高精度大容量双反星形整流电源研究

侯建江，刘玉龙，翟志强，王 伟，范好亮

(1.保定天威保变电气股份有限公司，河北保定 071051；2.河北长孚电气设备有限公司，河北保定 071051)



高精度大容量双反星形整流电源研究

侯建江1，刘玉龙1，翟志强1，王 伟1，范好亮2

(1.保定天威保变电气股份有限公司，河北保定 071051；2.河北长孚电气设备有限公司，河北保定 071051)

在电解电镀、电加热、埋弧焊接等低压大电流、大功率的场合，双反星形整流电源应用广泛，对整流电源的精度要求越来越高。为提高整流电源的精度，在设计中，对双反星形整流电路性能进行了具体分析，在控制系统中，设计了PID电压调节器和PID电流调节器来实现电压和电流的闭环控制，选择ATmega128单片机作为核心控制器,采用RS-485接口实现了主、从设备之间的通信。使用Pspice软件对电路进行仿真，通过仿真和实验证明了设计方法的可行性。

电力电子技术；双反星形整流；PID；远程控制；工业应用

随着工业的发展，AC/DC整流电源在社会的各个领域都得到了广泛的应用[1-2]。整流电路在工业上常用的整流方式有三相桥式整流和双反星形整流[3-11]。三相桥式整流电路一般应用在电压较高的整流电路中，其变压器利用率比较高，在同等功率情况下，可以使用较小容量的整流变压器，但电解电镀、电化学整流电源的最大特点是低电压、大电流、大容量[12-15]。双反星形整流电路与桥式整流电路相比，在同样负载情况下因其桥臂电流平均值是桥式整流电路的1/2，且管压降也是后者的1/2，因此被广泛应用在低电压、大电流系统中。

1 主电路与系统结构

双反星形整流电路如图1所示。其是在两组三相半波电路基础上通过平衡电抗器并联而形成的，下面对双反星形整流电路进行具体分析[4]。

图1 双反星形整流电路Fig.1 Dual star rectifier circuit

设双反星形变压器为理想变压器且三相电网电压对称，电流参考方向如图2所示，由图1和图2可得变压器的原边电流为

(1)

图2 双反星形变压器结构Fig.2 Structure of dual star transformer

根据基尔霍夫第一定律，在图2中，整流系统输入电流为

(2)

将式(1) 代入式(2)中可得：

(3)

为了简化对网侧输入电流的分析，设LR负载电流恒定， 其值为Id。由于整流系统具有对称性，所以两组三相半波平均分配电流，即id1=id2，所以

(4)

(5)

由于相与相之间有120°的相位差，则 b1，c1 相函数为

(6)

三相半波Ⅱ的导通时刻滞后于三相半波Ⅰ组180°，则三相半波Ⅱ组的开关函数为

(7)

因此两组三相半波输入、输出的电流关系为

(8)

(9)

根据式(4)-式(9)对各二极管电流进行傅里叶级数分解可得

(10)

(11)

由式(3)、式(10)和式(11)可得电网a相电流的表达式为

(12)

其中

(13)

由式(13)可知电网a相电流含有(6k±1)次(k=1,2,3，…)谐波。

2 电源控制系统设计与分析

2.1 控制系统结构

为了提高电源控制系统的可靠性，采用了双环控制[1]。在系统中设计了电压PID自动调节器和电流PID自动调节器，外环为电压环，内环为电流环，电压调节器的输出作为电流调节器的输入，用电流调节器的输出去控制晶闸管触发脉冲延迟角的大小，来实现电流和电压的闭环控制。任何系统的外界扰动都可以通过内环和外环的反馈系统来调节，从而稳定电流和电压的输出。

整个系统的控制结构图如图3所示。

图3 控制系统结构图Fig.3 Structure diagram of the control system

在控制系统中单片机选择的是ATmega128单片机。ATmega128单片机可靠性高，功能强，高速度，低功耗，低价位，其快速运算能力完全可以满足通过数字PID对触发角的计算，用其取代DSP大大降低了开发成本。以ATmega128单片机为核心的控制器的硬件结构如图4所示。

图4 以ATmega128单片机为核心的控制器的硬件结构Fig.4 Controller’s hardware based on Atmega128 chip microcomputer

