一種緩啟動型三相可控整流電源的設計與應用研究

劉 凱，鄧 銀，張紅靜，駱廷亮

(中國振華電子集團貴州振華群英電器有限公司，貴州貴陽，550018)

1 引言

隨著電力電子技術的迅猛發展，交流電源系統的電能質量問題也備受關注[1]。三相全波橋式可控整流作為交直流電能轉換的重要手段，因其整流負載容量大、直流脈動小的優點在工程應用上被廣泛采用。晶閘管因其大電流高電壓、低成本及成熟的技術等優點而在三相整流電路中被廣泛采用[2]。工業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控制元件的導通狀況進行調節，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，線路簡單經濟，負載電源電壓平均值調節方便。

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成，一方面二極管無慣性功耗低，另一方面晶閘管能夠調節整流輸出的電壓值，通過控制SCR的導通角使整流輸出電壓緩慢增加，降低輸出端濾波電容對電網造成的諧波干擾，在交直流供配電領域具有典型的應用價值。

2 系統原理概述

設計中，對晶閘管的控制采用的是移相控制技術[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、移相觸發電路、觸發信號調理電路、整流濾波及平波電抗器、故障保護電路構成，系統框圖如圖1所示。

圖1 系統電路框圖

同步變壓器用于三相交流電的相位識別與降壓隔離，為SCR的控制提供同步信號。移相觸發電路的功能是檢測同步變壓器的過零點和極性，并通過控制片內三個恒流源的輸出，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，交相信號與調制脈沖共同形成觸發脈沖，經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變化對應可控硅觸發角在180°～0°變化[4]，為實現移相控制電壓與觸發角變化趨勢一致，設計中加入了觸發控制信號調理電路轉換Vr極性。

3 功能模塊設計

3.1 同步相位采集模塊設計

同步相位采集電路如圖1，用于三相交流電的相位識別及隔離降壓。調節R1～R3電位器的阻值可實現0°～30°的微調移相，用于適應不同主變壓器連接的需要，使同步信號與主系統更好地適配，同步電壓取27V。變壓器一次側采用△接法，二次側采用Y接法，變壓器的中點接至直流電源的地上。RC濾波網絡消除同步信號中的畸變與干擾，為移相控制電路TC787提供正確、安全的相位信號。

圖2 同步相位采集電路

3.2 移相觸發模塊設計

移相觸發控制模塊的設計采用國產化集成電路TC787AP，其相比由運放、二極管、三極管、電容、電阻等器件構成的模擬電路，具有集成度高、抗干擾能力強、移相范圍寬、調試方便、故障率低等優點，能夠同時完成過零和極性檢測、鋸齒波生成、電壓比較、抗干擾鎖定、脈沖形成、故障保護等功能[5]，外圍配置電路見圖3，本設計采用單電源15V供電。

圖3 移相觸發控制電路

3.3 觸發信號調理電路設計

移相觸發集成電路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與輸入控制電壓一致，設計了觸發信號調理電路用于轉換輸入控制電壓的極性，見圖4。其中，R48、C19、C20用于控制軟啟動時間，U1B運放實現電壓跟隨功能，提高輸入阻抗，U1A運放實現減法運算。假設U1B的輸出為Ui，由運放的虛短、虛斷特性可推導出Vr與Ui的關系為Vr=15V-Ui。 由于電路中Z1穩壓管的箝位作用，Vr的最高電壓為12V。

圖4 觸發信號調理電路

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，為使輸出波形更加平滑通常在輸出側并聯較大容量的電容器，然而電容器的存在同樣會導致直流輸出接通瞬間電網電流畸變和諧波的產生。為抑制輸入側電流畸變，本文在設計電路時在三相電源側加入平波電抗器[6]，根據電抗器壓降為額定電壓的4%計算，電抗器的電感量選型計算為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，計算電感量L約為0.128mH。此外為防止感性負載通斷瞬間的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 熱設計與故障保護

熱設計是功率產品設計中的重要環節，是提高產品的性能及可靠性、縮短開發周期、降低設計風險的重要手段[8]。整流單元主要考慮的熱設計對象是整流橋模塊(功率100kW)，三只集成整流模塊總發熱功耗約為240W，采用風冷散熱，風扇型號FFB0612DHE，轉速13000RPM，最大風量1.97m3/min。整流橋模塊安裝于鋁質散翅片熱器上，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[9]進行熱仿真(圖6)，環境溫度35℃。結果表明，該抽風式散熱設計可保證產品的散熱效果，熱平衡后機箱內最大溫升為25℃。

圖6 整流電源熱仿真模型與結果

同時為防止仿真與實際產品存在較大差距，設計了溫度分級保護[10]及過熱停機電路，如圖7所示，默認開機時3只風扇工作，溫度超過50℃時接入2只備用風扇，超過80℃時溫度開關T2輸出高電平封鎖TC787AP的脈沖輸出關閉整流單元。

圖7 溫度預警與過熱保護

4 試驗與應用驗證

為驗證緩輸出式整流單元設計的正確性和可行性，產品研制完成后進行了相關試驗驗證。在環境溫度35℃、負載100kW條件下對整流單元進行了功能、隨機振動、溫度沖擊、溫升、老煉等各項試驗測試并交付航天某院所裝機應用。結果表明，穩定運行溫度58℃，整流電壓上升時間約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勢。

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 結語

電壓緩輸出式三相整流單元的電壓輸出平緩，對電網造成的諧波干擾低，溫升小，性能穩定可靠，能夠有效避免對負載的沖擊，滿足工程應用需求。