高功率因數、低諧波、高轉換效率單晶爐電源

李勇

(西安理工晶體科技有限公司，陜西西安，710077)

隨著太陽能產業的迅速發展，生產太陽能電池所需要的半導體材料單晶硅急劇增長，對單晶生長設備的需求越來越大，而隨著單晶設備的增多，對單晶爐加熱電源高效節能的要求越來越高。加熱電源是單晶生長設備的重要組成部分，隨著需求量的增加，對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構形式，最終確定了一種高效節能的加熱電源——五柱式變壓器初級調壓、次級雙反星形整流電源。

1 整流電源的結構分析及方案設計

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構形式，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。不同的整流電源結構形式，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

從變壓器的結構來看，三柱變壓器在三個鐵芯上產生的磁通量兩兩相互影響，隨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線包磁場的影響，中間B線包同時受到A線包、C線包磁場的影響，C線包受到B線包的影響，由于變壓器的結構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，就會出現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上增加了兩個邊軛，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，在輸出端不會出現各相電壓差異較大的情況。而三相五柱變壓器構成的六脈波雙反星形大功率整流電源可以省去中性點間的平衡電抗器，同時由于變壓器的兩個邊軛為3倍頻諧波磁通或不對稱分量中的零序磁通提供了通路，而不必經過夾件耦合，從而比起帶平衡電抗器的雙反星形整流電源(圖2)大大降低了這些結構件上的附加損耗。

對于雙反星形整流電路，變壓器二次側每相上有兩個匝數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。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電流等級。

圖3 三相五柱式變壓器雙反星形整流電路(一次側調壓二次側整流)

對圖1、圖3兩種方案的功率損耗大致分析為：根據實際測量可知，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，系統本身在整流器件上損耗功率為18 KW。而圖3中，一次側一組晶閘管上消耗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算，從計算的數據可以看出，采用圖3設計的整流電源，功率器件的損耗最小。故高效節能電源采用的一次側可控硅調壓，二次側二極管整流的雙反星形電路在功率損耗上，優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、轉換效率、諧波電流含量的介紹、測試比較

目前在單晶爐電源設計上對功率因數、諧波電流含量、轉換效率都提出了一定的要求，好的電源應該具有高功率因數、低諧波、轉換效率高－節能的特點。

1.2.1 功率因數

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

功率因數是電力系統的一個重要的技術數據。功率因數越低，電路用于交變磁場轉換的無功功率越大，供電線路和變壓器的容量也就越大，供電電流也就越大，從而降低了設備的利用率，增加了線路供電損耗。電源設備的容量不能充分利用。在電源設備容量：

一定的情況下，功率因數越低，P越小，設備得不到充分利用。

1.2.2 轉換效率

轉換效率就是電源的輸入功率與輸出功率的比值，即：

由于設備本身要消耗能源，當輸入功率一定時，設備轉換效率越高，設備本身損耗就越小，能源的利用率也就越高。

1.2.3 諧波

在電力系統中諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產生。諧波頻率是基波頻率的整倍數，根據法國數學家傅立葉(M.Fourier)分析原理證明，任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率，幅度與相角。諧波可以區分為偶次與奇次性，第3、5、7次編號的為奇次諧波，而2、4、6、8等為偶次諧波，如基波為50Hz時，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。在平衡的三相系統中，由于對稱關系，偶次諧波已經被消除了，只有奇次諧波存在。對于三相整流負載，出現的諧波電流是 6n±1 次諧波，例如 5、7、11、13、17、19 等。

在實際使用中，諧波的危害主要有：影響供電系統的穩定運行、影響電網的質量、影響供電系統的無功補償設備、影響電力變壓器的使用、影響用電設備、增加電網損耗、產生電磁干擾、產生計量誤差、造成電網諧振。

1.2.4 整流電源方案設計

我們在整流電路設計時，著重考慮了功率因數、轉換效率和諧波等方面的問題。同時，我們通過電能質量分析儀對圖1與圖3兩種整流電路在各種輸出功率下進行了測試，測試結果如圖4所示，從測試的數據中可以看出，雙反星形整流方式比三相全控橋式整流方式在功率因數和轉換效率上明顯要高，諧波電流含量偏小。

圖4 功率因數、轉換效率、諧波電流測試結果對比

通過以上對各種整流電路的分析和大量的試驗，反復對比以上多種整流方案，鑒于三相五柱式變壓器初級調壓、次級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、在主回路上產生的損耗較小、提高了轉換效率與功率因數、低諧波污染等優點，最終確定了主回路方案為三相五柱式變壓器，一次側調壓、二次側雙反星形整流方式。

2 在實際單晶拉制中的應用

按一般單晶硅生產工藝，等徑狀態約30 h，熔料狀態約5 h為例，高效節能雙反星形整流電源與普通三相橋式整流電源對比，在有功功率消耗及轉換效率方面測試數據如表2所示。

表2 兩種整流方式在實際單晶拉制中的功率損耗

從表2中可以看出，在實際單晶拉制過程中高效節能雙反星形整流電源比普通三相橋式整流電源轉換效率高，可以節約20kW的功耗，同時節電12kW。

3 結論

文中通過實驗分析了各種整流電路的特點、能耗及功率因數、諧波和轉換效率。綜上所述，高效節能五柱式雙反星形整流電源具有高功率因數、低諧波、高轉換效率的特點，經過實際使用后，提高了用電質量，減少了能源損耗，說明該種電源是低壓大電流電源的優選整流方案，具有很好的應用前景。

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