晶閘管整流器全關(guān)斷檢測電路的設計

本文提出并介紹了歐姆邏輯無(wú)環(huán)流檢測的一種方案——晶閘管整流器全關(guān)斷檢測,并與軟件檢測和電流互感器檢測進(jìn)行比較分析,最終得出晶閘管全關(guān)斷檢測方案準確可行的結論。全關(guān)斷的輸出信號與上述兩種信號進(jìn)行綜合利用,從而準確可靠地實(shí)現了歐姆的邏輯無(wú)環(huán)流控制。

1　引 言

中國環(huán)流器2號A(HL—2A)是中國第一個(gè)具有偏濾器位形的大型受控核聚變研究裝置，其主機由德國ASDEX裝置主機主要部件經(jīng)適當改造而成，其磁場(chǎng)線(xiàn)圈所需的供電系統及其它的配套系統則完全由我院自行研制。

歐姆線(xiàn)圈(OH)在HL—2A中的作用是擊穿氣體、建立、維持并加熱等離子體電流，因而為其供電的歐姆電源在裝置實(shí)驗中起著(zhù)非常重要的作用。歐姆電源如圖1所示,有正負各兩組共計四組電源。

圖1 歐姆電源示意圖

其中1號和3號整流柜為正組，2號和4號整流柜為負組，正組輸出電壓1600V，負組800V，兩組的輸出電流都是30kA。

隨著(zhù)實(shí)驗的深入，實(shí)驗需求參數的不斷提高，就要求實(shí)現歐姆電源正負組的無(wú)環(huán)流運行。歐姆電源的邏輯無(wú)環(huán)流運行可分為以下幾個(gè)階段，正組整流階段為歐姆線(xiàn)圈充磁，開(kāi)始放電時(shí)正組整流器快速進(jìn)入逆變段，將氣體擊穿、維持等離子體電流上升，在正組電流過(guò)零后將正組封鎖，緊接著(zhù)負組以整流狀態(tài)投入工作，繼續推動(dòng)等離子體電流上升并維持平頂，平頂結束后負組以逆變方式控制等離子體電流下降，電流過(guò)零后封鎖負組，完成一次放電。對實(shí)驗來(lái)講，要實(shí)現邏輯無(wú)環(huán)流并確保裝置的安全，最關(guān)鍵的技術(shù)就是歐姆電流的過(guò)零檢測。

為了檢測歐姆的過(guò)零情況，可靠地實(shí)現邏輯無(wú)環(huán)流控制，對比實(shí)際情況，我們開(kāi)發(fā)研制了晶閘管全關(guān)斷檢測電路板。

2　幾種關(guān)斷檢測方法的比較

要實(shí)現邏輯無(wú)環(huán)流的準確穩定運行，最關(guān)鍵的是如何準確判斷正組整流器的全關(guān)斷時(shí)刻。因為如果判斷關(guān)斷提前，而實(shí)際上正組整流器還沒(méi)有全關(guān)斷，這時(shí)按設定的邏輯程序就把負組整流器開(kāi)通，正組整流器和負組整流器之間就會(huì )形成大環(huán)流，則對電源設備的安全構成嚴重危害;如果判斷關(guān)斷延后，正組整流器和負組整流器之間切換的死區時(shí)間過(guò)長(cháng)，則影響裝置放電以至放電失敗。

全關(guān)斷檢測對電源系統安全和裝置放電的穩定有著(zhù)重要的影響。通常采用檢測整流器的直流輸出電流是否過(guò)零來(lái)判斷其是否關(guān)斷，習慣上就叫做過(guò)零檢測，下面是對幾種檢測方法的分析和比較。

