淺談發(fā)動機硅整流啟動電源柜的改進設計

王生春，韓云龍，劉桂英，陳新，李新，王曉言，吳瑞斌

（中國石油集團濟柴動力有限公司，山東 濟南 250306）

本文設計的硅整流起動電源柜是以某公司12V燃氣發(fā)電機組所配的直流起動馬達為研究對象。該起動電源輸入采用交流380V電源，經(jīng)變壓器隔離降壓及硅整流橋式整流轉(zhuǎn)換成直流24V輸出，可作為最大起動電流不超過3000A的直流電機的理想起動電源。該起動柜能滿足機組在各種工況下，尤其是在冬季氣溫較低等非常規(guī)情況下的起動要求，具有故障報警，過載、短路自保護功能，抗干擾能力強。

1 工作原理

采用變壓器及硅整流二極管方式，整體結(jié)構(gòu)要充分考慮整流二極管及變壓器的散熱，容量上要有充分的余量。啟動電源柜輸入交流380V電源，經(jīng)變壓器隔離降壓及橋式整流電路轉(zhuǎn)換輸出24V直流電源，最大輸出電流不低于3000A，給發(fā)動機直流起動馬達提供起動電源。啟動電源柜具有自保護功能，在正常工作中如因故障出現(xiàn)輸出電壓低于9V，交流接觸器自動斷開，切斷輸入電源，防止硅整流二極管及變壓器燒壞。啟動電源應設有電源、工作指示燈及電壓、電流指示儀表。外殼配有安全接地螺栓。啟動電源柜結(jié)構(gòu)為四輪移動式方便移動操作。

2 技術分析

2．1 電路設計

2．1．1 按組成的器件可分為不可控電路、半控電路、全控電路三種

（1）不可控整流電路完全由不可控二極管組成，電路結(jié)構(gòu)一定后其直流整流電壓和交流電源電壓值的比是固定不變的。

（2）半控整流電路由可控元件和二極管混合組成，在這種電路中，負載電源極性不能改變，但平均值可以調(diào)節(jié)。

（3）在全控整流電路中，所有的整流元件都是可控的（SCR、GTR、GTO等），其輸出直流電壓的平均值及極性可以通過控制元件的導通狀況而得到調(diào)節(jié)，在這種電路中，功率既可以由電源向負載傳送，也可以由負載反饋給電源，即所謂的有源逆變。

2．1．2 按電路結(jié)構(gòu)可分為零式電路和橋式電路

（1）零式電路指帶零點或中性點的電路，又稱半波電路。它的特點所有整流元件的陰極(或陽極)都接到一個公共接點，向直流負載供電，負載的另一根線接到交流電源的零點。

（2）橋式電路實際上是由兩個半波電路串聯(lián)而成，故又稱全波電路。

2．2 隔離變壓器的選擇

變壓器根據(jù)設計電路可選用單相隔離變壓器或者三相整流變壓器，當整流負載容量較大，或要求直流電壓脈動較小時，應采用三相整流變壓器，但變壓器的設計容量不宜過小，容量過小則啟動時電壓降比較大，輸出電流達不到啟動要求，若設計容量太大，則成本過高。

3 設計方案

3．1 單相橋式全波整流

3．1．1 電路分析

單相橋式全波整流如圖1所示。

圖1 單相橋式全波整流

輸出電壓 VL波形的傅立葉級數(shù)：

其中恒定分量即為負載電壓VL的平均值：VL=2V2／π=0.9V2

直流電流則為：IL=0.9V2／RL

整流二極管平均電流：ID=1／2 IL=0.45V2／RL

整流二極管承受的最大反向電壓：VRM=V2

3．1．2 元器件選擇

（1）隔離變壓器選擇。單相隔離降壓變壓器輸入為交流380V，考慮到直流起動馬達在機組起動過程中的壓降，整流二極管輸出電壓及負載電壓VL為31V，并根據(jù)以上電路計算出變壓器輸出側(cè)空載電壓為34V，變壓器容量即為直流起動馬達的額定功率14kW。

（2）硅整流二極管。機組直流起動馬達在起動發(fā)動機的額定電流為1000～1500A，所以整流二極管平均電流為500～750A。故選擇500A的整流二極管，考慮到硅整流二極管在一定的時間內(nèi)還有過載能力，經(jīng)過反復試驗，完全滿足啟動要求。

（3）其他元器件的選擇。為盡量較小因起動電纜在起動過程中帶來的壓降，輸出起動電纜選用YH1×120mm2優(yōu)質(zhì)低壓大電流電焊機專用電纜；其他元器件的選型，分別對各個品牌元器件的質(zhì)量、性能、外觀、價格等因素進行綜合評價，最終選擇性價比高、性能可靠元器件。

3．2 三相半波整流電路

3．2．1 電路分析

三相整流電路中，最基本的是三相半波整流電路，為得到零線，整流變壓器副邊接成星形，有個公共零點，而一次側(cè)接成三角形，避免3次諧波電流流入電網(wǎng)，所以也叫三相零式電路，如圖2所示。

