碳化硅单晶炉供电系统电能质量分析及技术改造

2016-07-15新疆天科合达蓝光半导体有限公司石河子市832000杜广平

石河子科技 2016年3期

关键词：电能质量碳化硅谐波

（新疆天科合达蓝光半导体有限公司，石河子市，832000）杜广平

（新疆天科合达蓝光半导体有限公司，石河子市，832000）杜广平

摘要针对碳化硅单晶炉供电系统的电能质量状况，对产生谐波的原因及对电网造成的危害进行了分析。通过对该类负载的特性分析，提出了采用有源电力滤波器进行电能质量治理的解决方案，并取得了很好的滤波和节能效果。

关键词碳化硅；单晶炉；电能质量；谐波

碳化硅单晶体作为一种新型的半导体材料,以其优良的物理特性和电学特性成为制造高频、大功率、耐高温、抗辐照的半导体器件的优选材料，可用于地面核反应堆系统的监控、原油勘探、环境监测及航空、航天、雷达、通讯系统和大功率的电子转换器等领域。在高频大功率和高电压器件领域内发挥着重要作用。特别适合在极端条件和恶劣条件下应用。

碳化硅单晶体的生长条件苛刻，需要在2 100℃～2 400℃保持高真空6～7d，因此对单晶炉供电系统的电能质量和稳定性要求高。目前人工合成碳化硅单晶体主要采用单晶生长炉，与其配套使用的中频加热电源多采用可控硅整流电路，中频加热电源向电网注入了大量的谐波电流，导致电网畸变严重，严重影响了碳化硅的正常生长及品质。研究单晶炉供电系统的电能质量问题对提高碳化硅成品率有着重要的意义。

1　碳化硅晶体的生长特性及单晶炉供电要求

碳化硅单晶具有高硬度、高导热率等品质，其生长条件比较苛刻。碳化硅晶体生长比较成熟的方法是物理气相输运（PVT）法生长SiC单晶，这种方法对单晶炉内温度的控制要求都非常严格。温度控制不好，不仅影响晶体的生长速度、外形尺寸、重量，还会导致晶体中出现微管、凹坑、多晶等严重缺陷，降低晶体的质量。生成碳化硅常用的提拉机构还会对籽晶进行旋转、提拉，任何外界干扰导致电机的震动都会影响到晶体的生长及最终品质。因而单晶炉的供电系统对电能质量有着非常高的要求，其用电质量要保证不能对控制系统中的温度信号采集和PLC系统控制信号产生干扰，更不能影响提拉机构的伺服电机正常运转。

2　单晶炉供电系统电能质量问题及谐波危害

2.1单晶炉供电系统电能质量问题

碳化硅单晶炉除真空室以外，还包括真空测量设备、IGBT中频加热设备和提拉运动设备，其中含有变频器、IGBT大功率中频电源、大容量可控硅整流器等非线性负荷。这些负荷会导致电流波形发生畸变，产生高频次的谐波电流，影响其他设备的正常工作。以变频器、大容量可控硅整流器为例，其包含的三相六脉冲整流电路产生的5次、7次谐波含量最高，其危害也最严重。IGBT中频电源产生的中频泄露虽然幅值不高，但由于谐波频率较高，对控制系统的影响也不可忽视。由于谐波源产生的谐波电流能够回灌电网，通过回路阻抗产生谐波电压，导致整个供电系统的电网电压发生畸变，影响到供电系统所有设备的用电质量。

2.2谐波对单晶炉系统的主要危害

（1）产生脉动转矩致使伺服电机发生机械振动、噪声和过电压，不仅影响晶体生长，还降低伺服电机使用寿命；（2）高频谐波会干扰邻近的电力电子设备、工业控制设备和通讯设备，导致温度信号采样和PLC控制信号发生错误，影响设备的正常运行，降低单晶的成品率；还会造成PLC等控制系统的控制模块发生莫名其妙损坏：（3）由于涡流和集肤效应，使电机、变压器、输电线路等产生附加功率损耗而过热，浪费电能并加速线路和设备绝缘材料的老化，大量3次谐波电流流过中线时会使线路过热其至发生火灾，谐波电压正比于其峰值电压的形式增强了绝缘介质的电场强度，降低设备使用寿命；（4）谐波会改变保护继电器的动作特性，引起继电保护设施的误动作，造成继电保护等自动装置工作紊乱，会使电气仪表计量不准确

