主要內(nèi)容：本文分析了大型整流裝置的換相過程及換相過電壓形成的原因，并提出降低換相過電壓、減少換相損耗的方案。 關(guān)鍵詞：換相、恢復(fù)電荷、di/dt、阻容保護 前 言 兆瓦級整流裝置一般用于大型同步發(fā)電機勵磁、直流拖動和直流電源，其輸出電壓從幾百伏至一千多伏、輸出電流在一千安培以上至數(shù)千安培，兩千安培以下時可采用單橋運行，兩千安培以上一般采用多橋并聯(lián)方式。由于整流橋工作電壓高、輸出電流大，換相時由整流管反向恢復(fù)引起的換相過電壓和換相損耗比較突出，處理不當(dāng)將引起整流管過電壓大、溫升高，有時不得不采取提高整流管電壓電流等級的方法解決問題，以至裝置成本升高、資源浪費。 換相過程中的關(guān)鍵問題 多數(shù)情況下，負載對直流輸出電壓波紋系數(shù)要求并不高，三相橋式整流已足夠滿足要求，而且負載回路往往具有相當(dāng)大的電感成分，自身即具有很好的濾波效果，因此大型整流裝置的輸出一般可以取消體積大、價格高的濾波裝置。如果負載對電壓波紋要求苛刻，由于輸出電流大，也是采用串聯(lián)電感的方式進行濾波。因此，如果對換相問題不采取措施，系統(tǒng)等效電路如圖1 所示。 從三相電壓波形來看負載電流從A 相過渡到B 相的換相過程，參見圖4，在Ta 時刻前，由于UAC 最大，負載電流IL=Ia，如圖1 所示，從A 相流經(jīng)D1、負載、D2 流入C 相。從Ta 時刻起UBC 最大，因此開始換相，至Tb 時刻換相完畢后，負載電流I[sub]L[/sub]=I[sub]b[/sub]，如圖2 所示，從B 相流經(jīng)D3、負載、D2 流入C 相。我們要分析的第一個問題是在Ta－Tb 之間整流管上的電流變化情況。整流管D1 的電流ID1 從Ta 時刻開始變小，到Tb 時刻ID1=0，但此時換相過程并未結(jié)束，Uba 已為正值，D1 承受反向電壓，由于整流管存在一定的反向恢復(fù)電荷，此時D1 尚未恢復(fù)截止，因此必然存在反向恢復(fù)時間Tr 及反向恢復(fù)電流Ir，如圖3 所示，Ir 從B 相經(jīng)Lr、D3 的正方向、D1 的反方向、流回A 相。Tr 和Ir 是分析整流管反向恢復(fù)特性的重要數(shù)據(jù)，因而我們需要分析的第二個問題是估算Tr 和Ir大小。 在一定的工作電壓和工作電流條件下，線路電抗Lr、整流管的反向恢復(fù)電荷Qr、反向恢復(fù)時間Tr 和反向恢復(fù)電流Ir 的值決定了換相過電壓和換相損耗的大小，而采取合理的措施，可抑制換相過電壓大小、降低換相損耗，這是我們要研究的第三個問題。 換相過程等效計算 L[sub]r[/sub][sub][/sub] 為整流變壓器和線路的等效串聯(lián)電抗，由于它的存在，使得換相需要一定的時間ΔT，即ΔT =T[sub]b[/sub]-T[sub]a[/sub]，在ΔT 時間內(nèi)，I[sub]a[/sub] 逐漸減少，而I[sub]b[/sub] 逐漸增大，兩者均為正向電流，且I[sub]a[/sub]+I[sub]b[/sub]=I[sub]L[/sub]。T[sub]b[/sub] 時刻后， L[sub]r[/sub][sub][/sub] 既限制了反向恢復(fù)電流I[sub]r[/sub] 的增大，又在D1 恢復(fù)截止時產(chǎn)生換相過電壓。