浅谈发动机硅整流启动电源柜的改进设计

王生春，韩云龙，刘桂英，陈新，李新，王晓言，吴瑞斌

（中国石油集团济柴动力有限公司，山东 济南 250306）

本文设计的硅整流起动电源柜是以某公司12V燃气发电机组所配的直流起动马达为研究对象。该起动电源输入采用交流380V电源，经变压器隔离降压及硅整流桥式整流转换成直流24V输出，可作为最大起动电流不超过3000A的直流电机的理想起动电源。该起动柜能满足机组在各种工况下，尤其是在冬季气温较低等非常规情况下的起动要求，具有故障报警，过载、短路自保护功能，抗干扰能力强。

1 工作原理

采用变压器及硅整流二极管方式，整体结构要充分考虑整流二极管及变压器的散热，容量上要有充分的余量。启动电源柜输入交流380V电源，经变压器隔离降压及桥式整流电路转换输出24V直流电源，最大输出电流不低于3000A，给发动机直流起动马达提供起动电源。启动电源柜具有自保护功能，在正常工作中如因故障出现输出电压低于9V，交流接触器自动断开，切断输入电源，防止硅整流二极管及变压器烧坏。启动电源应设有电源、工作指示灯及电压、电流指示仪表。外壳配有安全接地螺栓。启动电源柜结构为四轮移动式方便移动操作。

2 技术分析

2．1 电路设计

2．1．1 按组成的器件可分为不可控电路、半控电路、全控电路三种

（1）不可控整流电路完全由不可控二极管组成，电路结构一定后其直流整流电压和交流电源电压值的比是固定不变的。

（2）半控整流电路由可控元件和二极管混合组成，在这种电路中，负载电源极性不能改变，但平均值可以调节。

（3）在全控整流电路中，所有的整流元件都是可控的（SCR、GTR、GTO等），其输出直流电压的平均值及极性可以通过控制元件的导通状况而得到调节，在这种电路中，功率既可以由电源向负载传送，也可以由负载反馈给电源，即所谓的有源逆变。

2．1．2 按电路结构可分为零式电路和桥式电路

（1）零式电路指带零点或中性点的电路，又称半波电路。它的特点所有整流元件的阴极(或阳极)都接到一个公共接点，向直流负载供电，负载的另一根线接到交流电源的零点。

（2）桥式电路实际上是由两个半波电路串联而成，故又称全波电路。

2．2 隔离变压器的选择

变压器根据设计电路可选用单相隔离变压器或者三相整流变压器，当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流变压器，但变压器的设计容量不宜过小，容量过小则启动时电压降比较大，输出电流达不到启动要求，若设计容量太大，则成本过高。

3 设计方案

3．1 单相桥式全波整流

3．1．1 电路分析

单相桥式全波整流如图1所示。

图1 单相桥式全波整流

输出电压 VL波形的傅立叶级数：

其中恒定分量即为负载电压VL的平均值：VL=2V2／π=0.9V2

直流电流则为：IL=0.9V2／RL

整流二极管平均电流：ID=1／2 IL=0.45V2／RL

整流二极管承受的最大反向电压：VRM=V2

3．1．2 元器件选择

（1）隔离变压器选择。单相隔离降压变压器输入为交流380V，考虑到直流起动马达在机组起动过程中的压降，整流二极管输出电压及负载电压VL为31V，并根据以上电路计算出变压器输出侧空载电压为34V，变压器容量即为直流起动马达的额定功率14kW。

（2）硅整流二极管。机组直流起动马达在起动发动机的额定电流为1000～1500A，所以整流二极管平均电流为500～750A。故选择500A的整流二极管，考虑到硅整流二极管在一定的时间内还有过载能力，经过反复试验，完全满足启动要求。

（3）其他元器件的选择。为尽量较小因起动电缆在起动过程中带来的压降，输出起动电缆选用YH1×120mm2优质低压大电流电焊机专用电缆；其他元器件的选型，分别对各个品牌元器件的质量、性能、外观、价格等因素进行综合评价，最终选择性价比高、性能可靠元器件。

3．2 三相半波整流电路

3．2．1 电路分析

三相整流电路中，最基本的是三相半波整流电路，为得到零线，整流变压器副边接成星形，有个公共零点，而一次侧接成三角形，避免3次谐波电流流入电网，所以也叫三相零式电路，如图2所示。

