多晶硅电源中无极调压技术应用的可行性实验及数据分析_周方.pdf

照明电器 2023 年 第 1 期 总第 176 期 光源与照明142文章编号：2096-9317（2023）01-0142-05多晶硅电源中无极调压技术应用的可行性实验及数据分析周 方中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710054摘要：近年来，电力电子技术快速发展，通过并联晶闸管组对的方式实现电路电压的无极调节成为可能。通过对多晶硅电源控制原理的分析与数据计算，确立无极调压为多晶硅电源控制的理论依据。针对该电源核心电路进行可行性实验，结果表明基于无极调压技术原理建立的系统能够完成对多晶硅电源输出电压的连续控制，具有一定的实践应用价值。关键词：晶闸管；无极调压；多晶硅电源分类号：TN860引言传统无极调压技术利用电位器确保电路电压、电流在一定范围内连续可调。调节曲线较为平滑，但输出电压、电流幅值较小，可调范围受限，不能满足多晶硅电源等大型电加热电源设备的要求。如果合理组合电力电子开关，应用无极调压技术，能够满足多晶硅电源电压电流高幅值、大跨度连续调节的使用要求。1无极调压技术原理及可行性分析无极调压也称为顺序调压，是利用并联的晶闸管组将至少 2 个相位相同但幅值不同的交流电源以移相控制方式进行顺序触发1。无极调压电路如图 1 所示，图中，un(t)和 u1(t)为交流电压源，Tn1/Tn2 和T11/T12 为晶闸管对，Rs为硅棒电阻。一阶无极调压电路输出波形如图 2 所示，图中，1和 2为导通角，和为反向导通角。对应交流电压源电压值，u1(x)=，其中，un和 u1为对应电压源电压有效值；u2(t)为一阶调压时对应交流电压源电压值，u2(t)=，其中，u2为一阶调压时对应电压源电压有效值。令 t=x，得，T=2。从图 2 可以看出，u(t)是奇谐波函数。现对 u(t)进行傅里叶变换，得：（1）其中：（2）作者简介：周方，男，硕士，工程师，研究方向为电气工程。un(t)u1(t)RsT11T12Tn1Tn2图 1无极调压电路图电压 U/V120u时间 t/s图 2一阶无极调压电路输出波形光源与照明 总第 176 期 2023 年 1 月 照明电器143（3）（4）式中：a0、an、bn为傅里叶变换因子；T 为周期；u为电压。令，有：（5）可得：（6）（7）（8）（9）式中：a1、b1为傅里叶变换一阶因子；a0为傅里叶变换基阶因子；U1、U2为一阶电压实际有效值；u 为电压。基波电压，基波电流 i1(x)=。令，且 P 1；。则基波电流 i1(x)为（10）输出电压有效值 U 为（11）基波相角 1为（12）电流畸变因子 为（13）基波功率因数 cos 为（14）总功率因数 cos 为cos=cos（15）维持 P 值在 1.3，2.2 之间，且 1 2，当 1=30时，无极调压计算结果如表 1 表 4 所示。其中，THDi为总谐波失真。表 1无极调压计算结果（1=30，P=2515/1300）2coscosTHDi70-9.840.9850.9850.97117.3%80-11.40.9800.9820.96218.4%90-11.70.9790.9830.96218.4%100-12.00.9780.9820.96018.8%110-11.50.9800.9830.96318.4%表 2无极调压计算结果（1=30，P=1300/585）2coscosTHDi70-12.40.9770.9760.95421.9%80-12.70.9760.9760.95321.9%90-13.50.9720.9690.94224.9%100-14.00.9700.9690.94025.1%110-13.20.9740.9700.94524.7%表 