侯建江，劉玉龍，翟志強(qiáng)，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(zhǎng)孚電氣設(shè)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(qiáng)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(zhǎng)孚電氣設(shè)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(chǎng)合，雙反星形整流電源應(yīng)用廣泛，對(duì)整流電源的精度要求越來(lái)越高。為提高整流電源的精度，在設(shè)計(jì)中，對(duì)雙反星形整流電路性能進(jìn)行了具體分析，在控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了PID電壓調(diào)節(jié)器和PID電流調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓和電流的閉環(huán)控制，選擇ATmega128單片機(jī)作為核心控制器,采用RS-485接口實(shí)現(xiàn)了主、從設(shè)備之間的通信。使用Pspice軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)方法的可行性。

電力電子技術(shù)；雙反星形整流；PID；遠(yuǎn)程控制；工業(yè)應(yīng)用

隨著工業(yè)的發(fā)展，AC/DC整流電源在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。整流電路在工業(yè)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(yīng)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(xué)整流電源的最大特點(diǎn)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(fù)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(yīng)用在低電壓、大電流系統(tǒng)中。

1 主電路與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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(chǔ)上通過(guò)平衡電抗器并聯(lián)而形成的，下面對(duì)雙反星形整流電路進(jìn)行具體分析[4]。

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

設(shè)雙反星形變壓器為理想變壓器且三相電網(wǎng)電壓對(duì)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(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of dual star transformer

根據(jù)基爾霍夫第一定律，在圖2中，整流系統(tǒng)輸入電流為

(2)

將式(1) 代入式(2)中可得：

(3)

為了簡(jiǎn)化對(duì)網(wǎng)側(cè)輸入電流的分析，設(shè)LR負(fù)載電流恒定， 其值為Id。由于整流系統(tǒng)具有對(duì)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(shù)為

(6)

三相半波Ⅱ的導(dǎo)通時(shí)刻滯后于三相半波Ⅰ組180°，則三相半波Ⅱ組的開(kāi)關(guān)函數(shù)為

(7)

因此兩組三相半波輸入、輸出的電流關(guān)系為

(8)

(9)

根據(jù)式(4)-式(9)對(duì)各二極管電流進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解可得

(10)

(11)

由式(3)、式(10)和式(11)可得電網(wǎng)a相電流的表達(dá)式為

(12)

其中

(13)

由式(13)可知電網(wǎng)a相電流含有(6k±1)次(k=1,2,3，…)諧波。

2 電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了提高電源控制系統(tǒng)的可靠性，采用了雙環(huán)控制[1]。在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了電壓PID自動(dòng)調(diào)節(jié)器和電流PID自動(dòng)調(diào)節(jié)器，外環(huán)為電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管觸發(fā)脈沖延遲角的大小，來(lái)實(shí)現(xiàn)電流和電壓的閉環(huán)控制。任何系統(tǒng)的外界擾動(dòng)都可以通過(guò)內(nèi)環(huán)和外環(huán)的反饋系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)，從而穩(wěn)定電流和電壓的輸出。

整個(gè)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of the control system

在控制系統(tǒng)中單片機(jī)選擇的是ATmega128單片機(jī)。ATmega128單片機(jī)可靠性高，功能強(qiáng)，高速度，低功耗，低價(jià)位，其快速運(yùn)算能力完全可以滿足通過(guò)數(shù)字PID對(duì)觸發(fā)角的計(jì)算，用其取代DSP大大降低了開(kāi)發(fā)成本。以ATmega128單片機(jī)為核心的控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 以ATmega128單片機(jī)為核心的控制器的硬件結(jié)構(gòu)Fig.4 Controller’s hardware based on Atmega128 chip microcomputer

2.2 同步信號(hào)的產(chǎn)生和檢測(cè)

采用某一相相電壓信號(hào)通過(guò)同步檢測(cè)電路生成的上升沿信號(hào)作為同步信號(hào)。同時(shí)，同步信號(hào)A，B，C可以實(shí)現(xiàn)相序與缺相檢測(cè)，根據(jù)相序信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)不同相序下的觸發(fā)脈沖，使設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)無(wú)需調(diào)整進(jìn)線電源相序。在主電路中，變壓器二次側(cè)通常采用星型連接，所以相電壓的過(guò)零點(diǎn)要比線電壓的過(guò)零點(diǎn)滯后30°。

