高精度大容量雙反星形整流電源研究

侯建江，劉玉龍，翟志強，王 偉，范好亮

(1.保定天威保變電氣股份有限公司，河北保定 071051；2.河北長孚電氣設備有限公司，河北保定 071051)

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高精度大容量雙反星形整流電源研究

侯建江1，劉玉龍1，翟志強1，王 偉1，范好亮2

(1.保定天威保變電氣股份有限公司，河北保定 071051；2.河北長孚電氣設備有限公司，河北保定 071051)

在電解電鍍、電加熱、埋弧焊接等低壓大電流、大功率的場合，雙反星形整流電源應用廣泛，對整流電源的精度要求越來越高。為提高整流電源的精度，在設計中，對雙反星形整流電路性能進行了具體分析，在控制系統中，設計了PID電壓調節器和PID電流調節器來實現電壓和電流的閉環控制，選擇ATmega128單片機作為核心控制器,采用RS-485接口實現了主、從設備之間的通信。使用Pspice軟件對電路進行仿真，通過仿真和實驗證明了設計方法的可行性。

電力電子技術；雙反星形整流；PID；遠程控制；工業應用

隨著工業的發展，AC/DC整流電源在社會的各個領域都得到了廣泛的應用[1-2]。整流電路在工業上常用的整流方式有三相橋式整流和雙反星形整流[3-11]。三相橋式整流電路一般應用在電壓較高的整流電路中，其變壓器利用率比較高，在同等功率情況下，可以使用較小容量的整流變壓器，但電解電鍍、電化學整流電源的最大特點是低電壓、大電流、大容量[12-15]。雙反星形整流電路與橋式整流電路相比，在同樣負載情況下因其橋臂電流平均值是橋式整流電路的1/2，且管壓降也是后者的1/2，因此被廣泛應用在低電壓、大電流系統中。

1 主電路與系統結構

雙反星形整流電路如圖1所示。其是在兩組三相半波電路基礎上通過平衡電抗器并聯而形成的，下面對雙反星形整流電路進行具體分析[4]。

圖1 雙反星形整流電路Fig.1 Dual star rectifier circuit

設雙反星形變壓器為理想變壓器且三相電網電壓對稱，電流參考方向如圖2所示，由圖1和圖2可得變壓器的原邊電流為

(1)

圖2 雙反星形變壓器結構Fig.2 Structure of dual star transformer

根據基爾霍夫第一定律，在圖2中，整流系統輸入電流為

(2)

將式(1) 代入式(2)中可得：

(3)

為了簡化對網側輸入電流的分析，設LR負載電流恒定， 其值為Id。由于整流系統具有對稱性，所以兩組三相半波平均分配電流，即id1=id2，所以

(4)

(5)

由于相與相之間有120°的相位差，則 b1，c1 相函數為

(6)

三相半波Ⅱ的導通時刻滯后于三相半波Ⅰ組180°，則三相半波Ⅱ組的開關函數為

(7)

因此兩組三相半波輸入、輸出的電流關系為

(8)

(9)

根據式(4)-式(9)對各二極管電流進行傅里葉級數分解可得

(10)

(11)

由式(3)、式(10)和式(11)可得電網a相電流的表達式為

(12)

其中

(13)

由式(13)可知電網a相電流含有(6k±1)次(k=1,2,3，…)諧波。

2 電源控制系統設計與分析

2.1 控制系統結構

為了提高電源控制系統的可靠性，采用了雙環控制[1]。在系統中設計了電壓PID自動調節器和電流PID自動調節器，外環為電壓環，內環為電流環，電壓調節器的輸出作為電流調節器的輸入，用電流調節器的輸出去控制晶閘管觸發脈沖延遲角的大小，來實現電流和電壓的閉環控制。任何系統的外界擾動都可以通過內環和外環的反饋系統來調節，從而穩定電流和電壓的輸出。

整個系統的控制結構圖如圖3所示。

圖3 控制系統結構圖Fig.3 Structure diagram of the control system

在控制系統中單片機選擇的是ATmega128單片機。ATmega128單片機可靠性高，功能強，高速度，低功耗，低價位，其快速運算能力完全可以滿足通過數字PID對觸發角的計算，用其取代DSP大大降低了開發成本。以ATmega128單片機為核心的控制器的硬件結構如圖4所示。

圖4 以ATmega128單片機為核心的控制器的硬件結構Fig.4 Controller’s hardware based on Atmega128 chip microcomputer

2.2 同步信號的產生和檢測

采用某一相相電壓信號通過同步檢測電路生成的上升沿信號作為同步信號。同時，同步信號A，B，C可以實現相序與缺相檢測，根據相序信號可以實現不同相序下的觸發脈沖，使設備在現場運行時無需調整進線電源相序。在主電路中，變壓器二次側通常采用星型連接，所以相電壓的過零點要比線電壓的過零點滯后30°。

