触发脉冲对多晶硅铸锭炉电源温控系统的影响

张 霞，徐克峰,2， 马建立

(1.北京京仪椿树整流器有限责任公司，北京100040；2.北京交通大学电气工程学院，北京100000)

触发脉冲对多晶硅铸锭炉电源温控系统的影响

张 霞1，徐克峰1,2， 马建立1

(1.北京京仪椿树整流器有限责任公司，北京100040；2.北京交通大学电气工程学院，北京100000)

多晶硅铸锭炉电源温控系统采用了过零触发的控制方式，通过在165 kW电源设备上的实验，研究了触发脉冲对电源温控系统影响，结果表明：拓宽触发脉冲的宽度，得到了完整的正弦波；调整触发脉冲的起始位置，大大降低了设备切入电网时的冲击电流；将调压与调功有机的结合，对感性负载过零调功系统的稳定可靠运行有着非常重要作用。

多晶硅铸锭炉；交流调功；过零触发；触发脉冲

多晶硅铸锭炉是一种用于铸造大型多晶硅锭的设备，它将硅料高温熔融后通过定向冷凝结晶，使其形成晶向一致的硅锭，从而达到生产太阳电池对硅片品质的要求[1]。温度场是多晶硅锭生长过程中至关重要的因素。多晶硅铸锭炉采用的方形高纯石墨加热器具有大滞后、大惯性、温度超调严重、震荡大，且难于控制、稳定时间长的特点。

过零触发的晶闸管交流调功器以周期数为单位对电路的平均输出功率进行控制，这不仅克服了移相触发方式的缺点，还具有功率因数高、不易产生高次谐波的优点，因而被广泛应用于各种温度控制、电加热等大惯性场合。

多晶硅铸锭炉电源温控系统采用传统的过零触发控制方式，常存在如下问题：主回路电流滞后，与电压同步的过零脉冲将失去作用[2-3]；带变压器电感性负载的合闸角如何确定[4-5]。本文在165 kW多晶硅铸锭炉电源样机上的实验针对以上问题进行了详细的研究分析。

1 过零触发调功电路的原理

交流调功电路的电路形式与交流调压电路完全相同，二者的区别在于控制方式的不同。过零触发的调功方式就是通过在给定的时间内改变加在负载上的交流正弦波个数来调节负载功率的一种控制方法。

图1 电网电压波形图

图2 调功通断波形图

这种输出电压的最小控制单元为一个完整的电源周期的控制方式为全周期控制，它在任何情况下输出电压的正负半周个数相等，平均电压为0，这一点对于带变压器等电感性负载的交流调功电路十分重要[6]。

图3 调功器功率变化图

2 165 kW多晶硅铸锭炉电源总体结构简介

由图4可知，多晶硅铸锭炉电源总体结构可以分为两部分：一为主回路部分，其由变压器初级的三相交流调压电路构成；二为控制部分，基于TMS320LF2407A的数字控制器通过改变变压器原边绕组的电压来控制其副边输出的电流，从而达到控制电炉温度的作用。另外，电源设备还配有人机界面以及各种故障保护，方便用户安全可靠地操作。

图4 165 kW多晶硅铸锭炉电源总体结构

3 触发脉冲对电源温控系统的影响

3.1 触发脉冲的宽度对电源温控系统的影响

由于感性负载本身电流滞后于电压一定角度，为了保证电流的连续性，并可靠、有效地触发晶闸管，在晶闸管的触发控制电路中常采用宽脉冲或双窄脉冲[6-7]。

本文在最初的实验中采用了如图5所示的脉冲，可以看到每个晶闸管的脉冲共由3个脉冲组成，每个脉冲为一组脉冲列，脉冲列的宽度为18°～20°，每两个脉冲列前沿间距为60°。对于每个晶闸管而言，逻辑上真正起到触发作用的是第一个脉冲。

图5 脉冲波形图

将第一个脉冲的前沿与A相正半周电压的上过零保持同相位，测得如图6所示波形。从图中可知，第一个脉冲在其应该触发的晶闸管电流过零前到达，因而不能触发该晶闸管，使得该晶闸管被第二个脉冲误触发，这就会发生60°的跳变，导致电流或电压不能平稳地变化[3]。对此，通常采用增加脉冲宽度的办法来解决[5-6]。而对于脉冲宽度的确定则与实际电路中的具体参数有关。本文采用180°的脉冲宽度触发晶闸管最终得到图7所示波形。