當(dāng)然，線路電阻R[sub]r[/sub] 也客觀存在，但在換相過程中di/dt 比較高，L[sub]r[/sub] 的作用遠大于R[sub]r[/sub] 的作用，在此R[sub]r[/sub] 忽略不計。 整流電路在T[sub]a[/sub]-T[sub]b[/sub] 之間的等效電路如圖5 所示，因為ΔT 僅數(shù)百微秒，可認為在T[sub]a[/sub]-T[sub]b[/sub] 內(nèi)dv/dt 不變，故可列出以下簡化方程： i[sub]1 [/sub]的初始值為I[sub]L[/sub]，i[sub]2[/sub] 的初始值為0，U[sub]xm[/sub] 為三相線電壓峰值，現(xiàn)求當(dāng)i[sub]1[/sub]=0 時的t 值，該t 值即為ΔT。 以上方程組可合并為： 如一整流裝置單橋輸出I[sub]L[/sub]=1000A、工作頻率100Hz、ω＝628、三相線電壓峰值Uxm=1000V、線路等效電感Lr＝50uH。則代入①式可求得t=5.6×10-4S，即560uS。 也就是說，從T[sub]a[/sub] 開始（i[sub]2[/sub]=0、I[sub]1[/sub]= I[sub]L[/sub]）經(jīng)過560uS 后，i2=I[sub]L[/sub]、I[sub]1[/sub]=0，到達Tb。此時D1 開始進行反向恢復(fù)，整流管反向恢復(fù)的速度和峰值電流由反向恢復(fù)電荷Q[sub]r[/sub] 和反向di/dt 決定；Q[sub]r[/sub] 取決于整流管的特性和正向電流大小，而反向di/dt 由Uba 和Lr 決定。 在Tb 時刻： Ub[sub]a[/sub]＝ωU[sub]xm[/sub]t＝352V反向恢復(fù)電流變化率 di/dt=Uba/（2Lr）=3.52A/uS 由于反向恢復(fù)過程僅數(shù)十微秒，認為在此過程中Uba 保持不變，故di/dt 也保持不變。如整流管在這種工況下恢復(fù)電荷為2000uC（微庫侖），參考圖6 可估算反向恢復(fù)時間Tr1 約19.4uS，反向恢復(fù)峰值電流Irr 約69A。 當(dāng)反向峰值電流流過整流管后，整流管迅速恢復(fù)截止，恢復(fù)截止的di/dt 大小由整流管特性和工作工況決定，最大di/dt 出現(xiàn)在開始截止處，因此由于線路電感的存在出現(xiàn)換相過電壓，如這種工況下恢復(fù)截止的最大di/dt 為12A/uS，則過電壓大小為L[sub]r[/sub]×di/dt＝1200V，因此如果不采取措施，整流管上的最高電壓將近2200V。另一方面，反向恢復(fù)峰值電流還引起額外的換相損耗，在整流管恢復(fù)截止的過程中，反向峰值電流在線路電感中儲存的能量將消耗在整流管上，該能量總計為0.5×2×L[sub]r[/sub]×I[sub]rr[/sub][sup]2[/sup]×6f＝143W。 改善換相的措施 從換相過電壓和換相損耗的形成機理可知，如果在整流管恢復(fù)截止過程時有足夠大容量的儲能元件將過電壓箝位在一定的值以內(nèi)，則可起到降低換相過電壓的功能。同時，如果儲能元件中多余的能量（反向峰值電流在線路電感中儲存的能量）向負載或消耗電阻釋放，則可降低整流橋換相損耗。 適用于大型整流電路的過電壓保護方式有單管阻容保護方式、全橋阻容保護方式和兩者并用的方式，見圖7 和圖8。 