大功率中频电源软启动方法的研究

任国臣，任轩呈，姜丕杰

大功率中频电源软启动方法的研究

任国臣1，任轩呈2，姜丕杰1

（1.辽宁工业大学 电气工程学院，辽宁 锦州 121001；2.宁夏欣广曜商贸有限公司，宁夏 银川 750000）

针对大功率中频电源的三相整流滤波电路存在非常大的电容，直流电压建立太快，会产生短路效应，造成电源跳闸的问题，提出了一种基于数字控制实现软启动、抑制冲击电流的方法；阐述了基于数控方法实现软启动的硬件电路设计以及相应的软件控制方法，并通过工程实际应用证明，研究的大功率中频电源启动冲击数控方法，能够有效地抑制启动时冲击电流，解决了由于启动时冲击电流造成的电源跳闸问题。

软启动；双脉冲触发；输出闭锁；擎住电流

大功率中频电源广泛应用于铸造、炼钢、淬火与透热等领域，为我国经济建设与国民经济发展创造了巨大的效益[1]。然而中频电源在实际工程运行中存在启动困难实际问题，而且中频电源功率越大，在启动瞬间冲击电流就越大，启动就越困难。传统电源启动时限制冲击电流的方法可归纳为2种，一种方法是不控整流串联大功率电阻，启动完成之后通过交流接触器将电阻切除。这种方法简单，但缺点是交流接触器体积较大，动作惯性大，一旦进入保护阶段，动作时间将超过15个周波，执行速度较慢，不利于保护功能的实施，而且运行时交流接触器触点接触电阻较大，存在损耗。另一种限制冲击电流的方法是采用晶闸管全控或半控整流方式，通过控制晶闸管导通角实现电压调节，使启动电压缓慢上升，实现软启动。2种方法中后者在大功率电源中应用较广，而且软启动控制器又以数控形式为主，使整体控制电路硬件更加简单，也更容易实现各种软控制及保护算法的应用，消除启动冲击电流。

1 大功率中频电源启动冲击原因分析

大功率中频电源启动冲击原因与其结构密切相关。中频电源结构由三相整流、滤波、中频逆变及谐振负载等主要电路组成，如图1所示。

图1 中频电源组成结构框图

为了保证直流输出电压的平滑特性，通常在整流电路后的滤波电路中加入较大容量的电容。尤其是当电源功率超过20 kW时，滤波电容值从2 000 μF逐渐增大到10 000 μF以上，而此电容对电源的启动将产生较大影响。如果直接启动(不控整流)，则电容相当于短路，在输入电路合闸瞬间将产生较大冲击，浪涌电流可达几百安培，甚至上千安培。这种冲击可造成输入电源电压的降低，引起使用同一线路的其他动力设备产生电压波动，严重时将使中频电源自身保护跳闸，造成启动困难，甚至引起外部三相电馈线跳闸保护。而采用晶闸管全控或半控整流方式，可控制整流部分直流电压上升速率，抑制滤波电容的初始充电电流冲击，能够解决电源启动问题。

2 数控软启动电路的总体结构设计

大功率中频电源启动的主电路有晶闸管全控整流和半控整流2种形式，对于控制器而言半控方式的控制电路硬件更简单。半控整流方式的软启动电路总体结构如图2所示。

图2 软启动电路总体结构

图2中所示的三相整流电路的主电路包括三相整流、滤波电路；控制电路(控制器)包括电压同步、CPU、上电脉冲闭锁、三相触发等电路。工作原理是电压同步电路输出三相电压各相的过零信号，CPU获得电压过零时刻后，开始计时，按照一定的工艺要求调节晶闸管导通角，输出TTL形式的控制脉冲；CPU发出的脉冲，经过驱动电路达到一定强度后触发晶闸管；防止CPU上电过程I/O口可能会出现不确定状态，造成误触发，由上电脉冲闭锁电路暂时闭锁触发脉冲，待CPU上电复位完成后，开放触发驱动电路[2]。此种软启动结构可使整流输出电压范围由0 V直到最大值540 V，满足控制要求。

3 具有软启动功能的整流主电路设计及分析

实现软启动的关键是使三相整流电路的直流输出电压可控，当中频电源功率在500 kW以下时，较多采用三相桥式半控整流电路实现直流电压过渡过程的控制方法。

晶闸管三相半控整流电路结构如图3所示，图中VT1、VT2、VT3为晶闸管，组成共阴极组整流元件，共阴极接线方式；VD1、VD2、VD3为二极管，组成共阳极组整流元件，而且3只二极管分别与对应的晶闸管组成模块结构，某一晶闸管导通范围可以通过三相波形图来分析，三相晶闸管导通方式相同，以A相为例，研究导通角控制方法，如图4所示。