2.1 軟件過(guò)零檢測方法

采用直流傳感器的信號，經(jīng)過(guò)采集板卡送入計算機，預先設置一個(gè)比較值，通過(guò)程序來(lái)比較，在檢測到電流值小于這個(gè)值的時(shí)候，則認為過(guò)零，由于大電流傳感器測量精度的局限性和現場(chǎng)干擾嚴重，容易造成誤判，而且過(guò)零檢測程序與復雜的裝置放電控制程序編在一起，只檢測第一次過(guò)零，在電流出現波動(dòng)時(shí)，它不能判斷再過(guò)零，如圖2所示。

圖2　軟件檢測過(guò)零時(shí)電流出現波動(dòng)時(shí)過(guò)零判斷示意圖

其中Utk2-OH為軟件檢測過(guò)零信號，I-OH為歐姆電源電流，因為互感器測量方向接反，所以歐姆電流顯示為負(下同)。當過(guò)零信號反轉時(shí)，實(shí)際上還有一定電流，整流器并沒(méi)有真正關(guān)斷，且處于續流狀態(tài)。如果放電正常，通過(guò)軟件延時(shí)適當時(shí)間，可以控制在正組整流器真正關(guān)斷時(shí)再開(kāi)通負組整流器，其轉換死區時(shí)間的長(cháng)短取決于傳感器的測量精度和程序速度。但如果放電不正常，正好在過(guò)零信號反轉，軟件延時(shí)時(shí)，等離子體電流破裂，其能量耦合到歐姆原邊，正組電流增加，續流時(shí)間增長(cháng)，軟件又只檢測出一個(gè)過(guò)零點(diǎn)，如果在軟件延時(shí)(固定值)結束后開(kāi)通負組整流器，此時(shí)正組整流器還在續流，將產(chǎn)生環(huán)流。

采用直流傳感器的信號，經(jīng)過(guò)采集板卡送入計算機，預先設置一個(gè)比較值，通過(guò)程序來(lái)比較，在檢測到電流值小于這個(gè)值的時(shí)候，則認為過(guò)零，由于大電流傳感器測量精度的局限性和現場(chǎng)干擾嚴重，容易造成誤判，而且過(guò)零檢測程序與復雜的裝置放電控制程序編在一起，只檢測第一次過(guò)零，在電流出現波動(dòng)時(shí)，它不能判斷再過(guò)零，如圖2所示。其中Utk2-OH為軟件檢測過(guò)零信號，I-OH為歐姆電源電流，因為互感器測量方向接反，所以歐姆電流顯示為負(下同)。

當過(guò)零信號反轉時(shí)，實(shí)際上還有一定電流，整流器并沒(méi)有真正關(guān)斷，且處于續流狀態(tài)。如果放電正常，通過(guò)軟件延時(shí)適當時(shí)間，可以控制在正組整流器真正關(guān)斷時(shí)再開(kāi)通負組整流器，其轉換死區時(shí)間的長(cháng)短取決于傳感器的測量精度和程序速度。但如果放電不正常，正好在過(guò)零信號反轉，軟件延時(shí)時(shí)，等離子體電流破裂，其能量耦合到歐姆原邊，正組電流增加，續流時(shí)間增長(cháng)，軟件又只檢測出一個(gè)過(guò)零點(diǎn)，如果在軟件延時(shí)(固定值)結束后開(kāi)通負組整流器，此時(shí)正組整流器還在續流，將產(chǎn)生環(huán)流。

2.2　硬件過(guò)零檢測方法

此方法用硬件來(lái)實(shí)現，采用霍爾元件測得歐姆整流器正組總電流信號來(lái)作為輸入信號，在正常工作的時(shí)候也可以準確檢測出關(guān)斷時(shí)刻，但是在電源出現某些異常情況時(shí)，如逆變失敗或電流不為零時(shí)提前封鎖，電流又恰好是在零點(diǎn)附近，則該檢測方法會(huì )多次顯示過(guò)零情況。而此方法檢測出第一次過(guò)零信號時(shí)，實(shí)際上整流器不一定是全關(guān)斷的，只是因為電源某兩相的電壓通過(guò)某一對晶閘管加到OH線(xiàn)圈上，在一直流激磁電流的基礎上，不斷地對其激磁消磁， OH線(xiàn)圈能量并通過(guò)回路電阻消耗，直到OH線(xiàn)圈的直流電流衰減到零，整流器真正關(guān)斷。如圖3所示。