2.2 同步信号的产生和检测

采用某一相相电压信号通过同步检测电路生成的上升沿信号作为同步信号。同时，同步信号A，B，C可以实现相序与缺相检测，根据相序信号可以实现不同相序下的触发脉冲，使设备在现场运行时无需调整进线电源相序。在主电路中，变压器二次侧通常采用星型连接，所以相电压的过零点要比线电压的过零点滞后30°。

用于单片机对于过零点进行检测的电路结构图如图5所示。

图5 同步信号电路结构图Fig.5 Structure diagram of synchronous signal circuit

2.3 晶闸管触发电路

为了防止干扰，触发电路需要加一隔离变压器[4]。另外，晶闸管的驱动电路的作用是使晶闸管按一定的频率和相位开启，为了满足晶闸管的门极对触发脉冲功率的要求，单片机发出的触发脉冲必须经过驱动电路才能加至晶闸管的门极。驱动电路如图6所示。来自单片机较弱的脉冲信号经过光耦隔离后加到晶体管P1的1脚，此时P1导通，变压器的原边产生1个脉冲信号。由于晶闸管属于电流驱动型器件，其触发脉冲的电压值一般为1.5～3 V。经过脉冲变压器后驱动信号有效放大，输出后到达晶闸管的门极G和阴极K。

图6 驱动电路Fig.6 Drive circuit

2.4 电源的通信技术研究

由于RS-485接口具有结构简单、通信速率高等优点，在这里主、从设备之间的硬件的连接是通过RS-485 总线实现的。它支持与单片机控制器的通信，可以以文字、指示灯、棒图、趋势图等形式显示控制器的内部寄存器或继电器的数值及状态[9]。

485通信数据成帧成包的发送，每包24个字节，数据由引导码、地址码、命令码、校检码等部分组成。在485的通信过程中，要注意对485控制端的软件编程。为了确保可靠工作，在485的通信过程中，当485状态总线切换时要做适当的延时，然后再进行数据的收发。当发送有效的数据时，先将控制端置“1”，做适当的延时后(比如1 ms),再进行发送，发送结束后也要做适当的延时，然后再将控制端置“0”。这样确保总线在状态切换时工作稳定。

2.5 故障检测与保护

在控制系统中设计有过压、过流、缺相等多种保护措施，并具有报警显示、自动停机与其他设备联动等功能。

3 电源软件设计

双反星形整流电源的控制系统的软件设计能够实现对输出电流、电压的实时监控，对样机运行过程中出现的过流、过压、缺相等故障，能够通过对控制参数的改变做出相应的提示、报警和保护[13]。

本系统程序由数据采集、转换，串行通信，电流、电压控制等功能模块组成。程序一直处于一个不停的循环过程，对所有的条件做出判断，按照控制要求进行执行，根据上位机发出的命令来实现自动控制。其主程序流程图如图 7所示。

图7 主程序流程图Fig.7 Main program flow chart

4 仿真分析与实验验证

在电源的设计中，使用Pspice软件进行仿真，在纯阻性负载的情况下，输出电流和电压波形是一致的。仿真的电压波形如图8所示，实验输出的电压波形如图9所示。

图8 α=30°，60°，90°时，双反星形整流电路的输出电压Fig.8 Output voltage of the dual star rectifier circuit when α=30°，60°，90°

图9 α=0°，α=30°时，电路的实验输出电压Fig.9 Experimental output voltage when α=0° and α=30°

从图8可以清楚地看出，仿真波形与理论分析一致。图9的实验波形基本符合理论分析和仿真波形。这说明在电源的设计中，所采用方法是可行和正确的。

5 结 语

设计的双反星形整流电源，加入了过压过流、缺相等保护功能，性能稳定，安全可靠，并且通信功能齐全，可通过触摸屏进行参数设定，操作方便，能有效满足一些需要低压大电流电源输出场合的使用需求。

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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；责任编辑：李 穆

国网江西省科技攻关项目(5218D014004M)

侯建江(1964—)，男，河北保定人，硕士，主要从事电力电子技术应用与特种电源方面的研究。

刘玉龙。E-mail:gomes0705@163.com

TM461

A

10.7535/hbgykj.2016yx04006

侯建江，刘玉龙，翟志强，等.高精度大容量双反星形整流电源研究[J].河北工业科技,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.