適用于大功率逆變器的預充電方案研究

張臻，金龍，沈湛，陳瑋光

(東南大學 電氣工程學院，江蘇 南京 210096)

0 引言

交直交逆變器的預充電電路的作用是在逆變器啟動時限制對直流環(huán)節(jié)儲能電容的充電電流，避免強大的沖擊電流燒壞功率模塊和直流電容。目前，傳統(tǒng)的逆變器預充電電路采用在主回路交流接觸器觸點旁跨接預充電電阻的方案。該方案技術成熟、應用廣泛，但由于接觸器串聯在主回路中，成本隨著逆變器功率的增大而增加，制約了逆變器的生產成本，并且啟動電流較大。

本文設計并實現了三相橋式半控整流預充電電路，通過控制整流橋的輸出電壓，進而控制充電電流的大小。省去了接觸器和預充電電阻，且控制靈活，母線電壓可調，啟動電流小，性能優(yōu)越。

1 傳統(tǒng)的預充電回路

預充電就是由電源向逆變器裝置中的直流母線電容充電的過程。因為直流母線上有大電容存在，當電源接通瞬間，電容兩端相當于短路，如果沒有預充電電路，整流電路的功率器件就會因短路而損壞。預充電電路起到了限制電源接通瞬間電容充電電流的作用，以保護整流電路的功率器件不會因電流沖擊過大而損壞。

圖1為傳統(tǒng)的預充電電路。當三相電源接入時，交流接觸器KM處于斷開狀態(tài)，閉合繼電器KA，三相電源通過預充電電阻經過二極管不控整流橋對直流環(huán)節(jié)儲能電容進行充電。當控制器檢測到直流環(huán)節(jié)電壓達到某一給定值時，控制電路發(fā)出信號，接觸器KM吸合，此時預充電電阻被短路，逆變器主回路開始工作［1］。

圖1 傳統(tǒng)的預充電電路

圖2 所示為KM在0.4 s閉合，電容電壓在MATLAB中的仿真波形。圖3為電容電流波形。在KA閉合的瞬間，啟動電流沖擊較大。在KM閉合的瞬間，如果母線電壓小于穩(wěn)態(tài)時的母線電壓，也有電流沖擊。

圖2 傳統(tǒng)的預充電電路充電時電容電壓波形

二極管的導通順序如表1所示，每個時間段電源電壓通過兩個預充電電阻和兩個二極管構成的回路對電容充電。如圖4所示［2］，以時間段Ⅰ為例，UAB通過 A、B相預充電電阻和二極管VD6、VD1對電容充電。

圖3 傳統(tǒng)的預充電電路充電時電容電流波形

表1 三相橋式不控整流電路功率器件導通順序

圖4 三相橋式不控整流電路輸出電壓波形

設US為相電壓，認為穩(wěn)態(tài)平均電壓2.34US為電源電壓。充電時間常數τ=2RC。在KA閉合的瞬間，啟動電流沖擊較大，電容充電電流最大值為，電容電流

傳統(tǒng)的預充電電路結構簡單可靠，控制方便，但存在以下缺點:

1)在逆變器需要頻繁啟動的場合，交流接觸器也要頻繁的閉合、斷開，長期工作不僅減少接觸器的壽命，而且會因觸頭氧化、接觸不良、機械磨損等原因影響設備正常工作。

2)接觸器作為該預充電方案的主要元件，隨著逆變器功率的增加，容量也需要相應增加，對于整個逆變器設備來說提高了成本。

3)大容量的接觸器增加了設備的體積和重量。

4)啟動電流較大，對器件有一定的沖擊。

2 三相橋式半控整流預充電電路

三相橋式半控整流電路和三相橋式全控整流電路相比，觸發(fā)電路更加簡單、經濟，同樣可以獲得0～2.34倍相電壓的可調母線電壓。本文設計的三相橋式半控整流觸發(fā)電路由控制芯片調節(jié)輸入PWM電壓的占空比改變晶閘管的觸發(fā)角，從而改變三相橋式半控整流電路的輸出電壓。軟啟動只需由控制芯片控制PWM電壓的占空比，從而控制晶閘管觸發(fā)角從大到小變化即可(見圖5)。

圖5 三相橋式半控整流電路

如圖6所示，三相輸入電壓通過同步變壓器接入3片TCA785芯片。TCA785芯片產生與輸入電壓同相位的鋸齒波，輸入PWM電壓通過巴特沃茲低通濾波器產生移相控制電壓，和鋸齒波相交，產生觸發(fā)脈沖，觸發(fā)脈沖通過脈沖變壓器驅動相應的晶閘管。通過控制輸入電壓的幅值，可以改變晶閘管的觸發(fā)角，從而控制輸出電壓大小。TCA785芯片的控制為負邏輯，即控制電壓增加，晶閘管的觸發(fā)角增加。本文在巴特沃茲低通濾波器前加上一級反相器，使觸發(fā)電路的控制變?yōu)檎壿嫛?/p>

