耗就越小，能源的利用率也就越高。

1.2.3 諧波

在電力系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產(chǎn)生。諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)，根據(jù)法國(guó)數(shù)學(xué)家傅立葉(M.Fourier)分析原理證明，任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個(gè)諧波都具有不同的頻率，幅度與相角。諧波可以區(qū)分為偶次與奇次性，第3、5、7次編號(hào)的為奇次諧波，而2、4、6、8等為偶次諧波，如基波為50Hz時(shí)，2次諧波為l00Hz，3次諧波則是150Hz。一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對(duì)稱關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在。對(duì)于三相整流負(fù)載，出現(xiàn)的諧波電流是 6n±1 次諧波，例如 5、7、11、13、17、19 等。

在實(shí)際使用中，諧波的危害主要有：影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、影響電網(wǎng)的質(zhì)量、影響供電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償設(shè)備、影響電力變壓器的使用、影響用電設(shè)備、增加電網(wǎng)損耗、產(chǎn)生電磁干擾、產(chǎn)生計(jì)量誤差、造成電網(wǎng)諧振。

1.2.4 整流電源方案設(shè)計(jì)

我們?cè)谡麟娐吩O(shè)計(jì)時(shí)，著重考慮了功率因數(shù)、轉(zhuǎn)換效率和諧波等方面的問題。同時(shí)，我們通過電能質(zhì)量分析儀對(duì)圖1與圖3兩種整流電路在各種輸出功率下進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4所示，從測(cè)試的數(shù)據(jù)中可以看出，雙反星形整流方式比三相全控橋式整流方式在功率因數(shù)和轉(zhuǎn)換效率上明顯要高，諧波電流含量偏小。

圖4 功率因數(shù)、轉(zhuǎn)換效率、諧波電流測(cè)試結(jié)果對(duì)比

通過以上對(duì)各種整流電路的分析和大量的試驗(yàn)，反復(fù)對(duì)比以上多種整流方案，鑒于三相五柱式變壓器初級(jí)調(diào)壓、次級(jí)雙反星形整流的主回路方案與其它整流方案相比輸出電壓平衡性好、在主回路上產(chǎn)生的損耗較小、提高了轉(zhuǎn)換效率與功率因數(shù)、低諧波污染等優(yōu)點(diǎn)，最終確定了主回路方案為三相五柱式變壓器，一次側(cè)調(diào)壓、二次側(cè)雙反星形整流方式。

2 在實(shí)際單晶拉制中的應(yīng)用

按一般單晶硅生產(chǎn)工藝，等徑狀態(tài)約30 h，熔料狀態(tài)約5 h為例，高效節(jié)能雙反星形整流電源與普通三相橋式整流電源對(duì)比，在有功功率消耗及轉(zhuǎn)換效率方面測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 兩種整流方式在實(shí)際單晶拉制中的功率損耗

從表2中可以看出，在實(shí)際單晶拉制過程中高效節(jié)能雙反星形整流電源比普通三相橋式整流電源轉(zhuǎn)換效率高，可以節(jié)約20kW的功耗，同時(shí)節(jié)電12kW。

3 結(jié)論

文中通過實(shí)驗(yàn)分析了各種整流電路的特點(diǎn)、能耗及功率因數(shù)、諧波和轉(zhuǎn)換效率。綜上所述，高效節(jié)能五柱式雙反星形整流電源具有高功率因數(shù)、低諧波、高轉(zhuǎn)換效率的特點(diǎn)，經(jīng)過實(shí)際使用后，提高了用電質(zhì)量，減少了能源損耗，說明該種電源是低壓大電流電源的優(yōu)選整流方案，具有很好的應(yīng)用前景。

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