任國臣，任軒呈，姜丕杰

大功率中頻電源軟啟動方法的研究

任國臣1，任軒呈2，姜丕杰1

（1.遼寧工業(yè)大學 電氣工程學院，遼寧 錦州 121001；2.寧夏欣廣曜商貿(mào)有限公司，寧夏 銀川 750000）

針對大功率中頻電源的三相整流濾波電路存在非常大的電容，直流電壓建立太快，會產(chǎn)生短路效應，造成電源跳閘的問題，提出了一種基于數(shù)字控制實現(xiàn)軟啟動、抑制沖擊電流的方法；闡述了基于數(shù)控方法實現(xiàn)軟啟動的硬件電路設計以及相應的軟件控制方法，并通過工程實際應用證明，研究的大功率中頻電源啟動沖擊數(shù)控方法，能夠有效地抑制啟動時沖擊電流，解決了由于啟動時沖擊電流造成的電源跳閘問題。

軟啟動；雙脈沖觸發(fā)；輸出閉鎖；擎住電流

大功率中頻電源廣泛應用于鑄造、煉鋼、淬火與透熱等領(lǐng)域，為我國經(jīng)濟建設與國民經(jīng)濟發(fā)展創(chuàng)造了巨大的效益[1]。然而中頻電源在實際工程運行中存在啟動困難實際問題，而且中頻電源功率越大，在啟動瞬間沖擊電流就越大，啟動就越困難。傳統(tǒng)電源啟動時限制沖擊電流的方法可歸納為2種，一種方法是不控整流串聯(lián)大功率電阻，啟動完成之后通過交流接觸器將電阻切除。這種方法簡單，但缺點是交流接觸器體積較大，動作慣性大，一旦進入保護階段，動作時間將超過15個周波，執(zhí)行速度較慢，不利于保護功能的實施，而且運行時交流接觸器觸點接觸電阻較大，存在損耗。另一種限制沖擊電流的方法是采用晶閘管全控或半控整流方式，通過控制晶閘管導通角實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，使啟動電壓緩慢上升，實現(xiàn)軟啟動。2種方法中后者在大功率電源中應用較廣，而且軟啟動控制器又以數(shù)控形式為主，使整體控制電路硬件更加簡單，也更容易實現(xiàn)各種軟控制及保護算法的應用，消除啟動沖擊電流。

1 大功率中頻電源啟動沖擊原因分析

大功率中頻電源啟動沖擊原因與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。中頻電源結(jié)構(gòu)由三相整流、濾波、中頻逆變及諧振負載等主要電路組成，如圖1所示。

圖1 中頻電源組成結(jié)構(gòu)框圖

為了保證直流輸出電壓的平滑特性，通常在整流電路后的濾波電路中加入較大容量的電容。尤其是當電源功率超過20 kW時，濾波電容值從2 000 μF逐漸增大到10 000 μF以上，而此電容對電源的啟動將產(chǎn)生較大影響。如果直接啟動(不控整流)，則電容相當于短路，在輸入電路合閘瞬間將產(chǎn)生較大沖擊，浪涌電流可達幾百安培，甚至上千安培。這種沖擊可造成輸入電源電壓的降低，引起使用同一線路的其他動力設備產(chǎn)生電壓波動，嚴重時將使中頻電源自身保護跳閘，造成啟動困難，甚至引起外部三相電饋線跳閘保護。而采用晶閘管全控或半控整流方式，可控制整流部分直流電壓上升速率，抑制濾波電容的初始充電電流沖擊，能夠解決電源啟動問題。

2 數(shù)控軟啟動電路的總體結(jié)構(gòu)設計

大功率中頻電源啟動的主電路有晶閘管全控整流和半控整流2種形式，對于控制器而言半控方式的控制電路硬件更簡單。半控整流方式的軟啟動電路總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟啟動電路總體結(jié)構(gòu)

