熊腊森，刘松，姜幼卿(华中科技大学，湖北武汉430074)
摘要：分析了逆变电源在合闸起动的过渡过程中产生的问题，提出了合理的合闸起动方案，设计了集缓冲起动电路、软起动电路、过电压、欠电压保护等为一体的系统电路。
关键词：逆变电源；过渡过程；缓冲电路；软起动电路
前 言
逆变技术已经非常成熟，但国产逆变焊机的整机设计仍然存在一些问题，其运行可靠性需要进一步提高。逆变系统设计中，必须考虑合闸起动过渡过程的特殊性。我们发现，国内厂家很少重视这一问题，有些也只简单地介绍了合闸缓冲电路和软起动电路。在实际应用中，应该从整体上考虑保护电路之间的相互配合以及它们与主电路相互配合的问题，保证整个逆变系统能进入正常的运行过程。
1 合闸过渡过程的分析
1.1 合闸缓冲起动的主要方法
主电源在合闸上电的过程中，由于滤波电容两端还未建立起电压，输入电压加在阻抗很小的电解电容的两端，相当于短路；若恰好在输入电压峰值时接通电源，整流器将流过很大的浪涌电流。输入滤波电容越大，合闸浪涌电流越大且持续的时间越长，会引起开关接点、保险丝熔断；同时，电容器和整流桥多次受到大电流冲击，性能恶化，影响器件的寿命，因此要采用缓冲起动电路限制储能电容的初始充电电流。方法有：a 串入延时继电器，将电阻与延时继电器常开触点并联接入直流母线。合闸后，输入电压经过限流电阻向输入储能滤波电容充电，当储能滤波电容充电完成后，延时继电器自动闭合，限流电阻短接。这种电路结构简单、成本低，但是不可控，无法与逆变器的工作相联系，并且继电器触点的寿命有限。b 串联可控继电器，接法同上。设计检测直流母线电压的附加电路，当储能滤波电容电压达到一定值时，送出控制信号，使继电器闭合，限流电阻短接。这种电路结构也比较简单，成本不高，并且可控，可以与逆变器的工作相联系。但由于继电器闭合时输入电压与储能滤波电容的电压有一定的差值，仍存在着拉弧现象，影响继电器寿命。c 多个无极性电容并联滤波。由于无极性电容并联容量有限，因而滤波效果差。但因不需要限流电阻、电解电容和附加控制电路，因此电路结构更为简单，成本更低。
1.2 起动过程对逆变系统的影响
直接合闸，按正常工作状态起动逆变电路，二次侧直流输出滤波电解电容的电压为零，对于没有滤波电感的逆变系统，则相当于短路，会有很大输入冲击电流。因此必须设置软起动电路，控制开关管的导通时间。另外，高频变压器通常以最恶劣的工作情况(****工作脉冲宽度和最高温度)来设计稳态工作时的工作磁通密度B，使其小于Bs。工作磁通密度一般选取B-H曲线接近拐点的数值。稳态工作时，变压器不会饱和。在合闸的过程中，磁通密度从原点(没有剩余磁通密度)开始工作。当第一个半周期具有****脉冲宽度，即合闸时正好是半个周期的开始，磁通密度将从原点沿基本磁化曲线上升到2B处，此时，合闸瞬间****磁通密度为2倍稳态工作磁通密度，然后回到工作磁滞回线。变压器的二次侧接感性负载，其电流不能突然变化，在开关管关断时要由反向二极管续流；变压器在关机时，工作周期不完整导致稳态过程结束，工作磁通密度没有回到原点而回到有剩余磁通密度Br1处，这时若重新起动电源，起动脉冲方向与剩余磁通密度方向相同时，磁通密度又会沿关断前方向增加，则磁通密度将从Br1开始上升，第一个半周期磁通密度****将达到2B+Br1，变压器在合闸瞬间发生饱和，产生极大的浪涌电流，即使是很短的几个周期，也会损坏开关管。再加之逆变电源起动和关断都是随机的，因此，为了避免变压器出现饱和，也应该采用软起动电路，在合闸瞬间，输出脉冲由零逐渐增加变宽，以减小浪涌
电流。
1.3 起动过渡过起中逆变系统主电路和控制电路的配合
在合闸起动的过渡过程中，电源的建立和消失需要一定的时间，因此，控制电路还处于一种状态
不确定的准备阶段，会输出附加脉冲；逻辑电路和驱动电路都处于准备过程中，控制逻辑的状态不一定正确；各种保护功能都还在进入准备的过程中，这时逆变系统不能工作，否则就可能导致破坏性的故障。因此在控制电源和主电源的建立和消失的过程中，一定要闭锁控制电路，即控制电路不能输出脉冲，只有当主电源已经正常工作后，控制电路才能开始工作，输出脉冲信号。比如在采用PWM控制的逆变系统中，若主电路电源和控制电源的交流供电采用同时投闸的设计，如果电路设计不合理，合闸起动后，主电源建立比控制电源快，处于不确定状态的主开关管因干扰误导通而造成上、下桥臂直通，此时各种保护电路还不能起作用(因为控制电路还未稳定)，就会烧毁主开关管。因此，设计主电源和控制电源建立顺序应该是：控制电源先建立，主电源后建立。无论如何，主电源一定不能先建立，如先有了主电源，再投入控制电源时一定会产生故障。如果是同时投入交流电源，则一定要让控制电源建立后再建立主电源或控制电源建立的速度比主电源要快；在突然停电时，要使主电源消失速度快于控制电源。同时投电或同时拉掉电源，则要求逻辑设计非常严格，不允许在电源瞬变的过程中有附加的脉冲输出。实现方法可以按程序先投控制电源，待控制电源建立好后，再投入主电源，也可以用电子电路延时控制来实现。当然，即使是控制电源先独立建立，逻辑电路也不允许送出附加脉冲。
