觸發(fā)脈沖對多晶硅鑄錠爐電源溫控系統(tǒng)的影響

張 霞，徐克峰,2， 馬建立

(1.北京京儀椿樹整流器有限責任公司，北京100040；2.北京交通大學電氣工程學院，北京100000)

觸發(fā)脈沖對多晶硅鑄錠爐電源溫控系統(tǒng)的影響

張 霞1，徐克峰1,2， 馬建立1

(1.北京京儀椿樹整流器有限責任公司，北京100040；2.北京交通大學電氣工程學院，北京100000)

多晶硅鑄錠爐電源溫控系統(tǒng)采用了過零觸發(fā)的控制方式，通過在165 kW電源設備上的實驗，研究了觸發(fā)脈沖對電源溫控系統(tǒng)影響，結果表明：拓寬觸發(fā)脈沖的寬度，得到了完整的正弦波；調整觸發(fā)脈沖的起始位置，大大降低了設備切入電網(wǎng)時的沖擊電流；將調壓與調功有機的結合，對感性負載過零調功系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行有著非常重要作用。

多晶硅鑄錠爐；交流調功；過零觸發(fā)；觸發(fā)脈沖

多晶硅鑄錠爐是一種用于鑄造大型多晶硅錠的設備，它將硅料高溫熔融后通過定向冷凝結晶，使其形成晶向一致的硅錠，從而達到生產(chǎn)太陽電池對硅片品質的要求[1]。溫度場是多晶硅錠生長過程中至關重要的因素。多晶硅鑄錠爐采用的方形高純石墨加熱器具有大滯后、大慣性、溫度超調嚴重、震蕩大，且難于控制、穩(wěn)定時間長的特點。

過零觸發(fā)的晶閘管交流調功器以周期數(shù)為單位對電路的平均輸出功率進行控制，這不僅克服了移相觸發(fā)方式的缺點，還具有功率因數(shù)高、不易產(chǎn)生高次諧波的優(yōu)點，因而被廣泛應用于各種溫度控制、電加熱等大慣性場合。

多晶硅鑄錠爐電源溫控系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的過零觸發(fā)控制方式，常存在如下問題：主回路電流滯后，與電壓同步的過零脈沖將失去作用[2-3]；帶變壓器電感性負載的合閘角如何確定[4-5]。本文在165 kW多晶硅鑄錠爐電源樣機上的實驗針對以上問題進行了詳細的研究分析。

1 過零觸發(fā)調功電路的原理

交流調功電路的電路形式與交流調壓電路完全相同，二者的區(qū)別在于控制方式的不同。過零觸發(fā)的調功方式就是通過在給定的時間內改變加在負載上的交流正弦波個數(shù)來調節(jié)負載功率的一種控制方法。

圖1 電網(wǎng)電壓波形圖

圖2 調功通斷波形圖

這種輸出電壓的最小控制單元為一個完整的電源周期的控制方式為全周期控制，它在任何情況下輸出電壓的正負半周個數(shù)相等，平均電壓為0，這一點對于帶變壓器等電感性負載的交流調功電路十分重要[6]。

圖3 調功器功率變化圖

2 165 kW多晶硅鑄錠爐電源總體結構簡介

由圖4可知，多晶硅鑄錠爐電源總體結構可以分為兩部分：一為主回路部分，其由變壓器初級的三相交流調壓電路構成；二為控制部分，基于TMS320LF2407A的數(shù)字控制器通過改變變壓器原邊繞組的電壓來控制其副邊輸出的電流，從而達到控制電爐溫度的作用。另外，電源設備還配有人機界面以及各種故障保護，方便用戶安全可靠地操作。

圖4 165 kW多晶硅鑄錠爐電源總體結構

3 觸發(fā)脈沖對電源溫控系統(tǒng)的影響

3.1 觸發(fā)脈沖的寬度對電源溫控系統(tǒng)的影響

由于感性負載本身電流滯后于電壓一定角度，為了保證電流的連續(xù)性，并可靠、有效地觸發(fā)晶閘管，在晶閘管的觸發(fā)控制電路中常采用寬脈沖或雙窄脈沖[6-7]。

本文在最初的實驗中采用了如圖5所示的脈沖，可以看到每個晶閘管的脈沖共由3個脈沖組成，每個脈沖為一組脈沖列，脈沖列的寬度為18°～20°，每兩個脈沖列前沿間距為60°。對于每個晶閘管而言，邏輯上真正起到觸發(fā)作用的是第一個脈沖。

圖5 脈沖波形圖

將第一個脈沖的前沿與A相正半周電壓的上過零保持同相位，測得如圖6所示波形。從圖中可知，第一個脈沖在其應該觸發(fā)的晶閘管電流過零前到達，因而不能觸發(fā)該晶閘管，使得該晶閘管被第二個脈沖誤觸發(fā)，這就會發(fā)生60°的跳變，導致電流或電壓不能平穩(wěn)地變化[3]。對此，通常采用增加脈沖寬度的辦法來解決[5-6]。而對于脈沖寬度的確定則與實際電路中的具體參數(shù)有關。本文采用180°的脈沖寬度觸發(fā)晶閘管最終得到圖7所示波形。