图3 晶闸管半控整流电路

图4 A相连续有效控制范围示意图

在整流过程中，A、B、C三相依次轮流导通，在A相导通之前，C相已先行导通，则A相在30°角之前，晶闸管无法得到正向电压，不满足导通条件。A相在210°～330°时，A相相对于B、C两相为负值，晶闸管同样不满足导通条件。而330°～360°区域临近过零点，过后往往需要重新计算控制角，则这段控制角范围应用意义不大。因此，A相控制角合理范围落在30°～210°，单独控制某相整流可得到相应的直流脉动电压波形。如果整流电路三相受控，由单相波形相差120°和240°叠加形成对称脉动直流输出波形。控制角在30°时输出最大脉动直流电压波形，相控角范围在30°～210°变化时，三相整流直流电压输出范围可由0至最大值。

4 同步电路设计及分析

晶闸管整流电路的控制角是以相电压过零点作参考，由图4可知，每个周波只需1个过零点，即正半周的0°位置，由于控制角范围确定在30°～210°，因此仅在0°～30°角范围内生成同步信号，再由CPU后期校准，即可满足晶闸管控制要求。设计同步电路如图5所示。

图5 同步电路

当某相电压进入正半周之后，电压幅值达到3～5 V，光耦发光，使接收端产生下降沿，负半周出现后，光耦反向截止，发光二极管承受全部反相电压，为防止发光二极管击穿，加入反向并联二极管D2，使反相电压降为0.7 V左右。此电路输出同步信号的下降沿相对于交流电压过零点略有滞后，但对晶闸管而言，最早控制角是在30°，因此，同步信号即使由于电压波动造成延迟，也会落在正半周30°以内，对于触发脉冲发生时刻，总能通过校正延迟时间而获得。为了消除同步电路一致性不足造成的影响，可使触发脉冲宽度大于2°，或采用多脉冲触发。

5 触发电路设计及分析

三相桥式整流电路中，半控整流元件采用晶闸管模块，特点是晶闸管在正半波触发导通，电流过零后自动关断。通过门极触发，使电流迅速上升超过擎住电流，才能维持导通状态。无论何种触发电路都要求输出电压满足幅度和宽度的基本要求，以浙江柳晶整流器有限公司生产的MFC500-16可控硅半控整流大功率混合模块为例，其中关系到触发电路的主要参数为：门极不触发电压VGD小于0.2 V，门极触发电压VGT>3 V，门极触发电流IGT>200 mA，通态电流临界上升率d/d最大100 A/μs。其中对触发脉冲电流要求具有一定的宽度，以保证晶闸管可靠导通[4]。

图6为脉冲触发电路。图中KA是来自CPU的触发控制信号，当KA=1时，压控型MOS管IRF530导通，脉冲变压器初级加入电压，同时次级输出脉冲去触发晶闸管；当KA由1变0时，MOS管关闭，停止脉冲输出。为了防止晶闸管触发端承受反压，加入二极管D8，使反向信号电压截止。发光管DL2用于指示脉冲输出。

图6 触发电路

6 上电脉冲闭锁控制电路设计及分析

软启动电源的数字式控制电路核心是CPU，上电复位时间与复位电路硬件参数有关，时间常数一般都设置在100 ms左右，在这段时间里，CPU没有正常运行，这时I/O口状态极不稳定。在I/O口连接外设的情况下，将对外设产生不利影响，如果这时I/O口输出了等效的控制电平，将造成触发电路工作。触发电路输出脉冲较宽，宽度超过复位时间100 ms，即5个周期，这样在上电最初的这段时间晶闸管可能出现最大导通输出。滤波电容的短路效应出现，系统产生跳闸，无法实现软启动。为了防止上电时I/O输出无序信号而造成触发电路输出脉冲，在软启动电路中加入上电脉冲闭锁控制电路。上电最初0.1 s的时间窗口内闭锁触发脉冲。

设计的上电闭锁电路如图7所示，C5、R404串联组成单稳态电路，R406是放电电阻，R401、R402、R403、R406取值对时间常数也会产生较小影响。充电时间按图中参数进行计算：

