大型整流装置的换相过程分析

主要内容：本文分析了大型整流装置的换相过程及换相过电压形成的原因，并提出降低换相过电压、减少换相损耗的方案。
关键词：换相、恢复电荷、di/dt、阻容保护

前 言
    兆瓦级整流装置一般用于大型同步发电机励磁、直流拖动和直流电源，其输出电压从几百伏至一千多伏、输出电流在一千安培以上至数千安培，两千安培以下时可采用单桥运行，两千安培以上一般采用多桥并联方式。由于整流桥工作电压高、输出电流大，换相时由整流管反向恢复引起的换相过电压和换相损耗比较突出，处理不当将引起整流管过电压大、温升高，有时不得不采取提高整流管电压电流等级的方法解决问题，以至装置成本升高、资源浪费。

换相过程中的关键问题
    多数情况下，负载对直流输出电压波纹系数要求并不高，三相桥式整流已足够满足要求，而且负载回路往往具有相当大的电感成分，自身即具有很好的滤波效果，因此大型整流装置的输出一般可以取消体积大、价格高的滤波装置。如果负载对电压波纹要求苛刻，由于输出电流大，也是采用串联电感的方式进行滤波。因此，如果对换相问题不采取措施，系统等效电路如图1 所示。

    从三相电压波形来看负载电流从A 相过渡到B 相的换相过程，参见图4，在Ta 时刻前，由于UAC 最大，负载电流IL=Ia，如图1 所示，从A 相流经D1、负载、D2 流入C 相。从Ta 时刻起UBC 最大，因此开始换相，至Tb 时刻换相完毕后，负载电流I_L=I_b，如图2 所示，从B 相流经D3、负载、D2 流入C 相。我们要分析的第一个问题是在Ta－Tb 之间整流管上的电流变化情况。整流管D1 的电流ID1 从Ta 时刻开始变小，到Tb 时刻ID1=0，但此时换相过程并未结束，Uba 已为正值，D1 承受反向电压，由于整流管存在一定的反向恢复电荷，此时D1 尚未恢复截止，因此必然存在反向恢复时间Tr 及反向恢复电流Ir，如图3 所示，Ir 从B 相经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复特性的重要数据，因而我们需要分析的第二个问题是估算Tr 和Ir大小。

    在一定的工作电压和工作电流条件下，线路电抗Lr、整流管的反向恢复电荷Qr、反向恢复时间Tr 和反向恢复电流Ir 的值决定了换相过电压和换相损耗的大小，而采取合理的措施，可抑制换相过电压大小、降低换相损耗，这是我们要研究的第三个问题。

换相过程等效计算
    L_r 为整流变压器和线路的等效串联电抗，由于它的存在，使得换相需要一定的时间ΔT，即ΔT =T_b-T_a，在ΔT 时间内，I_a 逐渐减少，而I_b 逐渐增大，两者均为正向电流，且I_a+I_b=I_L。T_b 时刻后， L_r 既限制了反向恢复电流I_r 的增大，又在D1 恢复截止时产生换相过电压。当然，线路电阻R_r 也客观存在，但在换相过程中di/dt 比较高，L_r 的作用远大于R_r 的作用，在此R_r 忽略不计。

    整流电路在T_a-T_b 之间的等效电路如图5 所示，因为ΔT 仅数百微秒，可认为在T_a-T_b 内dv/dt 不变，故可列出以下简化方程：

i₁ 的初始值为I_L，i₂ 的初始值为0，U_xm 为三相线电压峰值，现求当i₁=0 时的t 值，该t 值即为ΔT。
    以上方程组可合并为：
    
    如一整流装置单桥输出I_L=1000A、工作频率100Hz、ω＝628、三相线电压峰值Uxm=1000V、线路等效电感Lr＝50uH。则代入①式可求得t=5.6×10-4S，即560uS。

    也就是说，从T_a 开始（i₂=0、I₁= I_L）经过560uS 后，i2=I_L、I₁=0，到达Tb。此时D1 开始进行反向恢复，整流管反向恢复的速度和峰值电流由反向恢复电荷Q_r 和反向di/dt 决定；Q_r 取决于整流管的特性和正向电流大小，而反向di/dt 由Uba 和Lr 决定。

    在Tb 时刻： Ub_a＝ωU_xmt＝352V反向恢复电流变化率 di/dt=Uba/（2Lr）=3.52A/uS
由于反向恢复过程仅数十微秒，认为在此过程中Uba 保持不变，故di/dt 也保持不变。如整流管在这种工况下恢复电荷为2000uC（微库仑），参考图6 可估算反向恢复时间Tr1 约19.4uS，反向恢复峰值电流Irr 约69A。