圖2中所示的三相整流電路的主電路包括三相整流、濾波電路；控制電路(控制器)包括電壓同步、CPU、上電脈沖閉鎖、三相觸發(fā)等電路。工作原理是電壓同步電路輸出三相電壓各相的過零信號，CPU獲得電壓過零時刻后，開始計時，按照一定的工藝要求調(diào)節(jié)晶閘管導通角，輸出TTL形式的控制脈沖；CPU發(fā)出的脈沖，經(jīng)過驅(qū)動電路達到一定強度后觸發(fā)晶閘管；防止CPU上電過程I/O口可能會出現(xiàn)不確定狀態(tài)，造成誤觸發(fā)，由上電脈沖閉鎖電路暫時閉鎖觸發(fā)脈沖，待CPU上電復位完成后，開放觸發(fā)驅(qū)動電路[2]。此種軟啟動結(jié)構(gòu)可使整流輸出電壓范圍由0 V直到最大值540 V，滿足控制要求。

3 具有軟啟動功能的整流主電路設計及分析

實現(xiàn)軟啟動的關(guān)鍵是使三相整流電路的直流輸出電壓可控，當中頻電源功率在500 kW以下時，較多采用三相橋式半控整流電路實現(xiàn)直流電壓過渡過程的控制方法。

晶閘管三相半控整流電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中VT1、VT2、VT3為晶閘管，組成共陰極組整流元件，共陰極接線方式；VD1、VD2、VD3為二極管，組成共陽極組整流元件，而且3只二極管分別與對應的晶閘管組成模塊結(jié)構(gòu)，某一晶閘管導通范圍可以通過三相波形圖來分析，三相晶閘管導通方式相同，以A相為例，研究導通角控制方法，如圖4所示。

圖3 晶閘管半控整流電路

圖4 A相連續(xù)有效控制范圍示意圖

在整流過程中，A、B、C三相依次輪流導通，在A相導通之前，C相已先行導通，則A相在30°角之前，晶閘管無法得到正向電壓，不滿足導通條件。A相在210°～330°時，A相相對于B、C兩相為負值，晶閘管同樣不滿足導通條件。而330°～360°區(qū)域臨近過零點，過后往往需要重新計算控制角，則這段控制角范圍應用意義不大。因此，A相控制角合理范圍落在30°～210°，單獨控制某相整流可得到相應的直流脈動電壓波形。如果整流電路三相受控，由單相波形相差120°和240°疊加形成對稱脈動直流輸出波形。控制角在30°時輸出最大脈動直流電壓波形，相控角范圍在30°～210°變化時，三相整流直流電壓輸出范圍可由0至最大值。

4 同步電路設計及分析

晶閘管整流電路的控制角是以相電壓過零點作參考，由圖4可知，每個周波只需1個過零點，即正半周的0°位置，由于控制角范圍確定在30°～210°，因此僅在0°～30°角范圍內(nèi)生成同步信號，再由CPU后期校準，即可滿足晶閘管控制要求。設計同步電路如圖5所示。

圖5 同步電路

當某相電壓進入正半周之后，電壓幅值達到3～5 V，光耦發(fā)光，使接收端產(chǎn)生下降沿，負半周出現(xiàn)后，光耦反向截止，發(fā)光二極管承受全部反相電壓，為防止發(fā)光二極管擊穿，加入反向并聯(lián)二極管D2，使反相電壓降為0.7 V左右。此電路輸出同步信號的下降沿相對于交流電壓過零點略有滯后，但對晶閘管而言，最早控制角是在30°，因此，同步信號即使由于電壓波動造成延遲，也會落在正半周30°以內(nèi)，對于觸發(fā)脈沖發(fā)生時刻，總能通過校正延遲時間而獲得。為了消除同步電路一致性不足造成的影響，可使觸發(fā)脈沖寬度大于2°，或采用多脈沖觸發(fā)。

5 觸發(fā)電路設計及分析

三相橋式整流電路中，半控整流元件采用晶閘管模塊，特點是晶閘管在正半波觸發(fā)導通，電流過零后自動關(guān)斷。通過門極觸發(fā)，使電流迅速上升超過擎住電流，才能維持導通狀態(tài)。無論何種觸發(fā)電路都要求輸出電壓滿足幅度和寬度的基本要求，以浙江柳晶整流器有限公司生產(chǎn)的MFC500-16可控硅半控整流大功率混合模塊為例，其中關(guān)系到觸發(fā)電路的主要參數(shù)為：門極不觸發(fā)電壓VGD小于0.2 V，門極觸發(fā)電壓VGT>3 V，門極觸發(fā)電流IGT>200 mA，通態(tài)電流臨界上升率d/d最大100 A/μs。其中對觸發(fā)脈沖電流要求具有一定的寬度，以保證晶閘管可靠導通[4]。