用于單片機對于過零點進行檢測的電路結構圖如圖5所示。

圖5 同步信號電路結構圖Fig.5 Structure diagram of synchronous signal circuit

2.3 晶閘管觸發電路

為了防止干擾，觸發電路需要加一隔離變壓器[4]。另外，晶閘管的驅動電路的作用是使晶閘管按一定的頻率和相位開啟，為了滿足晶閘管的門極對觸發脈沖功率的要求，單片機發出的觸發脈沖必須經過驅動電路才能加至晶閘管的門極。驅動電路如圖6所示。來自單片機較弱的脈沖信號經過光耦隔離后加到晶體管P1的1腳，此時P1導通，變壓器的原邊產生1個脈沖信號。由于晶閘管屬于電流驅動型器件，其觸發脈沖的電壓值一般為1.5～3 V。經過脈沖變壓器后驅動信號有效放大，輸出后到達晶閘管的門極G和陰極K。

圖6 驅動電路Fig.6 Drive circuit

2.4 電源的通信技術研究

由于RS-485接口具有結構簡單、通信速率高等優點，在這里主、從設備之間的硬件的連接是通過RS-485 總線實現的。它支持與單片機控制器的通信，可以以文字、指示燈、棒圖、趨勢圖等形式顯示控制器的內部寄存器或繼電器的數值及狀態[9]。

485通信數據成幀成包的發送，每包24個字節，數據由引導碼、地址碼、命令碼、校檢碼等部分組成。在485的通信過程中，要注意對485控制端的軟件編程。為了確保可靠工作，在485的通信過程中，當485狀態總線切換時要做適當的延時，然后再進行數據的收發。當發送有效的數據時，先將控制端置“1”，做適當的延時后(比如1 ms),再進行發送，發送結束后也要做適當的延時，然后再將控制端置“0”。這樣確保總線在狀態切換時工作穩定。

2.5 故障檢測與保護

在控制系統中設計有過壓、過流、缺相等多種保護措施，并具有報警顯示、自動停機與其他設備聯動等功能。

3 電源軟件設計

雙反星形整流電源的控制系統的軟件設計能夠實現對輸出電流、電壓的實時監控，對樣機運行過程中出現的過流、過壓、缺相等故障，能夠通過對控制參數的改變做出相應的提示、報警和保護[13]。

本系統程序由數據采集、轉換，串行通信，電流、電壓控制等功能模塊組成。程序一直處于一個不停的循環過程，對所有的條件做出判斷，按照控制要求進行執行，根據上位機發出的命令來實現自動控制。其主程序流程圖如圖 7所示。

圖7 主程序流程圖Fig.7 Main program flow chart

4 仿真分析與實驗驗證

在電源的設計中，使用Pspice軟件進行仿真，在純阻性負載的情況下，輸出電流和電壓波形是一致的。仿真的電壓波形如圖8所示，實驗輸出的電壓波形如圖9所示。

圖8 α=30°，60°，90°時，雙反星形整流電路的輸出電壓Fig.8 Output voltage of the dual star rectifier circuit when α=30°，60°，90°

圖9 α=0°，α=30°時，電路的實驗輸出電壓Fig.9 Experimental output voltage when α=0° and α=30°

從圖8可以清楚地看出，仿真波形與理論分析一致。圖9的實驗波形基本符合理論分析和仿真波形。這說明在電源的設計中，所采用方法是可行和正確的。

5 結 語

設計的雙反星形整流電源，加入了過壓過流、缺相等保護功能，性能穩定，安全可靠，并且通信功能齊全，可通過觸摸屏進行參數設定，操作方便，能有效滿足一些需要低壓大電流電源輸出場合的使用需求。

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Research on high precision and high capacity double reverse star rectifier power supply

HOU Jianjiang1, LIU Yulong1， ZHAI Zhiqiang1, WANG Wei1, FAN Haoliang2

(1. Baoding Tianwei Baobian Electric Company Limited，Baoding, Hebei 071051，China；2. Hebei Changfu Electric Company Limited，Baoding，Hebei 071051，China)

In the low voltage high current and high power applications such as electrolytic plating, electric heating and submerged arc welding,dual star rectifier circuit has been widely used, and the accuracy requirement for the rectification power supply is higher. In the design, the dual star rectifier circuit is analyzed. In the control system, PID voltage regulator and PID current regulator are designed to realize the closed loop control of voltage and current, and the ATmega128 microcontroller is selected as the core controller; RS-485 interface is used to achieve the communication between the master and slave devices. The circuit is simulated by using Pspice software, and the feasibility of the design method is proved by simulation and experiment.

power electronic technology; double reverse star rectifier; PID; remote control; industrial application

1008-1534(2016)04-0297-06

2016-04-18;

2016-05-18；責任編輯：李 穆

國網江西省科技攻關項目(5218D014004M)

侯建江(1964—)，男，河北保定人，碩士，主要從事電力電子技術應用與特種電源方面的研究。

劉玉龍。E-mail:gomes0705@163.com

TM461

A

10.7535/hbgykj.2016yx04006

侯建江，劉玉龍，翟志強，等.高精度大容量雙反星形整流電源研究[J].河北工業科技,2016,33(4):297-302. HOU Jianjiang, LIU Yulong， ZHAI Zhiqiang, et al.Research on high precision and high capacity double reverse star rectifier power supply[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(4):297-302.