大電流變流裝置過(guò)電壓智能保護模塊設計

引言

大電流直流電是冶金、化工及有色加工行業(yè)必不可少的供電電源，如今在國內比較常用的為以飽和電抗器調壓、整流變壓器降壓整流管整流的方案和以整流變壓器直接降壓、晶閘管整流的方案，由于這兩種方案都屬于對工頻整流的方案，使用中并聯(lián)電力電子器件多，系統龐大，其快速有效的保護一直較難，現多用的是分散保護的方案，不便于集成，同時(shí)抗干擾性能差，現場(chǎng)調試整定困難。為此本文主要針對大電流直流電力電子變流裝置保護模塊中具有代表性的過(guò)電壓保護設計了一種集過(guò)壓檢測和過(guò)壓動(dòng)作于一身的智能保護模塊，其具有結構簡(jiǎn)單、響應迅速、保護門(mén)限寬和便于集成的優(yōu)點(diǎn)。

過(guò)壓分析

在大電流直流電力電子變流裝置中，電力電子器件對電壓非常敏感，一旦外加電壓超過(guò)器件所允許的最大額定值，器件將立即損壞。整流裝置中造成過(guò)電壓的原因很多，可分為外因和內因兩種情況。一般外因包括常見(jiàn)的自然災害，比如雷電造成的過(guò)電壓，其都可通過(guò)良好的接地避免。但是由內因引起的過(guò)電壓是不可避免的，其歸為四類(lèi)：合閘時(shí)的操作過(guò)電壓、分閘時(shí)的操作過(guò)電壓、器件換流過(guò)電壓和逆變器換流失敗過(guò)電壓。

合閘操作過(guò)電壓是其一、二次繞組間存在分布電容，一次側合閘瞬間，高壓通過(guò)分布電容耦合到二次側，使二次側出現過(guò)電壓。分閘操作過(guò)電壓是當整流變壓器工作時(shí)，其勵磁電感有儲能作用，如果變壓器空載或負載阻抗較高，分斷一次側開(kāi)關(guān)，儲存的能量無(wú)法通過(guò)負載釋放，只能通過(guò)二次側的分布電容釋放，在振蕩過(guò)程中耗盡儲能，且在勵磁電流峰值分閘過(guò)電壓最嚴重。器件換流過(guò)電壓主要是指晶閘管換流過(guò)電壓，晶閘管換流時(shí)，器件內各PN結層殘存載流子復合產(chǎn)生反電流。此電流在極短時(shí)間內降至接近于零的數值，則有較大的Ldi/dt電壓足以燒壞晶閘管。逆變器換流失敗過(guò)電壓，即變流裝置在A(yíng)C-DC中未達到預期目標，造成局部或整體過(guò)電壓。

這些導致整流裝置過(guò)電壓的因素不可能從根本上消除，但可以有效利用快速感應器件及合理的調理電路通過(guò)人工智能模塊實(shí)現過(guò)電壓保護的功能。

過(guò)壓保護模塊的設計

傳統的大電流變流裝置過(guò)壓保護主要采用分離器件的保護，比如排氣式避雷器、閥型避雷器或金屬熔斷絲等，國外已經(jīng)開(kāi)發(fā)出半導體熔斷絲，其具有可恢復性，但是價(jià)格昂貴。本文通過(guò)綜合考慮，選用了目前國內外性?xún)r(jià)比較高的51系列單片機作為主控制核心，結合具有快速響應的電壓互感器和相關(guān)調理電路組成整個(gè)變流裝置的過(guò)壓保護模塊。

過(guò)壓檢測電路

過(guò)壓檢測主要是在整流裝置中并聯(lián)電壓互感器，通過(guò)整流濾波電路對檢測到的電壓進(jìn)行處理，其電路圖如圖1中A部分所示。電壓互感器是一個(gè)帶鐵心的變壓器，其主要由一、二次線(xiàn)圈、鐵心和絕緣組成。當在一次繞組上施加一個(gè)變化電壓U1時(shí)，在鐵心中就產(chǎn)生一個(gè)磁通φ，根據電磁感應定律，則在二次繞組中就感生出電壓U2。改變一次或二次繞組的匝數，可以使一、二次側電壓比發(fā)生變化，這樣就可組成不同比的電壓互感器。文中的電壓互感器將輸入高電壓依匝比降為低電壓輸出，其一次側接在一次系統，二次側接信號處理電路。其工作原理與變壓器相同，基本結構也是鐵心和原、副繞組。其特點(diǎn)是容量很小且比較恒定，正常運行時(shí)接近于空載狀態(tài)，一次側電流和二次側電流都比較小。根據設計，電壓互感器的輸入端電壓U1即為整個(gè)保護裝置的檢測電壓，其信號處理后的輸出電壓U3即為檢測到的電壓。U3將與保護門(mén)限電壓UREF進(jìn)行比較，若U3＜UREF，則輸出為高電平；若U3＞UREF，則輸出為低電平；以此方便后續單片機進(jìn)行判斷。保護門(mén)限電壓UREF即為參考電壓，其是直流電壓，故在U3的整流濾波處理過(guò)程中，結合輸入輸出端電壓參數，以及回路中可承受最大輸出電流小于10mA，可以選擇低于0.3W的整流橋及需要過(guò)濾低頻諧波的濾波電容C1≥0.144/(f×R1×r)，其中r一般為0.002，過(guò)濾高頻諧波的電容C2為低值瓷介質(zhì)電容。

