时间:2024-07-28
张 敏,余 娟
(1.株洲中车时代电气股份有限公司,湖南 株洲 412001;2.湖南铁道职业技术学院,湖南 株洲 412001)
一些工业应用和科研试验中,常常需要输出电流大、纹波小、变化快的直流电源。为了使输出电流大且纹波小,直流电源线路中一般采用大电感滤波,这导致电流快速变化(微秒级)的难度增大,于是引出了电流快速转移技术。所谓电流快速转移技术,指利用某些电力电子器件的开关特性,使主输出支路电流快速转移到其他支路,从而达到主输出支路电流快速变化的目的。
现有的电流快速转移方法主要有以下几种。
此法由快速机械开关和PTC电阻并联组成限流器。限流过程中,电流由快速开关直接转移至PTC电阻,电压越高,金属钨冷态电阻越小,电流转移越快;但是,电压太高会引起灭弧室体积变大,且金属钨冷态电阻太小会导致温度不能快速升高,造成PTC效应不明显,从而不能达到预定的限流效果。
此方法把快速机械开关、GTO开关和限流电阻结合起来,利用机械开关运行损耗小的特性,同时实现短路电流的两次快速转移。其缺点是快速机械开关的响应速度慢,断开时存在飞弧现象,并且没有解决转移电流调节问题。
此法是在电路中利用真空触发开关(Triggered Vacuum Switch,TVS)和快速合闸的真空断路器(Vacuum Circuit Breaker,简称VCB)并联构成快速关合开关,利用TVS快速关合电流源,同时利用VCB对TVS上的电流进行分流,从而降低TVS中的电流值并减少TVS上的电流导通时间,保证TVS的使用寿命。它的主要缺点是真空断路器体积大、响应速度慢、转移电流不能调节。
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)具有开关速度高、损耗小、耐压通流能力强的特点。本文研究一种基于IGBT并联编码电路的电流快速转移直流电源,以大功率IGBT作为快速开关,通过控制IGBT的通断控制电流快速转移、调节电流转移深度以及调节电流转移宽度。
系统由整流变压器、可控整流电路、滤波电路、快速开关电路以及电流快速转移编码电路组成。
系统主电路的原理如图1所示。整流变压器有2组绕组,分别为星形连接和三角形连接,两组绕组相位相差30°。可控整流电路由12组晶闸管和快速熔断器组成,一个晶闸管串联一个快速熔断器为一组,构成12脉波整流电路[1]。信号传输的流程:整流变压器隔离输入电源,并提供适宜的电压;可控整流电路将变压器输出的交流信号变成直流信号;经过T型LC滤波电路,输出纹波小、稳定度高的电流;IGBT0作为快速开关,控制电源通断;电流快速转移编码电路控制输出电流的转移和深度[2]。
图1中,电流快速转移编码电路由8条串联支路并联组成,每条串联支路包含一个IGBT串联一个电阻。每条支路中电阻R的取值应确保发生电流转换时各个IGBT通过的电流满足以下要求:IGBT1通过的电流为额定电流的1/2,IGBT2通过的电流为额定电流的1/4,依此类推,IGBT8通过的电流为额定电流的1/256,IGBT9通过的电流也为额定电流的1/256;当编码控制IGBT1~IGBT9导通时,输出电流可调节达到总电流的0%~50%,调节精度达到总电流的1/256(约0.4%)。
图1 直流电源主电路
系统中所有的IGBT(IGBT0~IGBT9)都有独立的控制信号,控制信号由控制电路发出。电源系统控制电路的组成如图2所示。
图2 直流电源控制电路
电路采用DSP+CPLD作为控制核心进行计算与处理;采用液晶显示器显示电源系统的状态;控制系统采集来自3个直流电流传感器和一个电压传感器共4路检测信号;进行电流转移时,由控制系统为10个IGBT提供控制信号,通过IGBT的导通控制输出电流的大小;控制系统还具有光纤通信的功能,通过RS485光通信接口与上位机进行通信[3]。
经实践生产检验,基于IGBT并联编码电路的电流快速转移技术相对于传统的机械开关投切技术,可以避免机械开关在投切过程中的拉弧、噪声等问题;基于IGBT器件良好的性能,响应速度从几十毫秒降到了几十微秒;电流转移的宽度由程序控制,可从数微秒到数秒之间调节;实现电流快速转移的同时实现了电流的多级、高精度可调;IGBT的排版采用模块化设计,所有IGBT装在一个模块中,过电压低、安装尺寸小,可以实现批量化生产。综上所述,本直流电源具有电流转移响应速度快、转移精度高、电流纹波小等特点,适合在众多需要电流转移的场合推广使用。
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