=×5≈1.2×100≈0.12 s

图7 上电闭锁电路

电路中Z点和A、B、C点的电平变化相反，上电初始阶段是脉冲触发电路闭锁时间，Z点电压由较高电压逐渐下降，由于0.4 V是三极管导通截止的临界点，大于这一电压时，三极管饱和导通。输出点A、B、C为低电平，触发电路闭锁。小于这一电压之后闭锁电路开放，触发电路有效。

7 软启动软件的实现方法

数字式控制中频电源软启动的软件主要完成A、B、C各相电压过零点捕捉、控制角范围计算及各相触发脉冲控制3大任务。A、B、C各相控制角计算用途是实现同步信号上升沿识别、直流调压的控制角计算。三相电压中各相电压与触发脉冲的位置对应关系如图8所示，电压波形的过零点，对应时间=0时刻，触发脉冲开始发出时刻对应时间1，触发脉冲关闭时刻对应时间点2。1位置在每周期的30°～210°范围内递减，最后稳定停止在30°位置。对应电压变化过程是：电压由0 V逐渐增加到540 V左右，最后稳定在540 V左右永久保持。2位置与触发脉冲序列的数量要求有关，可以是单脉冲和多脉冲。根据图中触发脉冲的时序配合及尽量减少对硬件的过高要求，CPU采用1组定时器完成整体时序的控制，并且定时器在1个周期内完成全部检测及控制功能。

图8 各相电压与触发脉冲的位置对应关系

7.1 软件捕捉电压信号过零点

电压信号过零点就是信号上升沿的位置，及时识别到同步信号上升沿即可获得电压信号过零点，A、B、C三相电压信号过零点捕捉方法一样。过程是利用当前电平与前次电平记录进行比较，若两者相等则说明A、B、C三相中无过零点出现，可快速进入下一个逻辑处理。如果比较结果不等，说明有过零点出现，可能是0°也可能是180°位置，需要进一步排除180°的情况，接下来鉴别上升沿还是下降沿，若当前电平为1则为0°位置，否则为180°，这样即可及时捕捉到各相电压的过零点，图9为捕捉电压过零点逻辑图。

7.2 控制角范围计算

软启动控制的直流电压是按照事先规划的趋势曲线缓慢上升到最大值，三相电压的控制角每个周期要逐渐递增，最后稳定在30°位置。每个周期内要根据同步信号位置以及控制角的调整步长来计算触发角范围，如果是多脉冲触发，则适当放大对应的触发角范围。如果同步电路有时间偏差，可在这里加入时间校正实现相位补偿。

图9 捕捉电压过零点逻辑图

7.3 双脉冲触发

双脉冲触发增加了晶闸管触发的可靠性，同时还可以补偿电压过零点检测误差影响。定时中断到来之后，判断本次运行角的位置是否在控制角范围内，如果在控制角范围内输出高电平“1”，反之则输出低电平“0”，形成触发脉冲。如果控制角范围选择适当，可同理发出多脉冲，实现多脉冲触发。在实际应用中，脉冲触发宽度与定时器中断周期相等，每个电压信号周期会出现多次定时中断，这样有利于简化脉冲宽度控制，节省定时器资源。

8 结论

解决大功率中频电源启动难题，主要解决上电冲击问题，通过实验测得，上电开始到电压达最大值时间若接近2 s，则会听到设备由电磁力引起的机械振动及强烈的冲击声，若小于1 s，则瞬间跳闸，若5 s以上，则平稳实现过渡。对于数字式控制的软启动电源，CPU上电复位过程也不可忽视，若产生触发效应，则同样会产生跳闸。对于CPU可控的电压上升过程，触发角步进的步长不必过小。触发脉宽可采用连续的双脉冲触发，这样可避免电压波动和频率波动造成的影响，双脉冲的每个宽度达2°即可满足晶闸管可靠触发。该方法在50～160 kW的中频电源中获得非常好的效果，在已用的工程中，软启动成功率为100%。

[1] 何勇志. 大功率串并联晶闸管中频电源启动方法的研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2003.

[2] 王依波. 一种上电复位自关断电路[J]. 电子产品世界, 2019(9): 61-62, 57.

[3] 王鲁杨, 程肖肖, 李然. 基于能量转换的三相桥式全控整流电路分析[J]. 科教导刊, 2017(24): 28-29.

[4] 董招辉, 孙崭鹏, 黄嘉琪. 一种用于高压大电流脉冲放电的晶闸管间接强触发电路[J]. 工矿自动化, 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

任国臣(1966-)，男，辽宁锦州人，副教授。

责任编辑：孙 林