一种缓启动型三相可控整流电源的设计与应用研究

刘 凯，邓 银，张红静，骆廷亮

(中国振华电子集团贵州振华群英电器有限公司，贵州贵阳，550018)

1 引言

随着电力电子技术的迅猛发展，交流电源系统的电能质量问题也备受关注[1]。三相全波桥式可控整流作为交直流电能转换的重要手段，因其整流负载容量大、直流脉动小的优点在工程应用上被广泛采用。晶闸管因其大电流高电压、低成本及成熟的技术等优点而在三相整流电路中被广泛采用[2]。工业上常用的整流电路分为全控型和半控型，全控型整流电路的输出电压平均值及极性可通过控制元件的导通状况进行调节，控制灵活，但整流器件SCR存在惯性迟滞、功耗较高。而半控全波整流采用可控元件SCR和整流二极管混合组成，这种整流电路功耗低，线路简单经济，负载电源电压平均值调节方便。

本文提出的三相全波桥式整流电路采用半控方式，即采用三只晶闸管和三只二极管构成，一方面二极管无惯性功耗低，另一方面晶闸管能够调节整流输出的电压值，通过控制SCR的导通角使整流输出电压缓慢增加，降低输出端滤波电容对电网造成的谐波干扰，在交直流供配电领域具有典型的应用价值。

2 系统原理概述

设计中，对晶闸管的控制采用的是移相控制技术[3]，即电压缓输出式三相桥式半控整流单元(功率100kW)由同步相位采集电路、移相触发电路、触发信号调理电路、整流滤波及平波电抗器、故障保护电路构成，系统框图如图1所示。

图1 系统电路框图

同步变压器用于三相交流电的相位识别与降压隔离，为SCR的控制提供同步信号。移相触发电路的功能是检测同步变压器的过零点和极性，并通过控制片内三个恒流源的输出，在Ca、Cb、Cc电容上积分形成锯齿波，锯齿波与移相控制电压Vr比较形成交相点，交相信号与调制脉冲共同形成触发脉冲，经脉冲变压器隔离后控制整流桥中的SCR。因移相控制电压Vr 0～12V变化对应可控硅触发角在180°～0°变化[4]，为实现移相控制电压与触发角变化趋势一致，设计中加入了触发控制信号调理电路转换Vr极性。

3 功能模块设计

3.1 同步相位采集模块设计

同步相位采集电路如图1，用于三相交流电的相位识别及隔离降压。调节R1～R3电位器的阻值可实现0°～30°的微调移相，用于适应不同主变压器连接的需要，使同步信号与主系统更好地适配，同步电压取27V。变压器一次侧采用△接法，二次侧采用Y接法，变压器的中点接至直流电源的地上。RC滤波网络消除同步信号中的畸变与干扰，为移相控制电路TC787提供正确、安全的相位信号。

图2 同步相位采集电路

3.2 移相触发模块设计

移相触发控制模块的设计采用国产化集成电路TC787AP，其相比由运放、二极管、三极管、电容、电阻等器件构成的模拟电路，具有集成度高、抗干扰能力强、移相范围宽、调试方便、故障率低等优点，能够同时完成过零和极性检测、锯齿波生成、电压比较、抗干扰锁定、脉冲形成、故障保护等功能[5]，外围配置电路见图3，本设计采用单电源15V供电。

图3 移相触发控制电路

3.3 触发信号调理电路设计

移相触发集成电路TC787AP的移相控制电压Vr范围为12V～0V，而输入控制为RC斜坡电压上升电路，为使整流输出电压的变化趋势与输入控制电压一致，设计了触发信号调理电路用于转换输入控制电压的极性，见图4。其中，R48、C19、C20用于控制软启动时间，U1B运放实现电压跟随功能，提高输入阻抗，U1A运放实现减法运算。假设U1B的输出为Ui，由运放的虚短、虚断特性可推导出Vr与Ui的关系为Vr=15V-Ui。 由于电路中Z1稳压管的箝位作用，Vr的最高电压为12V。

图4 触发信号调理电路

uo=VrR19=R23=R24=R47

3.4 整流滤波及平波电抗

晶闸管整流后的直流输出存在电压波动，为使输出波形更加平滑通常在输出侧并联较大容量的电容器，然而电容器的存在同样会导致直流输出接通瞬间电网电流畸变和谐波的产生。为抑制输入侧电流畸变，本文在设计电路时在三相电源侧加入平波电抗器[6]，根据电抗器压降为额定电压的4%计算，电抗器的电感量选型计算为220*4%=2πfLi。其中，交流电频率f为50Hz，i为总功率折算到三相交流输入的一相电流值，i取200A，计算电感量L约为0.128mH。此外为防止感性负载通断瞬间的dv/dt造成晶闸管击穿损坏，在每只晶闸管两端并联了RC阻容吸收电路[7]，见图5。

图5 整流滤波及平波电抗电路

3.5 热设计与故障保护

热设计是功率产品设计中的重要环节，是提高产品的性能及可靠性、缩短开发周期、降低设计风险的重要手段[8]。整流单元主要考虑的热设计对象是整流桥模块(功率100kW)，三只集成整流模块总发热功耗约为240W，采用风冷散热，风扇型号FFB0612DHE，转速13000RPM，最大风量1.97m3/min。整流桥模块安装于铝质散翅片热器上，散热片厚度6.5mm，间距12.5mm,散热器体积400mm×40mm×410mm，采用ANSYS ICEPAK仿真平台[9]进行热仿真(图6)，环境温度35℃。结果表明，该抽风式散热设计可保证产品的散热效果，热平衡后机箱内最大温升为25℃。

图6 整流电源热仿真模型与结果

同时为防止仿真与实际产品存在较大差距，设计了温度分级保护[10]及过热停机电路，如图7所示，默认开机时3只风扇工作，温度超过50℃时接入2只备用风扇，超过80℃时温度开关T2输出高电平封锁TC787AP的脉冲输出关闭整流单元。

图7 温度预警与过热保护

4 试验与应用验证

为验证缓输出式整流单元设计的正确性和可行性，产品研制完成后进行了相关试验验证。在环境温度35℃、负载100kW条件下对整流单元进行了功能、随机振动、温度冲击、温升、老炼等各项试验测试并交付航天某院所装机应用。结果表明，稳定运行温度58℃，整流电压上升时间约5s、纹波电压≤30V(图8)，输入谐波电流峰值270A(图9)，相比直接输出式整流具有一定优势。

图8 输出电压及纹波

图9 输入谐波电流(电流探头比值：1A/V)

5 结语

电压缓输出式三相整流单元的电压输出平缓，对电网造成的谐波干扰低，温升小，性能稳定可靠，能够有效避免对负载的冲击，满足工程应用需求。