圖6為脈沖觸發(fā)電路。圖中KA是來自CPU的觸發(fā)控制信號，當KA=1時，壓控型MOS管IRF530導通，脈沖變壓器初級加入電壓，同時次級輸出脈沖去觸發(fā)晶閘管；當KA由1變0時，MOS管關(guān)閉，停止脈沖輸出。為了防止晶閘管觸發(fā)端承受反壓，加入二極管D8，使反向信號電壓截止。發(fā)光管DL2用于指示脈沖輸出。

圖6 觸發(fā)電路

6 上電脈沖閉鎖控制電路設計及分析

軟啟動電源的數(shù)字式控制電路核心是CPU，上電復位時間與復位電路硬件參數(shù)有關(guān)，時間常數(shù)一般都設置在100 ms左右，在這段時間里，CPU沒有正常運行，這時I/O口狀態(tài)極不穩(wěn)定。在I/O口連接外設的情況下，將對外設產(chǎn)生不利影響，如果這時I/O口輸出了等效的控制電平，將造成觸發(fā)電路工作。觸發(fā)電路輸出脈沖較寬，寬度超過復位時間100 ms，即5個周期，這樣在上電最初的這段時間晶閘管可能出現(xiàn)最大導通輸出。濾波電容的短路效應出現(xiàn)，系統(tǒng)產(chǎn)生跳閘，無法實現(xiàn)軟啟動。為了防止上電時I/O輸出無序信號而造成觸發(fā)電路輸出脈沖，在軟啟動電路中加入上電脈沖閉鎖控制電路。上電最初0.1 s的時間窗口內(nèi)閉鎖觸發(fā)脈沖。

設計的上電閉鎖電路如圖7所示，C5、R404串聯(lián)組成單穩(wěn)態(tài)電路，R406是放電電阻，R401、R402、R403、R406取值對時間常數(shù)也會產(chǎn)生較小影響。充電時間按圖中參數(shù)進行計算：

=×5≈1.2×100≈0.12 s

圖7 上電閉鎖電路

電路中Z點和A、B、C點的電平變化相反，上電初始階段是脈沖觸發(fā)電路閉鎖時間，Z點電壓由較高電壓逐漸下降，由于0.4 V是三極管導通截止的臨界點，大于這一電壓時，三極管飽和導通。輸出點A、B、C為低電平，觸發(fā)電路閉鎖。小于這一電壓之后閉鎖電路開放，觸發(fā)電路有效。

7 軟啟動軟件的實現(xiàn)方法

數(shù)字式控制中頻電源軟啟動的軟件主要完成A、B、C各相電壓過零點捕捉、控制角范圍計算及各相觸發(fā)脈沖控制3大任務。A、B、C各相控制角計算用途是實現(xiàn)同步信號上升沿識別、直流調(diào)壓的控制角計算。三相電壓中各相電壓與觸發(fā)脈沖的位置對應關(guān)系如圖8所示，電壓波形的過零點，對應時間=0時刻，觸發(fā)脈沖開始發(fā)出時刻對應時間1，觸發(fā)脈沖關(guān)閉時刻對應時間點2。1位置在每周期的30°～210°范圍內(nèi)遞減，最后穩(wěn)定停止在30°位置。對應電壓變化過程是：電壓由0 V逐漸增加到540 V左右，最后穩(wěn)定在540 V左右永久保持。2位置與觸發(fā)脈沖序列的數(shù)量要求有關(guān)，可以是單脈沖和多脈沖。根據(jù)圖中觸發(fā)脈沖的時序配合及盡量減少對硬件的過高要求，CPU采用1組定時器完成整體時序的控制，并且定時器在1個周期內(nèi)完成全部檢測及控制功能。

圖8 各相電壓與觸發(fā)脈沖的位置對應關(guān)系

7.1 軟件捕捉電壓信號過零點

電壓信號過零點就是信號上升沿的位置，及時識別到同步信號上升沿即可獲得電壓信號過零點，A、B、C三相電壓信號過零點捕捉方法一樣。過程是利用當前電平與前次電平記錄進行比較，若兩者相等則說明A、B、C三相中無過零點出現(xiàn)，可快速進入下一個邏輯處理。如果比較結(jié)果不等，說明有過零點出現(xiàn)，可能是0°也可能是180°位置，需要進一步排除180°的情況，接下來鑒別上升沿還是下降沿，若當前電平為1則為0°位置，否則為180°，這樣即可及時捕捉到各相電壓的過零點，圖9為捕捉電壓過零點邏輯圖。