圖2

在半波整流電路中，三相中的每一相都和零線單獨形成了半波整流電路，其整流出的三個電壓半波在時間上依次相差疊加，并且整流輸出波形不過點，其最低點電壓Umin=Up×sin[(1/2)×(180°-120°)]=(1/2)Up。式中的Up是交流電壓輸入幅值。

三個二極管分別接入a，b，c三相電源，它們的陰極連接在一起，稱為共陰極接法，此時，三個二極管對應的相電壓中哪一個的值較大，則該相對應的二級管導通，并使另兩相的二極管承受反壓關斷，輸出整流電壓即為該相的相電壓，如圖3所示。

圖3

在一個周期中，器件工作情況如下：在wt1～wt2，a相電壓最高，VD1導通；在wt2～wt3，b相電壓最高，VD2導通，在wt3～wt4，c相電壓最高，VD3導通。此后，在下一周期相當于wt1的位置即wt4的時刻，VD1又導通，如此重復前一周期的工作情況。因此，一周中VD1、VD2、VD3輪流導通。每管各導通120°。在相電壓的交點wt1、wt2、wt3處，均出現(xiàn)了二極管換相，即電流由一個二極管向另一個二極管轉(zhuǎn)移，稱這些交點為自然換相點。在一個周期內(nèi)三相輪流導通，負載上得到脈動直流電壓Ud，其波形是連續(xù)的。電流波形與電壓波形相似，這時，每只二極管導通角為120°，負載上電壓平均值為：

式中：Ud為輸出電壓平均值；UA為相電壓有效值。

考慮到直流起動馬達在機組起動過程中的壓降，整流二極管輸出電壓及負載電壓為31V，并根據(jù)以上電路計算出三相整流變壓器輸出側(cè)空載線電壓為46V。

3．2．2 元器件選擇

（1）三相整流變壓器。根據(jù)以上電路分析，三相整流變壓器一次側(cè)接成三角形，二次側(cè)必須接成星形，有個公共零點，接線方式：Dyn11。變壓器輸入電壓為三相交流380V，頻率50Hz，考慮到直流起動馬達在機組起動過程中的壓降，整流二極管輸出電壓及負載電壓為31V，并根據(jù)以上電路計算出三相整流變壓器輸出側(cè)空載線電壓為46V，容量為33kVA(每相11kVA)，變壓器由冷軋矽鋼片迭成方形或圓形鐵芯，三相線圈均經(jīng)浸漆處理，具有一定的耐潮及散熱性能，初、次級繞組獨立。變壓器為空氣自冷式，在額定負載中能長期穩(wěn)定工作。

（2）硅整流二極管。采用3只1500A平板型硅整流二極管（正向平均輸出電流可達到3000A）元件，配平板型散熱器。

（3）其他元器件的選擇。為盡量減小因起動電纜在起動過程中所帶來壓降，輸出起動電纜選用YH1×120mm2優(yōu)質(zhì)低壓大電流電焊機專用電纜；其他元器件的選型，分別對各個品牌元器件的質(zhì)量、性能、外觀、價格等因素進行綜合評價，最終選擇性價比高、性能可靠元器件。

3．3 啟動柜結(jié)構(gòu)設計

在啟動柜外形結(jié)構(gòu)的設計上，參考各種同類控制產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)，經(jīng)過仔細測量計算，綜合考慮提出比較新穎的外形設計（圖4），柜體采用2mm厚優(yōu)質(zhì)冷軋板，可以委托專業(yè)殼體制造廠家進行加工制造。

圖4 外形尺寸設計

4 工作方式

硅整流啟動柜工作方式為短時工作，每次持續(xù)時間：≤15s，如長時間可能損壞啟動馬達，兩次啟動時間間隔為3分鐘。啟動柜應能滿足發(fā)動機在各種工況下，尤其是在冬季氣溫較低等非常規(guī)情況下的起動要求。啟動柜應具有故障報警，過載、短路自保護功能。

5 結(jié)語

（1）硅整流啟動電源柜完全可以取代傳統(tǒng)的啟動蓄電池，使用方便，性能可靠，并能安全快捷地起動機組。目前，硅整流啟動電源柜已大規(guī)模應用于配備直流啟動馬達的大功率內(nèi)燃機，并且能滿足機組在各種工況下，尤其是在冬季氣溫較低等非常規(guī)情況下的起動要求，為發(fā)動機提供可靠的起動保障，將成為發(fā)動機理想的起動電源。

（2）以上兩種設計方案各有利弊，單相橋式全波整流電路方案結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，經(jīng)濟實用，但是對于大容量直流啟動馬達或要求直流電壓脈動較小時，應采用三相半波整流電路，它的缺點是造價高、體積大，因此，應根據(jù)實際需求選用。

（3）在該起動柜的設計的過程中，我查閱了很多相關資料，使我對整流電路有了更深刻的認識，同時也使我感覺到設計一個新產(chǎn)品除了需要有扎實的理論基礎，還需要考慮在實際情況中的種種因素，這為自己以后更好地完善該產(chǎn)品以及進行新產(chǎn)品的開發(fā)打下了良好的基礎。