淺談發(fā)動機(jī)硅整流啟動電源柜的改進(jìn)設(shè)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(tuán)濟(jì)柴動力有限公司，山東 濟(jì)南 250306）

本文設(shè)計的硅整流起動電源柜是以某公司12V燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組所配的直流起動馬達(dá)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(jī)的理想起動電源。該起動柜能滿足機(jī)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(hù)功能，抗干擾能力強(qiáng)。

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(jī)直流起動馬達(dá)提供起動電源。啟動電源柜具有自保護(hù)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(yīng)設(shè)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(shù)分析

2．1 電路設(shè)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(fù)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(dǎo)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(fù)載傳送，也可以由負(fù)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(diǎn)或中性點(diǎn)的電路，又稱半波電路。它的特點(diǎn)所有整流元件的陰極(或陽極)都接到一個公共接點(diǎn)，向直流負(fù)載供電，負(fù)載的另一根線接到交流電源的零點(diǎn)。

（2）橋式電路實(shí)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(shè)計電路可選用單相隔離變壓器或者三相整流變壓器，當(dāng)整流負(fù)載容量較大，或要求直流電壓脈動較小時，應(yīng)采用三相整流變壓器，但變壓器的設(shè)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(dá)不到啟動要求，若設(shè)計容量太大，則成本過高。

3 設(shè)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(fù)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(dá)在機(jī)組起動過程中的壓降，整流二極管輸出電壓及負(fù)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(dá)的額定功率14kW。

（2）硅整流二極管。機(jī)組直流起動馬達(dá)在起動發(fā)動機(jī)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(fù)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(jī)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(jìn)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(diǎn)，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(dú)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(diǎn)，其最低點(diǎn)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(yīng)的相電壓中哪一個的值較大，則該相對應(yīng)的二級管導(dǎo)通，并使另兩相的二極管承受反壓關(guān)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(dǎo)通；在wt2～wt3，b相電壓最高，VD2導(dǎo)通，在wt3～wt4，c相電壓最高，VD3導(dǎo)通。此后，在下一周期相當(dāng)于wt1的位置即wt4的時刻，VD1又導(dǎo)通，如此重復(fù)前一周期的工作情況。因此，一周中VD1、VD2、VD3輪流導(dǎo)通。每管各導(dǎo)通120°。在相電壓的交點(diǎn)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(diǎn)為自然換相點(diǎn)。在一個周期內(nèi)三相輪流導(dǎo)通，負(fù)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(dǎo)通角為120°，負(fù)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(dá)在機(jī)組起動過程中的壓降，整流二極管輸出電壓及負(fù)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(diǎn)，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(dá)在機(jī)組起動過程中的壓降，整流二極管輸出電壓及負(fù)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(dú)立。變壓器為空氣自冷式，在額定負(fù)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(dá)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(jī)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(jìn)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(shè)計

在啟動柜外形結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，參考各種同類控制產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)，經(jīng)過仔細(xì)測量計算，綜合考慮提出比較新穎的外形設(shè)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(jìn)行加工制造。

圖4 外形尺寸設(shè)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(dá)，兩次啟動時間間隔為3分鐘。啟動柜應(yīng)能滿足發(fā)動機(jī)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(yīng)具有故障報警，過載、短路自保護(hù)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(jī)組。目前，硅整流啟動電源柜已大規(guī)模應(yīng)用于配備直流啟動馬達(dá)的大功率內(nèi)燃機(jī)，并且能滿足機(jī)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(jī)提供可靠的起動保障，將成為發(fā)動機(jī)理想的起動電源。

（2）以上兩種設(shè)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(jì)實(shí)用，但是對于大容量直流啟動馬達(dá)或要求直流電壓脈動較小時，應(yīng)采用三相半波整流電路，它的缺點(diǎn)是造價高、體積大，因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求選用。

（3）在該起動柜的設(shè)計的過程中，我查閱了很多相關(guān)資料，使我對整流電路有了更深刻的認(rèn)識，同時也使我感覺到設(shè)計一個新產(chǎn)品除了需要有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，還需要考慮在實(shí)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(jìn)行新產(chǎn)品的開發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)。