一種緩啟動(dòng)型三相可控整流電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

劉 凱，鄧 銀，張紅靜，駱廷亮

(中國(guó)振華電子集團(tuán)貴州振華群英電器有限公司，貴州貴陽(yáng)，550018)

1 引言

隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，交流電源系統(tǒng)的電能質(zhì)量問(wèn)題也備受關(guān)注[1]。三相全波橋式可控整流作為交直流電能轉(zhuǎn)換的重要手段，因其整流負(fù)載容量大、直流脈動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)在工程應(yīng)用上被廣泛采用。晶閘管因其大電流高電壓、低成本及成熟的技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)而在三相整流電路中被廣泛采用[2]。工業(yè)上常用的整流電路分為全控型和半控型，全控型整流電路的輸出電壓平均值及極性可通過(guò)控制元件的導(dǎo)通狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制靈活，但整流器件SCR存在慣性遲滯、功耗較高。而半控全波整流采用可控元件SCR和整流二極管混合組成，這種整流電路功耗低，線路簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，負(fù)載電源電壓平均值調(diào)節(jié)方便。

本文提出的三相全波橋式整流電路采用半控方式，即采用三只晶閘管和三只二極管構(gòu)成，一方面二極管無(wú)慣性功耗低，另一方面晶閘管能夠調(diào)節(jié)整流輸出的電壓值，通過(guò)控制SCR的導(dǎo)通角使整流輸出電壓緩慢增加，降低輸出端濾波電容對(duì)電網(wǎng)造成的諧波干擾，在交直流供配電領(lǐng)域具有典型的應(yīng)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)原理概述

設(shè)計(jì)中，對(duì)晶閘管的控制采用的是移相控制技術(shù)[3]，即電壓緩輸出式三相橋式半控整流單元(功率100kW)由同步相位采集電路、移相觸發(fā)電路、觸發(fā)信號(hào)調(diào)理電路、整流濾波及平波電抗器、故障保護(hù)電路構(gòu)成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)電路框圖

同步變壓器用于三相交流電的相位識(shí)別與降壓隔離，為SCR的控制提供同步信號(hào)。移相觸發(fā)電路的功能是檢測(cè)同步變壓器的過(guò)零點(diǎn)和極性，并通過(guò)控制片內(nèi)三個(gè)恒流源的輸出，在Ca、Cb、Cc電容上積分形成鋸齒波，鋸齒波與移相控制電壓Vr比較形成交相點(diǎn)，交相信號(hào)與調(diào)制脈沖共同形成觸發(fā)脈沖，經(jīng)脈沖變壓器隔離后控制整流橋中的SCR。因移相控制電壓Vr 0～12V變化對(duì)應(yīng)可控硅觸發(fā)角在180°～0°變化[4]，為實(shí)現(xiàn)移相控制電壓與觸發(fā)角變化趨勢(shì)一致，設(shè)計(jì)中加入了觸發(fā)控制信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換Vr極性。

3 功能模塊設(shè)計(jì)

3.1 同步相位采集模塊設(shè)計(jì)

同步相位采集電路如圖1，用于三相交流電的相位識(shí)別及隔離降壓。調(diào)節(jié)R1～R3電位器的阻值可實(shí)現(xiàn)0°～30°的微調(diào)移相，用于適應(yīng)不同主變壓器連接的需要，使同步信號(hào)與主系統(tǒng)更好地適配，同步電壓取27V。變壓器一次側(cè)采用△接法，二次側(cè)采用Y接法，變壓器的中點(diǎn)接至直流電源的地上。RC濾波網(wǎng)絡(luò)消除同步信號(hào)中的畸變與干擾，為移相控制電路TC787提供正確、安全的相位信號(hào)。

圖2 同步相位采集電路

3.2 移相觸發(fā)模塊設(shè)計(jì)

移相觸發(fā)控制模塊的設(shè)計(jì)采用國(guó)產(chǎn)化集成電路TC787AP，其相比由運(yùn)放、二極管、三極管、電容、電阻等器件構(gòu)成的模擬電路，具有集成度高、抗干擾能力強(qiáng)、移相范圍寬、調(diào)試方便、故障率低等優(yōu)點(diǎn)，能夠同時(shí)完成過(guò)零和極性檢測(cè)、鋸齒波生成、電壓比較、抗干擾鎖定、脈沖形成、故障保護(hù)等功能[5]，外圍配置電路見圖3，本設(shè)計(jì)采用單電源15V供電。

