AB公共直流母线的选型与设计

AB公共直流母线的选型与设计
1.概述
众所周知，如果工厂中有多个相同电压的变频器运行，那么在同一时刻有的电动机处于电动状态，有的处于发电状态。

处于电动状态的电机消耗电网能量，处于发电状态的电动机产生能量。

产生的能量要么通过制动电阻以热量的形式消耗掉，要么通过能量回馈单元返回电网。

如果能够将发电状态电动机的能量直接传给电动状态的电机，那么能耗制动所浪费的电能或者能量回馈单元的设备购置费用都可以节省出来，这就是公共直流母线产生的初衷。

AB公司推荐的公共直流母线方案如图1 所示。

图1 公共直流母线方案
2．设备选型
AB公司生产的用于变频器公共直流母线的整流设备规格并不多，如表1所示。

（1）产品目录
（2
独立型/主机型/从机型的整流原理框图见图2/图3/图4.
图2 独立型的整流设备
图中功能模块：
①六相桥式整流模块②超温开关③浪涌保护熔断信号
④MOV缓冲器电路⑤预充电电路板⑥使能继电器⑧冷却风机
图3 主机型的整流设备
图中功能模块：
①六相桥式整流模块②超温开关③浪涌保护熔断信号④MOV缓冲器电路⑤预充电电路板⑥使能继电器⑦晶闸管门极驱动电路板⑧冷却风机
图4 从机型的整流设备
图中功能模块：
①六相桥式整流模块②超温开关③浪涌保护熔断信号④MOV缓冲器电路
⑦晶闸管门极驱动电路板⑧冷却风机⑨主/从整流器间的连接电线
（3）独立型/主机型/从机型的整流原理框图异同浅析
从图2－图4 可以看出独立型/主机型/从机型整流器的区别。

a.独立型整流器
独立型整流器的预充电电路板的同步电源经使能继电器K1连接到整流桥的电源输入端（L1/L2/L3），其产生的触发脉冲直接连接到晶闸管的门极。

在门极脉冲的触发下，晶闸管导通，+DC和－DC间产生直流电压U
d
，其值为：
U d=1.35U2COSα
式中U
2和α分别为L1/L2间的电压和触发脉冲的控制角。

b.主机型整流器
主机型整流器的预充电电路与独立型相同，叙述从略。

与独立型不同的是预充电电路产生的脉冲分成二路，一路经晶闸管门极驱动板驱动后送自己的晶闸管，另一路经排线送从机型整流器的门极驱动板。

c.从机型整流器
从机型整流器没有预充电电路，因此它无脉冲形成环节，它只能将主机型整流器送来的脉冲经门极驱动板驱动后送到自己的晶闸管。

同时，它也提供了向下一个从机型整流器输入脉冲的接口。

（4）选型要点
a.并联使用的整流器要选用主/从型的整流器
主机型的整流器有自己的脉冲形成环节，所产生的脉冲除送入自己的晶闸管门极外，还送到从机型整流器的门极驱动板。

因此，二路脉冲的相位是相同的，它非常适合于并联使用的整流器。

这种设计能够保证并联的整流器的输出电压完全相同，可有效地防止并联的整流器间出现环流。

b.独立（无并联）使用的整流器要选用独立型的整流器
独立型的整流器因有自己的脉冲形成环节，所产生的脉冲送入自己的晶闸管门极，因此它适合于独立（无并联）使用的整流器。

c.十二相整流器要选用独立型的整流器
为了说清楚这个问题，有必要回顾一下十二相整流电路。

如果读者对这部分内容搞不懂的话，请您看一下《半导体变流技术》这本书，相信您会明白的。

图5 十二相整流电路
整流变压器是一台带有二套副线圈的裂解式变压器。

其中一个线圈是星形接法，另一个线圈则是角形接法，二套线圈的对应线电压相差30°电角度。

二组线圈连接的三相桥式整流电路均为六相整流电路，即每组桥输出的直流电压在一个周期内共有六个脉波（见图5），故称六相整流。

但是，由于这二组桥输入的交流电压相位互差30°，因此，二组桥输出的直流电压波形也相差30°，故二组桥并联后其直流电压为十二个
图6 六相整流波形图（α＝0）
脉波，故称十二相整流。

十二相整流电压波形脉动较小，直流电压中的交流分量较低，降低了对滤波器的要求，在大功率整流电源中被广泛应用。

脉冲的同步
晶闸管是一个相控元件，它是通过调节其门极相位（即控制角α）的方式来控制晶闸管的导通程度，从而达到调节整流器输出电压高低之目的。

控制角α一般都是以主电源对应相波形的起始点（单相）或某相关相与另一相关相的交叉点（三相）为基础，也就是说晶闸管的门极脉冲一定要与元件侧电源波形保持特定的相位关系，这就是所谓的晶闸管的门极脉冲与元件侧电源要“同步”。