圖6 變壓器一次側A相電流波形以及A相正管導通時其脈沖

圖7 變壓器一次側A相電流波形以及A相負載電壓波形

3.2 觸發(fā)脈沖的位置對電源溫控系統(tǒng)的影響

采用寬度為180°，起始位置在電源電壓過零點的晶閘管觸發(fā)脈沖，在樣機實驗中測得變壓器一次側線電壓以及A相電流波形圖如圖8所示。從圖中可知，觸發(fā)時刻及隨后的兩個周期內沖擊電流很大，同時還聽到變壓器發(fā)出“咚，咚”的聲音，并伴有微微震動，可知，此時啟動對變壓器的沖擊很大。

圖8 變壓器一次側線電壓以及A相電流波形圖

究其原因是啟動瞬間的沖擊電流對電網(wǎng)以及變壓器造成的影響。變壓器在空載合閘瞬間可能出現(xiàn)較大的合閘過電流，該電流稱為勵磁涌流，其大小一般可達額定電流的數(shù)倍，嚴重時會造成變壓器空載合閘瞬間開關的誤動作[4]。

勵磁涌流的大小與變壓器鐵芯中磁場的建立過程密切相關，而變壓器的磁場建立直接受合閘瞬間電源電壓初相角位置的影響。對于三相變壓器有如下關系：

式中：Φ為變壓器鐵芯中的磁通，它包含穩(wěn)態(tài)分量Φ'和暫態(tài)分量Φ''兩部分。式中列出了三相變壓器每相的磁通與合閘瞬間電源電壓初相角α的關系。可知，在α=0°、60°、120°、180°、240°、300°、360°等角度合閘時，變壓器鐵芯中的磁通變化較大，變壓器磁路處于深度飽和而導致勵磁涌流迅猛增大至額定電流的5～8倍，此時合閘時情況最為嚴重；而當α=30°、90°、150°、210°、270°、330°中任意角度將變壓器空載合閘投入運行時，繞組環(huán)鏈的磁通暫態(tài)分量為最小值0.866Φm，此時對變壓器的沖擊較小，可保證安全可靠地切入電網(wǎng)[5]。

本實驗調整了觸發(fā)脈沖的起始位置，避開上述沖擊較大的角度，得到圖9所示波形，此時可以看到變壓器一次側電流波形發(fā)生了明顯變化：沖擊電流小了許多。另外，晶閘管觸發(fā)瞬間變壓器的聲音幾乎消失，配電柜上電流表指針的擺動也明顯小了。

從多次實驗結果中總結出，變壓器合閘磁場的建立需要2個周期，因此，為了得到標準正弦波，同時滿足啟動無沖擊，本文控制前兩個周波觸發(fā)脈沖的起始角度，而后面導通的周波仍然保證每個晶閘管的控制角均為0°，即在每相電壓自然過零點時觸發(fā)相應的晶閘管，最終得到圖7所示波形。

圖9 變壓器一次側線電壓以及A相電流波形圖

4 結論

本文通過理論分析和實際實驗，探討了影響感性負載過零調功系統(tǒng)穩(wěn)定運行的原因，提出了保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的措施，得出如下結論：采用脈沖寬度為180°的觸發(fā)脈沖，將晶閘管全周波觸發(fā)導通；調整觸發(fā)脈沖的起始位置減小了晶閘管觸發(fā)瞬間對變壓器以及電網(wǎng)的沖擊，進而保證了電源加熱設備安全可靠地切入電網(wǎng)；將調壓與調功有機結合，對于感性負載的過零調功加熱系統(tǒng)的穩(wěn)定運行有著非常重要的實用價值。

[1]FISCHER H,PSCHUNDER W.Proc of 12thIEEE Photovoltaic Specialists Conf Baton Rough[C].New York:IEEE,1976:86.

[2]張仲輝，何書.數(shù)控過零調功溫度調節(jié)系統(tǒng)的研究(感性負載)[J].電爐，1984(1):7-14.

[3]韋翼.對零觸發(fā)晶閘管調功器的探討[J].電力電子技術，1991(2): 49-51.

[4]張友軍.變壓器空載合閘引起電流保護裝置動作的原因分析與解決方法[J].電氣開關，2001(5):20-21.

[5]李元慶.變壓器空載合閘過電流產(chǎn)生的機理及預防研究[J].硅谷, 2009(20):33,75.

[6]劉志剛.電力電子學[M].北京：清華大學出版社，2004.

[7]王兆安，張明勛.電力電子設備設計和應用[M].3版.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

Influence of trigger pulse on temperature control system of polycrystalline silicon ingot production

Passing zero trigger was used on the temperature control system of the polycrystalline silicon ingot production.Based on the experiment of the 165 kW power equipment,the influence of trigger pulse on the control system was studied.The results indicate that widening the trigger pulse,a complete sine wave is got.Adjusting the starting position of trigger pulse,the impulse current was greatly reduced.Combined the regulator with the power organically,which played a very important role on a stable and reliable running of the zero crossing of the inductive load.

polycrystalline silicon ingot production;AC power adjuster;passing zero trigger;trigger pulse

TM 423

A

1002-087 X(2015)10-2301-02

2015-03-21

張霞(1981—)，女，河北省人，碩士生，工程師，主要研究方向為電力電子。