图6 变压器一次侧A相电流波形以及A相正管导通时其脉冲

图7 变压器一次侧A相电流波形以及A相负载电压波形

3.2 触发脉冲的位置对电源温控系统的影响

采用宽度为180°，起始位置在电源电压过零点的晶闸管触发脉冲，在样机实验中测得变压器一次侧线电压以及A相电流波形图如图8所示。从图中可知，触发时刻及随后的两个周期内冲击电流很大，同时还听到变压器发出“咚，咚”的声音，并伴有微微震动，可知，此时启动对变压器的冲击很大。

图8 变压器一次侧线电压以及A相电流波形图

究其原因是启动瞬间的冲击电流对电网以及变压器造成的影响。变压器在空载合闸瞬间可能出现较大的合闸过电流，该电流称为励磁涌流，其大小一般可达额定电流的数倍，严重时会造成变压器空载合闸瞬间开关的误动作[4]。

励磁涌流的大小与变压器铁芯中磁场的建立过程密切相关，而变压器的磁场建立直接受合闸瞬间电源电压初相角位置的影响。对于三相变压器有如下关系：

式中：Φ为变压器铁芯中的磁通，它包含稳态分量Φ'和暂态分量Φ''两部分。式中列出了三相变压器每相的磁通与合闸瞬间电源电压初相角α的关系。可知，在α=0°、60°、120°、180°、240°、300°、360°等角度合闸时，变压器铁芯中的磁通变化较大，变压器磁路处于深度饱和而导致励磁涌流迅猛增大至额定电流的5～8倍，此时合闸时情况最为严重；而当α=30°、90°、150°、210°、270°、330°中任意角度将变压器空载合闸投入运行时，绕组环链的磁通暂态分量为最小值0.866Φm，此时对变压器的冲击较小，可保证安全可靠地切入电网[5]。

本实验调整了触发脉冲的起始位置，避开上述冲击较大的角度，得到图9所示波形，此时可以看到变压器一次侧电流波形发生了明显变化：冲击电流小了许多。另外，晶闸管触发瞬间变压器的声音几乎消失，配电柜上电流表指针的摆动也明显小了。

从多次实验结果中总结出，变压器合闸磁场的建立需要2个周期，因此，为了得到标准正弦波，同时满足启动无冲击，本文控制前两个周波触发脉冲的起始角度，而后面导通的周波仍然保证每个晶闸管的控制角均为0°，即在每相电压自然过零点时触发相应的晶闸管，最终得到图7所示波形。

图9 变压器一次侧线电压以及A相电流波形图

4 结论

本文通过理论分析和实际实验，探讨了影响感性负载过零调功系统稳定运行的原因，提出了保证系统稳定运行的措施，得出如下结论：采用脉冲宽度为180°的触发脉冲，将晶闸管全周波触发导通；调整触发脉冲的起始位置减小了晶闸管触发瞬间对变压器以及电网的冲击，进而保证了电源加热设备安全可靠地切入电网；将调压与调功有机结合，对于感性负载的过零调功加热系统的稳定运行有着非常重要的实用价值。

[1]FISCHER H,PSCHUNDER W.Proc of 12thIEEE Photovoltaic Specialists Conf Baton Rough[C].New York:IEEE,1976:86.

[2]张仲辉，何书.数控过零调功温度调节系统的研究(感性负载)[J].电炉，1984(1):7-14.

[3]韦翼.对零触发晶闸管调功器的探讨[J].电力电子技术，1991(2): 49-51.

[4]张友军.变压器空载合闸引起电流保护装置动作的原因分析与解决方法[J].电气开关，2001(5):20-21.

[5]李元庆.变压器空载合闸过电流产生的机理及预防研究[J].硅谷, 2009(20):33,75.

[6]刘志刚.电力电子学[M].北京：清华大学出版社，2004.

[7]王兆安，张明勋.电力电子设备设计和应用[M].3版.北京：机械工业出版社，2009.

Influence of trigger pulse on temperature control system of polycrystalline silicon ingot production

Passing zero trigger was used on the temperature control system of the polycrystalline silicon ingot production.Based on the experiment of the 165 kW power equipment,the influence of trigger pulse on the control system was studied.The results indicate that widening the trigger pulse,a complete sine wave is got.Adjusting the starting position of trigger pulse,the impulse current was greatly reduced.Combined the regulator with the power organically,which played a very important role on a stable and reliable running of the zero crossing of the inductive load.

polycrystalline silicon ingot production;AC power adjuster;passing zero trigger;trigger pulse

TM 423

A

1002-087 X(2015)10-2301-02

2015-03-21

张霞(1981—)，女，河北省人，硕士生，工程师，主要研究方向为电力电子。