高功率因数、低谐波、高转换效率单晶炉电源

时间：2024-09-03

李勇

(西安理工晶体科技有限公司，陕西西安，710077)

随着太阳能产业的迅速发展，生产太阳能电池所需要的半导体材料单晶硅急剧增长，对单晶生长设备的需求越来越大，而随着单晶设备的增多，对单晶炉加热电源高效节能的要求越来越高。加热电源是单晶生长设备的重要组成部分，随着需求量的增加，对其能耗都提出了一定的要求。本文分析了几种常用整流方式的结构形式，最终确定了一种高效节能的加热电源——五柱式变压器初级调压、次级双反星形整流电源。

1 整流电源的结构分析及方案设计

1.1 整流电路的功耗分析比较

目前常用的整流电源有多种结构形式，如：三相全控桥式整流电源(见图1)、带平衡电抗器的双反星整流电源(见图2)、三相五柱变压器双反星形整流电源(见图3)等。不同的整流电源结构形式，其最终的使用效果也不尽相同。

图1 三相桥式整流电路

图2 带平衡电抗器的双反星形整流电路

从变压器的结构来看，三柱变压器在三个铁芯上产生的磁通量两两相互影响，随着输入电压相位的不断变化，以相邻两柱比较，A线包要受到B线包磁场的影响，中间B线包同时受到A线包、C线包磁场的影响，C线包受到B线包的影响，由于变压器的结构及各线包之间距离等原因，造成三柱上的磁通量都不平衡，这样的情况反映在三柱变压器使用效果上，就会出现每相输出的电压不等，将直接影响最终整流波形的效果。

五柱式变压器在三柱的基础上增加了两个边轭，很好地平衡了三相的磁通量，使中间三柱上线包的磁通量都较平衡，在输出端不会出现各相电压差异较大的情况。而三相五柱变压器构成的六脉波双反星形大功率整流电源可以省去中性点间的平衡电抗器，同时由于变压器的两个边轭为3倍频谐波磁通或不对称分量中的零序磁通提供了通路，而不必经过夹件耦合，从而比起带平衡电抗器的双反星形整流电源(图2)大大降低了这些结构件上的附加损耗。

对于双反星形整流电路，变压器二次侧每相上有两个匝数相同极性相反的线包，如图3所示，a与 a’绕在一相铁芯上，同样 b、b’，c、c’分别绕在一相铁芯上（“*”表示同名端），将它们接成两组三相半波整流电路，a、b、c 为正相组，a’、b’、c’为反相组，两组三相半波整流电路并联的输出即为六脉波输出。同理，可以将三相桥式整流电路看作两组三相半波电路串联。因此，在输出电流相同的情况下，双反星形整流电路的整流元件可比三相桥式电路小一个电流等级。

图3 三相五柱式变压器双反星形整流电路(一次侧调压二次侧整流)

对图1、图3两种方案的功率损耗大致分析为：根据实际测量可知，晶闸管的压降在1.5 V左右，二极管的压降在1 V左右。以单晶炉化料过程的工作状况为例，直流输出2 500 A，60 V，一次侧输入电流基本在300 A左右，图1中，流过晶闸管的电流为2 500 A×0.816≈2 000 A，每只管消耗2 000 A×1.5 V=3 000 W的功率，6只总共18 KW，系统本身在整流器件上损耗功率为18 KW。而图3中，一次侧一组晶闸管上消耗300 A×1.5 V=450 W的功率，3组总共1.35 KW，流过二极管的电流为2 500 A×0.407≈1 000 A，产生压降1V，二极管上消耗1 000 A×1 V=1 000 W的功率，6只总共6 KW，系统本身在整流器件上损耗功率约为7.35 KW。

表1为两种整流方式下功率器件损耗的计算，从计算的数据可以看出，采用图3设计的整流电源，功率器件的损耗最小。故高效节能电源采用的一次侧可控硅调压，二次侧二极管整流的双反星形电路在功率损耗上，优于三相全控桥式整流电源。

表1 两种整流方式功率器件损耗

1.2 功率因数、转换效率、谐波电流含量的介绍、测试比较

目前在单晶炉电源设计上对功率因数、谐波电流含量、转换效率都提出了一定的要求，好的电源应该具有高功率因数、低谐波、转换效率高－节能的特点。

1.2.1 功率因数

在交流电路中，针对电网中的某个非纯阻性元件来说，由于电流与电压存在超前或滞后的关系，它们之间存在一个相位差(Φ)，电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数，用符号表示，在数值上，功率因数是有功功率(P)和视在功率(S)的比值，即：

功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数越低，电路用于交变磁场转换的无功功率越大，供电线路和变压器的容量也就越大，供电电流也就越大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损耗。电源设备的容量不能充分利用。在电源设备容量：

一定的情况下，功率因数越低，P越小，设备得不到充分利用。

1.2.2 转换效率

转换效率就是电源的输入功率与输出功率的比值，即：

由于设备本身要消耗能源，当输入功率一定时，设备转换效率越高，设备本身损耗就越小，能源的利用率也就越高。

1.2.3 谐波

在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶(M.Fourier)分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。谐波可以区分为偶次与奇次性，第3、5、7次编号的为奇次谐波，而2、4、6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时，2次谐波为l00Hz，3次谐波则是150Hz。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载，出现的谐波电流是 6n±1 次谐波，例如 5、7、11、13、17、19 等。

在实际使用中，谐波的危害主要有：影响供电系统的稳定运行、影响电网的质量、影响供电系统的无功补偿设备、影响电力变压器的使用、影响用电设备、增加电网损耗、产生电磁干扰、产生计量误差、造成电网谐振。

1.2.4 整流电源方案设计

我们在整流电路设计时，着重考虑了功率因数、转换效率和谐波等方面的问题。同时，我们通过电能质量分析仪对图1与图3两种整流电路在各种输出功率下进行了测试，测试结果如图4所示，从测试的数据中可以看出，双反星形整流方式比三相全控桥式整流方式在功率因数和转换效率上明显要高，谐波电流含量偏小。

图4 功率因数、转换效率、谐波电流测试结果对比

通过以上对各种整流电路的分析和大量的试验，反复对比以上多种整流方案，鉴于三相五柱式变压器初级调压、次级双反星形整流的主回路方案与其它整流方案相比输出电压平衡性好、在主回路上产生的损耗较小、提高了转换效率与功率因数、低谐波污染等优点，最终确定了主回路方案为三相五柱式变压器，一次侧调压、二次侧双反星形整流方式。