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        一種緩啟動(dòng)型三相可控整流電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

        2021-12-29 07:02:08張紅靜駱廷亮
        機(jī)電元件 2021年6期
        關(guān)鍵詞:晶閘管三相諧波

        劉 凱,鄧 銀,張紅靜,駱廷亮

        (中國振華電子集團(tuán)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(shù)的迅猛發(fā)展,交流電源系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題也備受關(guān)注[1]。三相全波橋式可控整流作為交直流電能轉(zhuǎn)換的重要手段,因其整流負(fù)載容量大、直流脈動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)在工程應(yīng)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(shù)等優(yōu)點(diǎn)而在三相整流電路中被廣泛采用[2]。工業(yè)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(dǎo)通狀況進(jìn)行調(diào)節(jié),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(jiǎn)單經(jīng)濟(jì),負(fù)載電源電壓平均值調(diào)節(jié)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(gòu)成,一方面二極管無慣性功耗低,另一方面晶閘管能夠調(diào)節(jié)整流輸出的電壓值,通過控制SCR的導(dǎo)通角使整流輸出電壓緩慢增加,降低輸出端濾波電容對(duì)電網(wǎng)造成的諧波干擾,在交直流供配電領(lǐng)域具有典型的應(yīng)用價(jià)值。

        2 系統(tǒng)原理概述

        設(shè)計(jì)中,對(duì)晶閘管的控制采用的是移相控制技術(shù)[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(fā)電路、觸發(fā)信號(hào)調(diào)理電路、整流濾波及平波電抗器、故障保護(hù)電路構(gòu)成,系統(tǒng)框圖如圖1所示。

        圖1 系統(tǒng)電路框圖

        同步變壓器用于三相交流電的相位識(shí)別與降壓隔離,為SCR的控制提供同步信號(hào)。移相觸發(fā)電路的功能是檢測(cè)同步變壓器的過零點(diǎn)和極性,并通過控制片內(nèi)三個(gè)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(diǎn),交相信號(hào)與調(diào)制脈沖共同形成觸發(fā)脈沖,經(jīng)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(duì)應(yīng)可控硅觸發(fā)角在180°~0°變化[4],為實(shí)現(xiàn)移相控制電壓與觸發(fā)角變化趨勢(shì)一致,設(shè)計(jì)中加入了觸發(fā)控制信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換Vr極性。

        3 功能模塊設(shè)計(jì)

        3.1 同步相位采集模塊設(shè)計(jì)

        同步相位采集電路如圖1,用于三相交流電的相位識(shí)別及隔離降壓。調(diào)節(jié)R1~R3電位器的阻值可實(shí)現(xiàn)0°~30°的微調(diào)移相,用于適應(yīng)不同主變壓器連接的需要,使同步信號(hào)與主系統(tǒng)更好地適配,同步電壓取27V。變壓器一次側(cè)采用△接法,二次側(cè)采用Y接法,變壓器的中點(diǎn)接至直流電源的地上。RC濾波網(wǎng)絡(luò)消除同步信號(hào)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(hào)。

        圖2 同步相位采集電路

        3.2 移相觸發(fā)模塊設(shè)計(jì)

        移相觸發(fā)控制模塊的設(shè)計(jì)采用國產(chǎn)化集成電路TC787AP,其相比由運(yùn)放、二極管、三極管、電容、電阻等器件構(gòu)成的模擬電路,具有集成度高、抗干擾能力強(qiáng)、移相范圍寬、調(diào)試方便、故障率低等優(yōu)點(diǎn),能夠同時(shí)完成過零和極性檢測(cè)、鋸齒波生成、電壓比較、抗干擾鎖定、脈沖形成、故障保護(hù)等功能[5],外圍配置電路見圖3,本設(shè)計(jì)采用單電源15V供電。

        圖3 移相觸發(fā)控制電路

        3.3 觸發(fā)信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

        移相觸發(fā)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(shì)與輸入控制電壓一致,設(shè)計(jì)了觸發(fā)信號(hào)調(diào)理電路用于轉(zhuǎn)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(dòng)時(shí)間,U1B運(yùn)放實(shí)現(xiàn)電壓跟隨功能,提高輸入阻抗,U1A運(yùn)放實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算。假設(shè)U1B的輸出為Ui,由運(yùn)放的虛短、虛斷特性可推導(dǎo)出Vr與Ui的關(guān)系為Vr=15V-Ui。 由于電路中Z1穩(wěn)壓管的箝位作用,Vr的最高電壓為12V。

        圖4 觸發(fā)信號(hào)調(diào)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(dòng),為使輸出波形更加平滑通常在輸出側(cè)并聯(lián)較大容量的電容器,然而電容器的存在同樣會(huì)導(dǎo)致直流輸出接通瞬間電網(wǎng)電流畸變和諧波的產(chǎn)生。為抑制輸入側(cè)電流畸變,本文在設(shè)計(jì)電路時(shí)在三相電源側(cè)加入平波電抗器[6],根據(jù)電抗器壓降為額定電壓的4%計(jì)算,電抗器的電感量選型計(jì)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(jì)算電感量L約為0.128mH。此外為防止感性負(fù)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(lián)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(shè)計(jì)與故障保護(hù)

        熱設(shè)計(jì)是功率產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié),是提高產(chǎn)品的性能及可靠性、縮短開發(fā)周期、降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)的重要手段[8]。整流單元主要考慮的熱設(shè)計(jì)對(duì)象是整流橋模塊(功率100kW),三只集成整流模塊總發(fā)熱功耗約為240W,采用風(fēng)冷散熱,風(fēng)扇型號(hào)FFB0612DHE,轉(zhuǎn)速13000RPM,最大風(fēng)量1.97m3/min。整流橋模塊安裝于鋁質(zhì)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(tái)[9]進(jìn)行熱仿真(圖6),環(huán)境溫度35℃。結(jié)果表明,該抽風(fēng)式散熱設(shè)計(jì)可保證產(chǎn)品的散熱效果,熱平衡后機(jī)箱內(nèi)最大溫升為25℃。

        圖6 整流電源熱仿真模型與結(jié)果

        同時(shí)為防止仿真與實(shí)際產(chǎn)品存在較大差距,設(shè)計(jì)了溫度分級(jí)保護(hù)[10]及過熱停機(jī)電路,如圖7所示,默認(rèn)開機(jī)時(shí)3只風(fēng)扇工作,溫度超過50℃時(shí)接入2只備用風(fēng)扇,超過80℃時(shí)溫度開關(guān)T2輸出高電平封鎖TC787AP的脈沖輸出關(guān)閉整流單元。

        圖7 溫度預(yù)警與過熱保護(hù)

        4 試驗(yàn)與應(yīng)用驗(yàn)證

        為驗(yàn)證緩輸出式整流單元設(shè)計(jì)的正確性和可行性,產(chǎn)品研制完成后進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。在環(huán)境溫度35℃、負(fù)載100kW條件下對(duì)整流單元進(jìn)行了功能、隨機(jī)振動(dòng)、溫度沖擊、溫升、老煉等各項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)試并交付航天某院所裝機(jī)應(yīng)用。結(jié)果表明,穩(wěn)定運(yùn)行溫度58℃,整流電壓上升時(shí)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(yōu)勢(shì)。

        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(jié)語

        電壓緩輸出式三相整流單元的電壓輸出平緩,對(duì)電網(wǎng)造成的諧波干擾低,溫升小,性能穩(wěn)定可靠,能夠有效避免對(duì)負(fù)載的沖擊,滿足工程應(yīng)用需求。

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