過(guò)壓比較電路

電壓互感器檢測到的電壓信號必須經(jīng)過(guò)比較電路轉化為單片機能夠識別的信號，而且快速準確的判斷過(guò)壓與否關(guān)系到整個(gè)保護模塊實(shí)際存在的必要性，是過(guò)壓保護模塊的關(guān)鍵。

這里選擇LM339電壓比較器，其具體電路如圖1中B部分所示。圖中同相端接參考電壓UREF，異相端接檢測到電壓U3，其中R2和R3串聯(lián)提供UREF電壓，且R3是一個(gè)可變電位器可以改變UREF的大小。在1/4LM339的輸出端用三極管M5構成了一個(gè)正反饋回路，這樣就形成了一個(gè)反相輸入遲滯比較器，其上門(mén)限電壓UT+和下門(mén)限電壓UT-分別如公式1-1和公式1-2所示：

和（1-2）

故回差電壓為：（1-2）

其中r為三極管處于放大區的內阻可以忽略，UOH為L(cháng)M339輸出高電平5V，UOL為輸出低電平0V，根據設計要求R3調為3KΩ，由此可得=5V。假設整流裝置輸入交流有效電壓U1為209V，且上下波動(dòng)10%都為安全電壓，此時(shí)電壓互感器檢測到的電壓U3小于2.6V，且小于參考電壓UREF，輸出開(kāi)路，過(guò)電壓保護模塊不動(dòng)作，作為正反饋的射極跟隨器三極管M5導通UREF=2.8V。當U1增加到230V時(shí)，U3大于2.8V，輸出為低電平，過(guò)電壓保護模塊動(dòng)作，單片機輸出封鎖脈沖，且M5截止UREF=2.7V，促使U3更大于UREF，這時(shí)翻轉后的狀態(tài)極為穩定，避免了過(guò)電壓附近電壓波動(dòng)而引起的不穩定現象。由于產(chǎn)生了一定的回差，過(guò)電壓保護動(dòng)作后，整流裝置的輸入電壓U1必須降到230-5=225V時(shí)，即U3＜UREF，整流裝置才能恢復正常。

脈沖輸出控制

大電流整流裝置主要是通過(guò)晶閘管整流，而晶閘管的導通是需要觸發(fā)脈沖的，這里對觸發(fā)脈沖的控制是基于單片機產(chǎn)生晶閘管觸發(fā)脈沖。因此，控制了晶閘管觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生就控制住了整個(gè)整流裝置的輸出，也就達到了過(guò)壓保護的目的。

實(shí)驗結果

通過(guò)電壓比較電路實(shí)驗波形的觀(guān)察發(fā)現其輸出高低電平的轉換時(shí)間為微秒級，達到保護模塊設計要求的響應時(shí)間。

由圖3實(shí)驗波形可以發(fā)現，當輸入電壓有效值低于U1=209V，晶閘管輸出脈沖正常，整流設備正常工作；當輸入電壓有效值U1=212V，晶閘管輸出脈沖被關(guān)斷，整流設備停止工作；當輸入電壓有效值降為U1=204V，晶閘管輸出脈沖正常，整流設備重新正常工作。

結論

本文設計了一種大電流變流裝置的過(guò)電壓智能保護模塊，分析了導致過(guò)電壓的原因，結合整流裝置過(guò)壓特性提出利用性?xún)r(jià)比較高的51系列單片機作為控制核心，實(shí)現了智能保護的目的。通過(guò)實(shí)驗發(fā)現整個(gè)過(guò)壓保護模塊的響應時(shí)間為微秒級，滿(mǎn)足過(guò)壓保護響應時(shí)間的要求。通過(guò)實(shí)驗波形的比較，驗證了電壓比較電路的回差電壓為5V，達到了預期保護遲滯的設定。通過(guò)改變R3的阻值可以實(shí)現不同門(mén)限的過(guò)壓保護，而且實(shí)驗證明了該智能保護模塊是可行的。