    当反向峰值电流流过整流管后，整流管迅速恢复截止，恢复截止的di/dt 大小由整流管特性和工作工况决定，最大di/dt 出现在开始截止处，因此由于线路电感的存在出现换相过电压，如这种工况下恢复截止的最大di/dt 为12A/uS，则过电压大小为L_r×di/dt＝1200V，因此如果不采取措施，整流管上的最高电压将近2200V。另一方面，反向恢复峰值电流还引起额外的换相损耗，在整流管恢复截止的过程中，反向峰值电流在线路电感中储存的能量将消耗在整流管上，该能量总计为0.5×2×L_r×I_rr²×6f＝143W。

改善换相的措施
    从换相过电压和换相损耗的形成机理可知，如果在整流管恢复截止过程时有足够大容量的储能元件将过电压箝位在一定的值以内，则可起到降低换相过电压的功能。同时，如果储能元件中多余的能量（反向峰值电流在线路电感中储存的能量）向负载或消耗电阻释放，则可降低整流桥换相损耗。

    适用于大型整流电路的过电压保护方式有单管阻容保护方式、全桥阻容保护方式和两者并用的方式，见图7 和图8。

    两种保护线路的原理相同，从整流管正向电流过零开始，反向恢复电流I_r 以一定的di/dt 增大，经T_r1 后达峰值I_rr，该电流也流过线路电感，整流管恢复截止时，反向恢复电流流经RC 回路，只要RC 保护回路取值得当，过电压大小最大可控制在I_rr×R 左右，如R 取值5欧姆，当I_rr＝69A 时，过电压最大为345V。

    单管保护方式中，每只整流管RC 的容量虽然可比全桥保护方式小，但显然不能小到六分之一，实际应用中可比全桥保护方式小一倍的容量，因此单管保护方式中RC 的总容量要大三倍。但全桥保护方式的缺点是整流桥内部连接部分的分布电感能量仍消耗在整流管上，无法通过RC 回路吸收，在一些快速整流场合（400Hz 以上）如采用快恢复整流管，整流管恢复速度快、换相次数多，就不宜采用全桥保护方式；如果不是快速整流，则换相次数较少，能量相对较小，应采用全桥保护方式，以简化线路、提高可靠性、降低成本。

    设计RC 保护回路时，应先确定电容C、再确定电阻R 的取值。确定电容C 的依据如下：在最大负载下，反向恢复峰值电流Irr 也最大，Irr 经线路电感向电容C 充电，电容C 的最大电压升高应远小于允许的过电压值。电阻R 的取值依据为允许的过电压高低、整流管反向峰值恢复电流Irr 以及防止输入电源振荡，R 值越大则换相过电压越高，但输入电源振荡阻尼越大，越不易振荡；R 值越小则换相过电压低，但输入电源振荡阻尼小，越容易振荡。

    采用RC 保护后，允许的最大过电压应低于不采取措施时的过电压值，这时由于Irr 储存在线路电感中的能量一部分释放到负载、一部分向电容充电、一部分消耗在电阻上，消耗在整流管上的能量很小，因而达到降低整流管温升、提高可靠性的目的。

    参考前述例子，整流桥在最大负载时，I_rr=69A，如想控制换相过电压在300V 以内，如完成一次换相后，允许电容C 电压升高50V，可用能量法估算最小的C 值，即：0.5C（10502-10002）=0.5Lr692，则C最小应为4.64uF，取C＝4.7uF，而其耐压应在1600V 以上。此时LC时间常数TLC＝21.68uS，电阻R 的临界值为L/TLC＝4.61Ω，最大换相过电压为318V，不满足要求。再取C＝6.8uF，则TLC=26.1uS，电阻R 的临界值为3.83Ω，最大换相过电压为264V，满足要求，实际应用时取C＝6.8uF/1600V、R＝3.9Ω/100W。

    以上是采取全桥阻容保护的阻容计算值，当采取单管保护方式时，电容电阻可取全桥保护的半值，即C＝3.3uF/1600VDC、R＝2Ω/50W，可取得满意效果。

    值得注意的是，应采用无感电阻和无感电容构成RC 保护回路，而且应用时须尽量降低回路分布电感，否则实际的换相过电压和换相损耗可能高于计算值。

结 论
1、大型整流电路在换相时将出现换相过电压和换相损耗。
2、换相过电压和换相损耗大小与整流电路工作电压、工作电流、工作频率、线路电感以及整流管的反向恢复特性有关，并且在一定范围内可进行定量计算。
3、采取单管阻容保护方式或全桥阻容保护方式可有效地降低换相过电压和换相损耗。