图2

在半波整流电路中，三相中的每一相都和零线单独形成了半波整流电路，其整流出的三个电压半波在时间上依次相差叠加，并且整流输出波形不过点，其最低点电压Umin=Up×sin[(1/2)×(180°-120°)]=(1/2)Up。式中的Up是交流电压输入幅值。

三个二极管分别接入a，b，c三相电源，它们的阴极连接在一起，称为共阴极接法，此时，三个二极管对应的相电压中哪一个的值较大，则该相对应的二级管导通，并使另两相的二极管承受反压关断，输出整流电压即为该相的相电压，如图3所示。

图3

在一个周期中，器件工作情况如下：在wt1～wt2，a相电压最高，VD1导通；在wt2～wt3，b相电压最高，VD2导通，在wt3～wt4，c相电压最高，VD3导通。此后，在下一周期相当于wt1的位置即wt4的时刻，VD1又导通，如此重复前一周期的工作情况。因此，一周中VD1、VD2、VD3轮流导通。每管各导通120°。在相电压的交点wt1、wt2、wt3处，均出现了二极管换相，即电流由一个二极管向另一个二极管转移，称这些交点为自然换相点。在一个周期内三相轮流导通，负载上得到脉动直流电压Ud，其波形是连续的。电流波形与电压波形相似，这时，每只二极管导通角为120°，负载上电压平均值为：

式中：Ud为输出电压平均值；UA为相电压有效值。

考虑到直流起动马达在机组起动过程中的压降，整流二极管输出电压及负载电压为31V，并根据以上电路计算出三相整流变压器输出侧空载线电压为46V。

3．2．2 元器件选择

（1）三相整流变压器。根据以上电路分析，三相整流变压器一次侧接成三角形，二次侧必须接成星形，有个公共零点，接线方式：Dyn11。变压器输入电压为三相交流380V，频率50Hz，考虑到直流起动马达在机组起动过程中的压降，整流二极管输出电压及负载电压为31V，并根据以上电路计算出三相整流变压器输出侧空载线电压为46V，容量为33kVA(每相11kVA)，变压器由冷轧矽钢片迭成方形或圆形铁芯，三相线圈均经浸漆处理，具有一定的耐潮及散热性能，初、次级绕组独立。变压器为空气自冷式，在额定负载中能长期稳定工作。

（2）硅整流二极管。采用3只1500A平板型硅整流二极管（正向平均输出电流可达到3000A）元件，配平板型散热器。

（3）其他元器件的选择。为尽量减小因起动电缆在起动过程中所带来压降，输出起动电缆选用YH1×120mm2优质低压大电流电焊机专用电缆；其他元器件的选型，分别对各个品牌元器件的质量、性能、外观、价格等因素进行综合评价，最终选择性价比高、性能可靠元器件。

3．3 启动柜结构设计

在启动柜外形结构的设计上，参考各种同类控制产品外形结构，经过仔细测量计算，综合考虑提出比较新颖的外形设计（图4），柜体采用2mm厚优质冷轧板，可以委托专业壳体制造厂家进行加工制造。

图4 外形尺寸设计

4 工作方式

硅整流启动柜工作方式为短时工作，每次持续时间：≤15s，如长时间可能损坏启动马达，两次启动时间间隔为3分钟。启动柜应能满足发动机在各种工况下，尤其是在冬季气温较低等非常规情况下的起动要求。启动柜应具有故障报警，过载、短路自保护功能。

5 结语

（1）硅整流启动电源柜完全可以取代传统的启动蓄电池，使用方便，性能可靠，并能安全快捷地起动机组。目前，硅整流启动电源柜已大规模应用于配备直流启动马达的大功率内燃机，并且能满足机组在各种工况下，尤其是在冬季气温较低等非常规情况下的起动要求，为发动机提供可靠的起动保障，将成为发动机理想的起动电源。

（2）以上两种设计方案各有利弊，单相桥式全波整流电路方案结构紧凑，体积小，经济实用，但是对于大容量直流启动马达或要求直流电压脉动较小时，应采用三相半波整流电路，它的缺点是造价高、体积大，因此，应根据实际需求选用。

（3）在该起动柜的设计的过程中，我查阅了很多相关资料，使我对整流电路有了更深刻的认识，同时也使我感觉到设计一个新产品除了需要有扎实的理论基础，还需要考虑在实际情况中的种种因素，这为自己以后更好地完善该产品以及进行新产品的开发打下了良好的基础。