3无极调压计算结果（1=30，P=585/360）2coscosTHDi70-10.50.9830.9830.96717.4%80-11.70.9810.9790.96120.4%90-12.70.9760.9760.95322.8%100-13.00.9740.9710.94624.6%110-12.80.9750.9750.95123.3%表 4无极调压计算结果（1=30，P=360/270）2coscosTHDi70-8.570.9890.9880.97715.1%80-9.330.9870.9880.97515.1%90-9.850.9850.9880.97315.1%100-9.980.9850.9900.97515.0%110-9.510.9860.9900.97615.1%数据分析结果如下：照明电器 2023 年 第 1 期 总第 176 期 光源与照明144（1）当 1 30时，2无论取何值相邻两档位曲线拟合度都较高；（2）当 1=30时，2取值在 30 90之间，畸变率上升，2取值在 90 100之间，畸变率达到最大，2取值大于 110以后，2畸变率下降；（3）当 1 30时，随着 1变大，2变大。2取值在 70 120之间时，相邻两档位曲线拟合度较高，2取值超过 120，无极调压基本无实际应用意义；考虑到总功率因数不小于 95%的要求，需对 P=1 300/585 和 P=585/360、2在 90 110之间取值时，1的取值进行修正，具体修正值如表 5 表 6 所示。表 5无极调压计算数据修正（1=35，P=1300/585）2coscosTHDi90-12.60.9760.9760.95321.9%100-12.90.9750.9740.95023.6%110-12.70.9760.9730.95023.6%表 6无极调压计算数据修正（1=35，P=585/360）2coscosTHDi100-11.00.9820.9860.96817.1%通过计算可知，在一般情况下，当低电压等级晶闸管导通角 1=30时，高电压等级晶闸管导通角 2在 30 120之间取值即可满足工作要求，且功率因数、谐波畸变率均能达到国标要求，对电网不会产生太大影响2。无极调压技术在理论上能够实现多晶硅电源电压电流的连续控制。2启动电路实验为了验证多晶硅电源启动电路中无极调压技术应用的可行性，设计了一个启动实验电路，实验电路分为供电单元、控制单元、驱动单元、测量单元四个部分，如图 3 所示。（1）供电单元使用带有电抗器和带有浪涌保护功能断路器的单相多绕组升压变压器，额定输入电压为380 V，频率为 50 Hz，输出电压范围为 0 12 kV 可调，额定输出电流为 185 A，容量为 70 kVA。（2）控制单元由真空接触器、晶闸管模块、阻容吸收模块组成。（3）驱动单元3由 24 V 直流电源、脉冲隔离变压器、晶体管开关组成。（4）测量单元包括 1 台电压互感器、1 台电流互感器和 1 只计时器。启动实验电路工作流程：合上 QF 断路器，晶闸管门极接到脉冲隔离变压器的电磁触发信号，晶闸管开始导通。先合上真空接触器 KM11、KM13，给硅芯施加 12 kV 交流电压，直至硅芯击穿。硅芯击穿后，随着硅芯电压下降，击穿电流不断增大。当电流升至 35 A，真空接触器 KM11、KM13 脱开，真空接触器 KM12、KM13 合上。硅芯在 2 kV 电压下，维持 35 A 电流一段时间，而后真空接触器全部脱开，晶闸管关断，启动实验电路停止工作。将电压、电流信号导出，可得到硅芯电压电流波形，如图 4 所示。时间/min123515201234567电压/kV电流/A图 4启动实验电路波形可以看到，硅芯从施加 12 kV 电压到击穿一共用了 5 min，击穿时电流为 1 A，电压为 5 kV。电流从 1A升至 35 A 维持电流一共用了 1 min，击穿电压电流曲图 3启动实验电路硅芯光源与照明 总第 176 期 2023 年 1 月 照明电器145线斜率较为适合，击穿效果稳定。升流阶段持续时间略短，硅芯电流曲线斜率过大，容易造成硅芯局部温度高，在硅芯连接处存在熔融风险。