圖3　硬件過(guò)零檢測提前封鎖時(shí)的波形

其中V-OH為歐姆電源電壓，Utk1-OH為硬件檢測過(guò)零信號。

2.3管壓降過(guò)零檢測方法

鑒于以上兩種方法各自的缺陷，現在采用一種新的檢測方法，通過(guò)檢測晶閘管兩端的管壓降來(lái)判斷是否完全關(guān)斷。這是一種直接有效的方法，如果所有的管子都關(guān)斷，則負載中沒(méi)有電流，管壓降為幾百伏，如果還有管子導通，則負載中還有電流，管壓降則為幾伏，通過(guò)對管壓降的檢測來(lái)判斷是否全關(guān)斷，即可判斷是否有負載電流。針對這種特點(diǎn)，設計了晶閘管全關(guān)斷檢測電路。

為了可靠判斷晶閘管關(guān)斷，取相電壓的15度時(shí)為判斷的時(shí)刻=700×0.25=175V，即當管子兩端電壓高于175V時(shí)，判斷管子為關(guān)斷狀態(tài);當管子兩端電壓小于175V時(shí)，判斷管子為導通狀態(tài)，如圖4。

圖4　全關(guān)斷檢測原理分析

(a)分別是A、B、C三相電壓，(b)、(c)、(d)分別是共陰極組的三個(gè)晶閘管的狀態(tài)信號，它包括正向電壓和反向電壓，中間有30度的低電平，將b、c、d三個(gè)信號相與，得到一個(gè)脈沖系列信號e，表示管子已全部關(guān)斷。經(jīng)此信號用一個(gè)單穩整形為電平信號，用來(lái)表示關(guān)斷信號。

3　晶閘管全關(guān)斷檢測電路

圖5即為晶閘管全管斷電路原理圖。

圖5 全關(guān)斷檢測電路原理圖

每個(gè)晶閘管兩端分別分壓，按正反方向接兩個(gè)光耦，當管子兩端為正電壓時(shí)，其中一個(gè)光耦導通，如果管子兩端為負電壓時(shí)，另一個(gè)光耦導通，光耦導通時(shí)輸出信號都為1，否則為0。將這兩個(gè)信號進(jìn)行“或”處理，得到一個(gè)信號，如果“或”之后的信號(即一個(gè)晶閘管的信號)仍然為1時(shí)，則可判斷此晶閘管為關(guān)斷狀 態(tài)，反之則為導通狀態(tài)。

六個(gè)晶閘管的信號“與”之后的信號為1時(shí)，判斷此時(shí)為晶閘管全關(guān)斷狀態(tài)。通過(guò)調節單穩態(tài)觸發(fā)器RC與C的電阻及電容，使其輸出高電平保持60 ，這樣能保證準確反映脈沖狀態(tài)，所有管子關(guān)斷時(shí)就為高電平，當60 后無(wú)脈沖，則無(wú)高電平輸出。也就是說(shuō)，只要有晶閘管導通，則輸出的狀態(tài)信號就為0。因而在等離子體破裂時(shí)，導致正組續流時(shí)間增長(cháng)，就會(huì )有低電平輸出。

在此電路中，光耦工作在線(xiàn)性區，至少是在正弦波的下部是工作在線(xiàn)性區，即在正弦波底部電壓很低的情況下，光耦也能導通，真實(shí)反映晶閘管兩端承受的電壓。而正弦波電壓較高的那部分更能使光耦導通?，F在以一個(gè)光耦的輸出為例來(lái)介紹板子的工作原理。

先假設一個(gè)光耦