圖3 移相觸發(fā)控制電路

3.3 觸發(fā)信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

移相觸發(fā)集成電路TC787AP的移相控制電壓Vr范圍為12V～0V，而輸入控制為RC斜坡電壓上升電路，為使整流輸出電壓的變化趨勢(shì)與輸入控制電壓一致，設(shè)計(jì)了觸發(fā)信號(hào)調(diào)理電路用于轉(zhuǎn)換輸入控制電壓的極性，見圖4。其中，R48、C19、C20用于控制軟啟動(dòng)時(shí)間，U1B運(yùn)放實(shí)現(xiàn)電壓跟隨功能，提高輸入阻抗，U1A運(yùn)放實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算。假設(shè)U1B的輸出為Ui，由運(yùn)放的虛短、虛斷特性可推導(dǎo)出Vr與Ui的關(guān)系為Vr=15V-Ui。 由于電路中Z1穩(wěn)壓管的箝位作用，Vr的最高電壓為12V。

圖4 觸發(fā)信號(hào)調(diào)理電路

uo=VrR19=R23=R24=R47

3.4 整流濾波及平波電抗

晶閘管整流后的直流輸出存在電壓波動(dòng)，為使輸出波形更加平滑通常在輸出側(cè)并聯(lián)較大容量的電容器，然而電容器的存在同樣會(huì)導(dǎo)致直流輸出接通瞬間電網(wǎng)電流畸變和諧波的產(chǎn)生。為抑制輸入側(cè)電流畸變，本文在設(shè)計(jì)電路時(shí)在三相電源側(cè)加入平波電抗器[6]，根據(jù)電抗器壓降為額定電壓的4%計(jì)算，電抗器的電感量選型計(jì)算為220*4%=2πfLi。其中，交流電頻率f為50Hz，i為總功率折算到三相交流輸入的一相電流值，i取200A，計(jì)算電感量L約為0.128mH。此外為防止感性負(fù)載通斷瞬間的dv/dt造成晶閘管擊穿損壞，在每只晶閘管兩端并聯(lián)了RC阻容吸收電路[7]，見圖5。

圖5 整流濾波及平波電抗電路

3.5 熱設(shè)計(jì)與故障保護(hù)

熱設(shè)計(jì)是功率產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，是提高產(chǎn)品的性能及可靠性、縮短開發(fā)周期、降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)的重要手段[8]。整流單元主要考慮的熱設(shè)計(jì)對(duì)象是整流橋模塊(功率100kW)，三只集成整流模塊總發(fā)熱功耗約為240W，采用風(fēng)冷散熱，風(fēng)扇型號(hào)FFB0612DHE，轉(zhuǎn)速13000RPM，最大風(fēng)量1.97m3/min。整流橋模塊安裝于鋁質(zhì)散翅片熱器上，散熱片厚度6.5mm，間距12.5mm,散熱器體積400mm×40mm×410mm，采用ANSYS ICEPAK仿真平臺(tái)[9]進(jìn)行熱仿真(圖6)，環(huán)境溫度35℃。結(jié)果表明，該抽風(fēng)式散熱設(shè)計(jì)可保證產(chǎn)品的散熱效果，熱平衡后機(jī)箱內(nèi)最大溫升為25℃。

圖6 整流電源熱仿真模型與結(jié)果

同時(shí)為防止仿真與實(shí)際產(chǎn)品存在較大差距，設(shè)計(jì)了溫度分級(jí)保護(hù)[10]及過(guò)熱停機(jī)電路，如圖7所示，默認(rèn)開機(jī)時(shí)3只風(fēng)扇工作，溫度超過(guò)50℃時(shí)接入2只備用風(fēng)扇，超過(guò)80℃時(shí)溫度開關(guān)T2輸出高電平封鎖TC787AP的脈沖輸出關(guān)閉整流單元。

圖7 溫度預(yù)警與過(guò)熱保護(hù)

4 試驗(yàn)與應(yīng)用驗(yàn)證

為驗(yàn)證緩輸出式整流單元設(shè)計(jì)的正確性和可行性，產(chǎn)品研制完成后進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。在環(huán)境溫度35℃、負(fù)載100kW條件下對(duì)整流單元進(jìn)行了功能、隨機(jī)振動(dòng)、溫度沖擊、溫升、老煉等各項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)試并交付航天某院所裝機(jī)應(yīng)用。結(jié)果表明，穩(wěn)定運(yùn)行溫度58℃，整流電壓上升時(shí)間約5s、紋波電壓≤30V(圖8)，輸入諧波電流峰值270A(圖9)，相比直接輸出式整流具有一定優(yōu)勢(shì)。

圖8 輸出電壓及紋波

圖9 輸入諧波電流(電流探頭比值：1A/V)

5 結(jié)語(yǔ)

電壓緩輸出式三相整流單元的電壓輸出平緩，對(duì)電網(wǎng)造成的諧波干擾低，溫升小，性能穩(wěn)定可靠，能夠有效避免對(duì)負(fù)載的沖擊，滿足工程應(yīng)用需求。