独立型和主机型的整流器都有预充电板（Precharge Board）,同步信号经接触器K1接自主电源端L1/L2/L3,它能保证预充电板产生的门极脉冲与主电源是同步的。

如前所述，十二相整流的二组桥主电源相差30°，因此，它们的门极脉冲也必须相差30°，也就是说二组桥必须有自己独立的脉冲形成环节（预充电板）。

从这个意义上讲，十二相整流一定要选择独立型的整流器。

或者反过来说，如果十二相整流选择了主/从型整流器，则从机中没有脉冲形成环节，只能将主机送来的脉冲驱动后送入晶闸管的门极。

因此，二组桥的脉冲相位一定是相同的，从机整流器的门极脉冲与主电源一定是不同步的。

这也从反面证明了十二相整流一定要选择独立型的整流器，而不能采用主/从型的。

如果十二相整流器误选了主/从型的，从机肯定不能正常工作。

当然，采用独立型整流器构成的十二相整流设备因有各自独立的脉冲，可能无法保证控制角α完全一致，二个整流器输出电压将有所不同。

如果电压相差较大，低电压的那个整流器中
的晶闸管因承受反向电压无法导通，而无法正常工作。

这可能是本产品设计中的一个缺陷。

3.电路设计
文献1中给出了20S系列整流器接线参考图，见图7，十二相整流的接线图见图8.
图7 整流器接线图
图8十二相整流器接线图
控制端子定义
0－115：内部风机（115V）
1－2 ：内部接触器线圈（115V）
4－5 ：内部接触器触点（常闭）
6－7 ：浪涌保护电路熔断器断
8－9 ：主回路熔断器断
10－11：超温
图8的接线看起来好像很乱，但实际很好理解。

115/1端子通过KA1连接到控制电源的一端，2/0端子连接到控制电源的另一端。

二台整流器共六个用于保护的常闭触点串联在接触器KA1合闸回路里，六个保护触点只要有一个断开，KA1即断开，因此用户并不知道是什么原因引起的跳闸，这也是本电路的一个缺陷。

当然要解决这个问题也很容易，只是电路要复杂一些，相信读者是能够设计出比这个更好的电路。

KA1断开后：
－风机停止
－内部接触器K1断开
－同步电源断开，脉冲停止（预充电板停止工作）
4.十二相整流的平衡电抗器
图5 的电路中可以看出，二个整流器并不是直接并联的而是通过一个带抽头的电抗器并联起来的，这个电抗器叫做平衡电抗器。

波形图显示，二个整流桥的直流输出电压幅值是相等的，但是其瞬时值是不相等的，它们
彼此相差30°，二者相加后就变成了十二相整流。

电工原理告诉我们，两个电源并联必须电压相等且电压瞬时值也要相等。

如果电压不相等，两个电源中就会有环流出现。

如果电压的瞬时值不相等，两个电源中就会有动态环流出现，这些都是我们不希望的。

但是由于二极管的单向导电特性，二个整流电源并联时即使电压不相等也不会产生环流。

图11
如果Ud1>Ud2,因D2单向导电作用，二个电源中不会产生环流，反之亦然。

但是，如果Ud1>Ud2，D2会因承受反向电压而关断，实际只有电压高的那个电源在工作。

让我们再回到十二相整流。

前面曾经说过，组成十二相整流的二个整流器输出的电压瞬时值是不相等的，因此，二个电源并不是同时工作，而是交替工作，它们并没有真正地并联起来。

用平衡电抗器就可以圆满地解决这个问题，其工作原理从略，有兴趣的读者可阅读相关的文献，网上的资料也很多。

细心的读者一定会发现，图8十二相整流器接线图上构成十二相整流电路的二个六相整流器是直接并联在一起的，其间并未设平衡电抗器，与此处的叙述岂不自相矛盾？
对具体事物要进行具体分析。

我们通常所用的十二相整流一般用于电机、电解、电镀等设备，其负载是电感或电阻性的，而直流公共母线逆变器是一个电压型的变频器，它的特征是直流侧有一个巨大的电容器组。

这个电容器组接到直流母线上就相当于接到了整流器的输出端，整流电源就变成了滤波电源。

在电容器的作用下，整流器输出电压中的交流分量被抹平，原来脉动的直流电源变成一条直线，所谓的二个整流电源“电压瞬时值不相等”也就不存在了，二个电源直接并联也就无任何技术问题了。

前面说过，十二相整流电压波形脉动较小，直流电压中的交流分量较低。

但是，具体应用到电压型变频器上，这个优越性也就似乎不存在了。

况且三线圈的整流变压器比同容量的二线圈整流变压器要贵很多，经济上也不见得合适。

因此，在直流公共母线变频器上使用十二相整流不合算。

参考文献
1. 《20S_SCR Bus Supply_User Manual》
2. 《AB变频器公共直流母线和能量回馈方案》
3.黄俊：《半导体变流技术》。