用于單片機(jī)對(duì)于過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)的電路結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 同步信號(hào)電路結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of synchronous signal circuit

2.3 晶閘管觸發(fā)電路

為了防止干擾，觸發(fā)電路需要加一隔離變壓器[4]。另外，晶閘管的驅(qū)動(dòng)電路的作用是使晶閘管按一定的頻率和相位開(kāi)啟，為了滿足晶閘管的門極對(duì)觸發(fā)脈沖功率的要求，單片機(jī)發(fā)出的觸發(fā)脈沖必須經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路才能加至晶閘管的門極。驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。來(lái)自單片機(jī)較弱的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離后加到晶體管P1的1腳，此時(shí)P1導(dǎo)通，變壓器的原邊產(chǎn)生1個(gè)脈沖信號(hào)。由于晶閘管屬于電流驅(qū)動(dòng)型器件，其觸發(fā)脈沖的電壓值一般為1.5～3 V。經(jīng)過(guò)脈沖變壓器后驅(qū)動(dòng)信號(hào)有效放大，輸出后到達(dá)晶閘管的門極G和陰極K。

圖6 驅(qū)動(dòng)電路Fig.6 Drive circuit

2.4 電源的通信技術(shù)研究

由于RS-485接口具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通信速率高等優(yōu)點(diǎn)，在這里主、從設(shè)備之間的硬件的連接是通過(guò)RS-485 總線實(shí)現(xiàn)的。它支持與單片機(jī)控制器的通信，可以以文字、指示燈、棒圖、趨勢(shì)圖等形式顯示控制器的內(nèi)部寄存器或繼電器的數(shù)值及狀態(tài)[9]。

485通信數(shù)據(jù)成幀成包的發(fā)送，每包24個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)由引導(dǎo)碼、地址碼、命令碼、校檢碼等部分組成。在485的通信過(guò)程中，要注意對(duì)485控制端的軟件編程。為了確?？煽抗ぷ鳎?85的通信過(guò)程中，當(dāng)485狀態(tài)總線切換時(shí)要做適當(dāng)?shù)难訒r(shí)，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。當(dāng)發(fā)送有效的數(shù)據(jù)時(shí)，先將控制端置“1”，做適當(dāng)?shù)难訒r(shí)后(比如1 ms),再進(jìn)行發(fā)送，發(fā)送結(jié)束后也要做適當(dāng)?shù)难訒r(shí)，然后再將控制端置“0”。這樣確?？偩€在狀態(tài)切換時(shí)工作穩(wěn)定。

2.5 故障檢測(cè)與保護(hù)

在控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有過(guò)壓、過(guò)流、缺相等多種保護(hù)措施，并具有報(bào)警顯示、自動(dòng)停機(jī)與其他設(shè)備聯(lián)動(dòng)等功能。

3 電源軟件設(shè)計(jì)

雙反星形整流電源的控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸出電流、電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)樣機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的過(guò)流、過(guò)壓、缺相等故障，能夠通過(guò)對(duì)控制參數(shù)的改變做出相應(yīng)的提示、報(bào)警和保護(hù)[13]。

本系統(tǒng)程序由數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)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(gè)不停的循環(huán)過(guò)程，對(duì)所有的條件做出判斷，按照控制要求進(jìn)行執(zhí)行，根據(jù)上位機(jī)發(fā)出的命令來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在電源的設(shè)計(jì)中，使用Pspice軟件進(jìn)行仿真，在純阻性負(fù)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(shí)驗(yàn)輸出的電壓波形如圖9所示。

圖8 α=30°，60°，90°時(shí)，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(shí)，電路的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)波形基本符合理論分析和仿真波形。這說(shuō)明在電源的設(shè)計(jì)中，所采用方法是可行和正確的。

5 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)的雙反星形整流電源，加入了過(guò)壓過(guò)流、缺相等保護(hù)功能，性能穩(wěn)定，安全可靠，并且通信功能齊全，可通過(guò)觸摸屏進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，操作方便，能有效滿足一些需要低壓大電流電源輸出場(chǎng)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(zé)任編輯：李 穆

國(guó)網(wǎng)江西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(5218D014004M)

侯建江(1964—)，男，河北保定人，碩士，主要從事電力電子技術(shù)應(yīng)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(qiáng)，等.高精度大容量雙反星形整流電源研究[J].河北工業(yè)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.