为了提高启动成功率，可以将升流时间拉长至 2 min，并将升流次数由1 次改为 2 次，每次升流持续 1 min，这样可以降低硅芯熔融风险，保证启动顺利成功。3调功电路实验为了验证无极调压在调功电路中的可行性，根据调功电路设计了一个等效电路，分为供电单元、测量单元、调功单元、驱动单元四个部分，如图 5 所示。（1）供电单元使用带有稳压隔离功能的可调变压器，频率为 50 Hz，额定输入电压为 220 V，额定输出电流为 5 A，容量为 1.1 kVA，输出电压范围为 0 270 V。（2）测量单元使用 2 台万用表测电压和 1 台钳形电流表测电流。（3）调功单元由熔断器、晶闸管模块、阻容吸收模块组成，晶闸管选型4如表 6 所示。（4）驱动单元由 24 V 直流电源、MSC 控制器、光电转化板及光纤构成。需要的材料：单相交流电源、隔离变压器 TMo、可调自耦变压器 TM1、负载电阻箱及导线若干、示波器（1 台，带线）。线路连接完毕后，将 T1 档晶闸管门极输出接示波器通道 1，T2 档晶闸管门极输出接示波器通道 2，V1 输出接示波器通道 3，A1 输出接示波器通道 4。等效调功电路工作流程：合上交流电源开关，调节 TM1 抽头 a 位置，当 V 显示电压在 180 V 时，固定抽头 a 位置。通过 MSC 设置导通角 2=30，T2 档晶闸管门极接到光电触发信号，T2 档晶闸管导通。得到 V1 波形如图 6 所示，A1 波形如图 7 所示。时间/s电压/V图 61=180、2=30时的 V1 波形图电流/A时间/s图 71=180、2=30时的 A1 波形图图 5等效调功电路表 6等效调功电路晶闸管选型电压档位/V额定电流/A开合电压UFM/V开合电流IT/A击穿电压UV/V击穿电流IV/A2704.073822.0080041806.112552.756005电源负载导通关断门极触发电路 照明电器 2023 年 第 1 期 总第 176 期 光源与照明146再通过 MSC 设置导通角 1=100，T1 档晶闸管门极接到光电触发信号，T1 档晶闸管导通。得到 V1波形如图 8 所示，A1 波形如图 9 所示。电压/V时间/s图 81=100、2=30时的 V1 波形图电流/A时间/s图 91=100、2=30时的 A1 波形图无极调压输出电压电流波形相较于单纯的移相调压5更平缓，经计算可得 2=30、P=270/180 时，等效电路无极调压数据计算结果如表 7 所示。无极调压功率因数相较于单纯的移相调压有显著提升，总功率因数均超过 95%。表 7等效电路无极调压计算结果2coscosTHDi70-9.410.9870.9850.97216.4%80-9.870.9850.9800.96517.7%90-10.140.9840.9710.95522.1%100-10.690.9830.9710.95421.8%110-9.970.9870.9700.95719.9%T1、T2 档晶闸管开始工作时，通道 1、通道 2 输出电压波形如图 10 所示。空载触发电压峰值为 16 V，负载触发电压为 8 V，脉宽为 20 s。测量触发板输出端电压是为了检测不同触发板送出触发信号的时间差，可通过比较不同触发板所发出触发信号的起始时间差和峰值时间差获得。触发板脉冲电压时间差 t1和 t2如图 11 所示。结合图 10 和图 11 可知：t1=2s，t2=2.5 s。工频电压周期时长为 20 s，导通角活动区间跨度为30 110，时长占比为 1/4：（16）触发时间差合适，输出电压电流波形拟合度高。4结束语文章通过对无极调压原理的分析与数据计算，确立了无极调压技术用于多晶硅电源控制的理论可行性。为了验证关于多晶硅电源主电路的设想，分别对启动电路和调功电路进行了可行性实验。实验结果表明应用无极调压技术原理建立的系统能够完成对多晶硅电源输出电压电流的连续控制。参考文献1 浣喜明,姚为正.电力电子技术M.北京:高等教育出版社,2011.2