兩種保護線路的原理相同，從整流管正向電流過零開始，反向恢復(fù)電流I[sub]r [/sub]以一定的di/dt 增大，經(jīng)T[sub]r1[/sub] 后達峰值I[sub]rr[/sub]，該電流也流過線路電感，整流管恢復(fù)截止時，反向恢復(fù)電流流經(jīng)RC 回路，只要RC 保護回路取值得當(dāng)，過電壓大小最大可控制在I[sub]rr[/sub]×R 左右，如R 取值5歐姆，當(dāng)I[sub]rr[/sub]＝69A 時，過電壓最大為345V。 單管保護方式中，每只整流管RC 的容量雖然可比全橋保護方式小，但顯然不能小到六分之一，實際應(yīng)用中可比全橋保護方式小一倍的容量，因此單管保護方式中RC 的總?cè)萘恳笕丁５珮虮Ｗo方式的缺點是整流橋內(nèi)部連接部分的分布電感能量仍消耗在整流管上，無法通過RC 回路吸收，在一些快速整流場合（400Hz 以上）如采用快恢復(fù)整流管，整流管恢復(fù)速度快、換相次數(shù)多，就不宜采用全橋保護方式；如果不是快速整流，則換相次數(shù)較少，能量相對較小，應(yīng)采用全橋保護方式，以簡化線路、提高可靠性、降低成本。 設(shè)計RC 保護回路時，應(yīng)先確定電容C、再確定電阻R 的取值。確定電容C 的依據(jù)如下：在最大負載下，反向恢復(fù)峰值電流Irr 也最大，Irr 經(jīng)線路電感向電容C 充電，電容C 的最大電壓升高應(yīng)遠小于允許的過電壓值。電阻R 的取值依據(jù)為允許的過電壓高低、整流管反向峰值恢復(fù)電流Irr 以及防止輸入電源振蕩，R 值越大則換相過電壓越高，但輸入電源振蕩阻尼越大，越不易振蕩；R 值越小則換相過電壓低，但輸入電源振蕩阻尼小，越容易振蕩。 采用RC 保護后，允許的最大過電壓應(yīng)低于不采取措施時的過電壓值，這時由于Irr 儲存在線路電感中的能量一部分釋放到負載、一部分向電容充電、一部分消耗在電阻上，消耗在整流管上的能量很小，因而達到降低整流管溫升、提高可靠性的目的。 參考前述例子，整流橋在最大負載時，I[sub]rr[/sub]=69A，如想控制換相過電壓在300V 以內(nèi)，如完成一次換相后，允許電容C 電壓升高50V，可用能量法估算最小的C 值，即：0.5C（10502-10002）=0.5Lr692，則C最小應(yīng)為4.64uF，取C＝4.7uF，而其耐壓應(yīng)在1600V 以上。此時LC時間常數(shù)TLC＝21.68uS，電阻R 的臨界值為L/TLC＝4.61Ω，最大換相過電壓為318V，不滿足要求。再取C＝6.8uF，則TLC=26.1uS，電阻R 的臨界值為3.83Ω，最大換相過電壓為264V，滿足要求，實際應(yīng)用時取C＝6.8uF/1600V、R＝3.9Ω/100W。 以上是采取全橋阻容保護的阻容計算值，當(dāng)采取單管保護方式時，電容電阻可取全橋保護的半值，即C＝3.3uF/1600VDC、R＝2Ω/50W，可取得滿意效果。 值得注意的是，應(yīng)采用無感電阻和無感電容構(gòu)成RC 保護回路，而且應(yīng)用時須盡量降低回路分布電感，否則實際的換相過電壓和換相損耗可能高于計算值。 結(jié) 論 1、大型整流電路在換相時將出現(xiàn)換相過電壓和換相損耗。 2、換相過電壓和換相損耗大小與整流電路工作電壓、工作電流、工作頻率、線路電感以及整流管的反向恢復(fù)特性有關(guān)，并且在一定范圍內(nèi)可進行定量計算。 3、采取單管阻容保護方式或全橋阻容保護方式可有效地降低換相過電壓和換相損耗。