合闸控制和软起动电路工作的好坏，直接影响逆变系统的技术指标、使用性能和工作可靠性。设计时要限制合闸时输入的冲击电流、起动时的输出电压超调，合理控制软起动时间和超调恢复时间，降低合闸和软起动过程的电磁干扰，从而有效地保护逆变器的主开关管、输入输出的整流器件以及滤波电容，提高控制电路的工作可靠性。2 电路的设计及分析
合闸控制电路图如图1所示。在整流回路串入限流电阻Rj，以防止产生过大的浪涌电流，同时，要在限流电阻的两端并联继电器的常开触点K1。当电容C1电压上升到一定值，常开触点闭合，从而短接限流电阻。电路具有网压欠电压、过电压保护功能。缓冲起动和过电压、欠电压保护均采用同一个电压检测回路，由于电路不在检测回路采样电流，回路中的电流都是单向流动的，因此结构简单，便于分析和设计电路参数。
2.1 过压保护
当电源合闸后，参考电压Uref有电，比较器A1输出“O”，光耦VLC1原方有电流流过，副方三极管导通，输出电路开始工作信号。光耦的副方三极管射极直接接地，集电极通过上拉电阻R8接电源，因此，电路开始工作的信号为“O”电平。当检测电路电容C的电压上升到设定的过电压保护动作电压值Udp时，检测电压值高于Uref，比较器A1输出“1”，光耦VLC1原方没有电流流过，副方三极管不导通，送出过电压保护动作信号OV，此信号为“1”由上述原理可得：
由上式解得：
正常运行时
式中 ，为正常运行时C的
电压值。通常，为了减小功率损耗，R1必须取较大阻值，至少大于200kΩ。设定过电压保护电压Udp=650V,VLUref=5V,由式(2)、(4)得：R1=750kΩ,R2=6.8Ω；再代入公式，可求出电路实际运行过电压Udp=656.5V，运行时采样点a点电压U_=4.852V。
2.2 缓冲起动保护
正常运行时，比较器A2的U+<U-，此时比较器A2输出为“O”，其输入电流约为6mA，三极管V导通，继电器KV得电，常开触点K1,闭合。设b点电压Ub=0.5V，则此时A2同相端电压U'+有如下关系：
合上电源时，控制电源Ucc有电，比较器A2输出“1”，b点电压为Ucc，而R5上无电流，此时A2同相端电压U"+最高。
电源合闸后，储能电容C1通过缓冲起动电阻Rj充电，储能电容C1的电压上升，同时检测电路电容C电压也上升，当储能电容C的电压上升到缓冲起动电压Ud1时，U-≥U"+，比较器A2输出为“O”电平，V导通，送出电源好的握手信号PG；同时继电器KA得电，K1闭合，切除缓冲起动电阻，整个软起动过程结束，逆变器进入正常工作状态。光耦VLC2的接法同VLC1
2.3 欠电压保护
设欠电压保护动作电压为Ud2当Ud下降到Ud2时，检测电压U-≤U'+时，比较器A2输出翻为“1”。
设缓冲起动电压Ud1=450V，欠电压保护电压Ud2=350V，由式(8)、(9)可求出：U"+≤4.4043V,U'+≥3.145V,R3/R4≥2.71。取R4=2kΩ，则可取R3=5.6kΩ；由R3、R4得：R5≥3.57kΩ，取为4.3kΩ。将所求得的电阻值再代入公式可得：U'+=3.246V、U"+=3.947V、Ud1=439.3V、Ud2=361.1V。
2.4 检测电容C的容量选择
设计要求从电容C上得到的取样电压比主电源的建立要延迟一段时间，比参考基准电压建立速度要慢，这样才能使主电源一合上时，电路送出电源异常信号；当主电源建立并稳定后，才送出电源正
常的信号。这样可以抑制瞬态电压的干扰。在分析此电容的延迟作用时，不考虑储能电容充电的影响，可以得到：
当t=0时，uc(0)=(0)，则：
当uc上升使U-≥U"+时，如果希望主电源合上0.5s后才送出握手信号，则将t=0.5代入式(11)求得C=31.17μF；当Uc下降使到U-≤U'+时，为了抑制干扰，希望系统在交流电10个周波内不响应，则将t=10X0.02=0.2代入，求得C=17.9μF。因此，取C=22μF，再代入式(11)可求得欠电压不响应的实际周波数为12.26，延迟时间为3.5s。考虑到储能电容的影响，实际的延迟时间将大于此值。实际上，缓冲起动结束时，储能电容的电压已经大于设定的缓冲起动电压，因此，在继电器动作时，流过K1,的电流很小，故电容C的取值满足要求。
3 主电源、控制电源起动控制设计及整机实验
系统采用主电源和控制电源单独控制的方案。合闸后，控制电源有电，但PWM不得电；主电源只有通过按下面板的起动开关后，才开始经过缓冲起动电路工作。电容充电完成，送出握手信号PG，然后PWM得电，输出软起动脉冲，软起动过程结束，整个系统进入正常工作状态。实验证明系统工作可靠。
4 结 论
a.逆变电源在合闸起动的过渡过程中必须设计缓冲起动和软起动电路，而且两者必须相互配合，在合适的时间作用于电路，才能真正起到保护作用；
b. 主电源和控制电源必须按照一定的顺序建立，才能控制附加脉冲的输出，使控制电路尽快地稳定，以发挥保护作用；
c. 该合闸控制电路保护效果好，提高了逆变电源的可靠性。 |