7.2 控制角范圍計算

軟啟動控制的直流電壓是按照事先規(guī)劃的趨勢曲線緩慢上升到最大值，三相電壓的控制角每個周期要逐漸遞增，最后穩(wěn)定在30°位置。每個周期內(nèi)要根據(jù)同步信號位置以及控制角的調(diào)整步長來計算觸發(fā)角范圍，如果是多脈沖觸發(fā)，則適當放大對應的觸發(fā)角范圍。如果同步電路有時間偏差，可在這里加入時間校正實現(xiàn)相位補償。

圖9 捕捉電壓過零點邏輯圖

7.3 雙脈沖觸發(fā)

雙脈沖觸發(fā)增加了晶閘管觸發(fā)的可靠性，同時還可以補償電壓過零點檢測誤差影響。定時中斷到來之后，判斷本次運行角的位置是否在控制角范圍內(nèi)，如果在控制角范圍內(nèi)輸出高電平“1”，反之則輸出低電平“0”，形成觸發(fā)脈沖。如果控制角范圍選擇適當，可同理發(fā)出多脈沖，實現(xiàn)多脈沖觸發(fā)。在實際應用中，脈沖觸發(fā)寬度與定時器中斷周期相等，每個電壓信號周期會出現(xiàn)多次定時中斷，這樣有利于簡化脈沖寬度控制，節(jié)省定時器資源。

8 結(jié)論

解決大功率中頻電源啟動難題，主要解決上電沖擊問題，通過實驗測得，上電開始到電壓達最大值時間若接近2 s，則會聽到設備由電磁力引起的機械振動及強烈的沖擊聲，若小于1 s，則瞬間跳閘，若5 s以上，則平穩(wěn)實現(xiàn)過渡。對于數(shù)字式控制的軟啟動電源，CPU上電復位過程也不可忽視，若產(chǎn)生觸發(fā)效應，則同樣會產(chǎn)生跳閘。對于CPU可控的電壓上升過程，觸發(fā)角步進的步長不必過小。觸發(fā)脈寬可采用連續(xù)的雙脈沖觸發(fā)，這樣可避免電壓波動和頻率波動造成的影響，雙脈沖的每個寬度達2°即可滿足晶閘管可靠觸發(fā)。該方法在50～160 kW的中頻電源中獲得非常好的效果，在已用的工程中，軟啟動成功率為100%。

[1] 何勇志. 大功率串并聯(lián)晶閘管中頻電源啟動方法的研究[D]. 長沙: 湖南大學, 2003.

[2] 王依波. 一種上電復位自關(guān)斷電路[J]. 電子產(chǎn)品世界, 2019(9): 61-62, 57.

[3] 王魯楊, 程肖肖, 李然. 基于能量轉(zhuǎn)換的三相橋式全控整流電路分析[J]. 科教導刊, 2017(24): 28-29.

[4] 董招輝, 孫嶄鵬, 黃嘉琪. 一種用于高壓大電流脈沖放電的晶閘管間接強觸發(fā)電路[J]. 工礦自動化, 2017(3): 81-85.

Research on Soft Start Method of High Power IF Power Supply

REN Guo-chen1, REN Xuan-cheng2, JIANG Pi-jie1

（1.School of Electrical Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China;2.Ningxia Xinguangyao Trading Co., Ltd, Yinchuan 750000, China）

In view of the fact that the three-phase rectifier filter circuit of high power intermediate frequency power supply has very large capacitance, and the establishment of DC voltage is too fast, it will produce short circuit effect and cause the problem of power supply tripping. A method of realizing soft start and suppressing impulse current based on digital control is put forward. This paper expounds the hardware circuit design and corresponding software control method of soft start based on numerical control method, and proves that the high power intermediate frequency power supply starting impact numerical control method studied in this paper can effectively suppress the impulse current at start-up and solve the problem of power tripping caused by impulse current during start-up.

soft start; double pulse trigger; output latching; hold current

10.15916/j.issn1674-3261.2021.06.008

TP29

A

1674-3261(2021)06-0388-04

2021-04-20

任國臣(1966-)，男，遼寧錦州人，副教授。

責任編輯：孫 林