圖6 三相橋式半控整流觸發(fā)電路結構框圖

2.1 同步檢測環(huán)節(jié)

三個同步變壓器分別將UAB，UBC，UCA轉換為相位相同，幅值較低的交流電，輸入TCA785芯片的5腳。

2.2 巴特沃茲低通濾波電路

如圖7所示，控制芯片輸出3.3 V，頻率為10 kHz的PWM波經電壓轉換芯片轉換為15 V的PWM波，經反相器反相，再經電壓跟隨器后輸入巴特沃茲低通濾波器。設PWM波的占空比為D，則濾波器的輸出電壓為(1-D)*15 V。

圖7 巴特沃茲低通濾波電路

設計濾波器的截止頻率為500 Hz，取R1=R2=R=10 kΩ，C1=C=C=33 nF，截止頻率=482 Hz，可以將頻率為102kHz的PWM波濾成恒定的直流電壓。

2.3 TCA785 芯片

本文采用三片TCA785芯片觸發(fā)三相橋式半控整流電路，其接線方式對稱?，F對一片TCA785芯片的引腳連線進行說明:在6腳接使能信號，11腳引入移相控制電壓，5腳接同步信號，9腳和10腳分別接鋸齒波斜率電阻和電容，12腳通過電容接地，14腳和15腳為脈沖輸出端［3-4］。

由5腳引入的同步信號，經內部零電壓檢測器，送至同步寄存器，同步寄存器控制產生與同步信號同步且頻率為同步信號兩倍的鋸齒波。鋸齒波的斜率由9腳和10腳外接的電阻、電容決定。輸出脈沖寬度由12腳外接電容決定。當鋸齒波的電壓等于移相控制電壓時，便產生一個觸發(fā)脈沖信號。14腳、15腳輸出觸發(fā)脈沖相差180°。

TCA785芯片的主要引腳波形如圖8所示。V5為同步電壓，V10為鋸齒波電壓，V11為移相控制電壓，V15為15腳輸出電壓，V14為14腳輸出電壓。

三片TCA785芯片的15腳觸發(fā)脈沖互差120°，經驅動電路放大后驅動相應的晶閘管。

圖8 TCA785芯片的主要引腳波形

2.4 驅動電路

如圖9所示，觸發(fā)脈沖控制三極管的導通關斷，原邊24 V電壓經脈沖變壓器轉換為8 V后驅動晶閘管。因為脈沖變壓器是正向激勵，在三極管截止時存儲在脈沖變壓器原邊的能量必須泄放掉，否則脈沖變壓器的剩磁通將不能復位，會導致其很快進入飽和狀態(tài)［5］。本文采用二極管D1和電阻R1組成RD吸收電路，三極管截止后產生的感生電動勢能量通過二極管和電阻吸收。D3為續(xù)流二極管，R2決定了晶閘管的門極驅動電流。

圖9 晶閘管觸發(fā)脈沖驅動電路

2.5 三相橋式半控整流電路預充電過程

預充電時，由于母線電壓隨控制PWM波的占空比由小增大，所以啟動時電流沖擊較小。圖10為三相橋式半控整流電路帶電阻性負載時，晶閘管觸發(fā)角α在每個工頻周期按α=(180-250t)°規(guī)律變化時，輸出電壓在MATLAB中的仿真波形;圖11為觸發(fā)角α按α=(180-50t)°規(guī)律變化時，輸出電壓的仿真波形。

圖10 α按α=(180-250t)°規(guī)律變化半控整流電路帶電阻性負載預充電電壓波形

圖11 α按α=(180-50t)°規(guī)律變化

半控整流電路帶電阻性負載預充電電壓波形

圖12 α按α=(180-250t)°規(guī)律變化半控整流電路預充電電容電流波形

圖13 α按α=(180-50t)°規(guī)律變化半控整流電路預充電電容電流波形

3 結束語

傳統(tǒng)的預充電方式在功率較小的逆變電路中較為適用，使用交流接觸器控制的預充電方式成本隨著逆變器功率的增大而增加。半控整流預充電方式省去了接觸器，在大功率逆變器中優(yōu)勢非常明顯，且控制靈活，母線電壓可以調節(jié)，啟動電流小，具有更好的應用效果。

［1］唐白山，黃翠柏.一種新型單象限變頻器預充電電路設計［J］.工礦自動化，2013，39(2):20-22.

［2］賀益康，潘再平.電力電子技術［M］.北京:科學出版社，2010.

［3］王興貴，郭永吉.基于TCA785移相觸發(fā)器的電磁渦流剎車電源［J］.機電工程技術，2007，36(1):61-63.

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［5］ARENDT WINTRICH，ULRICH NICOLAI.Application Manual Power Semiconductors［M］.SEMIKRON International GmbH，2011.