根据上述分析，由于供电系统中含有大量非线性负荷产生的谐波，导致电能质量状况恶劣，不仅影响了单晶炉的正常工作，还对供电系统的安全生产带来危害，必须采取谐波治理措施提高电能质量，净化用电环境。

3　碳化硅单晶炉供电电能质量的改造方案

目前，治理电网谐波最有效、性价比最高的方法就是APF：Active Power Filter，中文名称“有源电力滤波器”，工作原理是：利用瞬时功率理论检出负荷的当前时刻谐波成分，然后利用逆变技术发出需要补偿的谐波电流；它相当于一个谐波发电机。用于高效的滤除系统中的电流谐波，清洁电网，减小干扰。通过其多样化的电能质量治理功能和高效率的补偿能力，全面改善电网环境。

图1　有源电力滤波器工作原理简图

3.1有源电力滤波器的特点

有源电力滤波器是一种用于动态抑制电力谐波、动态补偿无功功率并校正三相不平衡的新型电力电子设备，具有以下特点：

（1）主控制器采用多DSP协同控制，控制精度高、响应速度快。（2）采用FFT或瞬时无功理论，既可分次滤除谐波，也可全部滤除；同时滤除多达20多种谐波，最高可滤除50次谐波；对目标谐波，有效滤除能力达98%。（3）通过补偿电流发生器纹波交错对消技术，大幅降低了输出电流中的开关纹波，从而降低了输出电感，提高了变流器的电流跟踪能力，同时也降低了输出电抗器的损耗和噪音，避免了对电网的二次污染。（4）采用低损耗微晶合金磁芯电抗器，噪声低，效率高。该类型电抗器所用环型合金磁芯具有饱和磁通密度高、高频损耗低、分布气隙结构等特点，是有源电力滤波器高功率密度、高效率、低噪声技术特征的重要保证。（5）具有谐波、无功综合补偿功能，可分滤波优先、无功优先、只滤谐波、只补无功4种工作模式，满足各种供电系统补偿需求；同时具有平衡补偿功能，可自动平衡各相之间的负载电流大小。

3.2有源滤波设备的容量选型原则

目前配备无功补偿设备的容量一般根据变压器容量确定，通常定为变压器容量的30%。对于已经使用的用电项目，追加无功补偿设备时，可以按上述原则配备变压器容量的30%，也可以根据实测的无功功率进行配备。

有源电力滤波器的使用尚不普遍，目前大多是对已经投运的用电项目根据实测数据进行容量配备。例如某公司用电负荷最大电流约500A，最大谐波畸变率约15%，500×15%＝75A，可以配备一台75A的APF。而通常在选择容量时，根据实测结果还要考虑10%～15%的裕量，比如75×1.15＝86.25A，那么可以选择100A容量的APF，或者仍选择75A的，但谐波治理效果稍微差一些，但是这样可以给降低技改投资。

4　在单晶炉供电系统中的应用比较

单晶生产车间对其中一条单晶炉生产线进行电能质量测试及治理，通过技术改造前后的数据比较，验证有源电力滤波器对单晶炉供电系统的电能质量治理效果。通过对该单晶生产车间用电负荷的测试，得知单晶炉供电系统中，由于加热源存在整流电路导致供电系统中含有大量的5次、7次等高次谐波，选定一条带12个晶体炉的生产线，安装1台小容量的有源电力滤波器进行谐波治理实验。

为了验证对特征次谐波的滤波效果，滤波器滤波次数调整到15次。从对比数据中可以看出，从有源滤波器启动后，负载的电流波形接近正弦波，电流畸变率从37.58%降低到14.06%，5次、7次、11次、13次谐波电流已基本消除。从功率表和电能表中可以看出，在有功功率稍微增加的情况下，总电流反而有所下降，说明用电设备的利用率得到提升，起到了节能降耗的效果，而总功率因数的提高也验证了这一结论。根据单晶生产车间的技术总结，技改以后设备故障率有所降低，单晶成品率有小幅的提高，今后能大规模推广使用有源电力滤波器会产生更加明显的经济效益。