铀浓缩180kw中频电源工作原理及特性分析

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 铀浓缩 180kW 中频电源工作原理及 特性分析 【摘 要】铀浓缩工厂用 180kW 晶体管变频器是为工厂内主设备供电的 中频电源，属中频供电系统中的重要设 备。本文主要对 180kW 专用中频电源 进行了原理及功能分析，分别对变频器 动力回路中主要组成部分整流回路和 逆变回路的原理进行了比较深入的剖析； 对核心控制系统中央处理器的组成及 重要组成部分的功能进行了详细的阐述， 结合设备本身及运行情况阐述了 180kW 晶体管变频器具有的特性。 中国论文网 /8/view-12939459.htm 【关键词】变频器；整流；逆变； 中央处理器 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 中图分类号： TE938 文献标识 码： A 文章编号： 2095- 2457（2018）10-0071-003 DOI：10.19694/ki.issn2095- 2457.2018.10.032 Analysis of Principle and Characteristic of Uranium Condensed 180kW Medium Frequency Power Supply PANG Dian-ling SUN Ji-quan WU Zong-lu LIU Wen-jun （China Nuclear Shaanxi Shaanxi Uranium Enrichment Co.， Ltd.， Hanzhong， Shaanxi 723312， China） 【Abstract】The 180kW transistor inverter used in the uranium enrichment plant is an intermediate frequency power supply for the main equipment in the factory. It is an important equipment in the intermediate frequency power supply system. This paper mainly analyzes the principle and function of the 180kW -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 dedicated intermediate frequency power supply， and analyzes the principle of the main components of the inverters power circuitrectification loop and inverter loop； the composition of the core control systemthe central processor. The functions of the important components are explained in detail. The features of the 180kW transistor converter are described in the context of the equipment itself and its operating conditions. 【Key words】Inverter ； Rectifier； Inverter； Central processor 0 引言 180kW 晶体管频器（简称 180 变频器）是中频供电系统中的重要设备， 属自换流电压型变频器，是给铀浓缩工 厂主设备供电的中频电源；该设备具有 结构紧凑、集成化程度高、工作稳定、 操作简单等特点。由于 180 变频器是进 口设备，技术资料有限，在设备运行、 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 维护、检修方面都存在极大的困难。通 过不断的学习和试验，我们对变频器的 认识有了突破性的进展。本文将对其结 构进行介绍，对变频器核心部分的原理 及功能进行分析，以供学习、交流和借 鉴。 1 变频器动力回路组成及原理分 析 180 型变频器的动力回路包括整 流回路、滤波回路、逆变回路、补偿回 路。工频交流电压经三相半控桥式整流 器整流，经直流网络的 LC 滤波器平整 后，由自激电压逆变器转换成占空比不 同的矩形波，再经补偿装置滤波补偿后 变成电压从 200V420V 可调的三相正 弦波中频电源1，供主设备使用。 1.1 整流回路原理分析 整流回路由整流半控桥、充电电 路 A20、整流器控制装置、以及 RC 保 护电路组成，用来将 380V、50HZ 的三 相工频交流电转换成直流电输出，如图 1。三相半控桥式整流电路由三个共阴 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 极的晶闸管和三个共阳极的二极管组成； 当电容两端的电压经过 A20 单元充电达 到 400V 后，延时 20S 再接通整流器。 整流桥可控硅的触发信号是 5V 的电平 信号，相当于可控整流电路的 =0时的 情况，即共阴极的晶闸管和共阳极的二 极管均在自然换相点换相如图 2（a）所 示。整流可控硅只起到一个开关的作用， 控制整流器的接通和断开。整流桥上各 管的导通的时序如表 1 所示。 每只管子轮流导通 120，相位相 差了 60。整流电路输出波形可用电源 线电压波形表示，每个线电压输出了 60，如图 2（ b） 。从输出波形中我们可 以看出，一周期脉动 6 次，每次脉动的 波形一样，故该电路为 6 脉波整流电路， 其基波频率为 300Hz。 整流器的 RC 保护电路 （C1 C3， R1R3）用于抑制整流器 二极管和可控硅上反电压的增长速度和 增长量，对可控硅和二极管起到保护的 作用。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 1.2 逆变回路原理分析 变频器的逆变回路采用三相 PWM 逆变电路，逆变桥由 6 只 IGBT V1V6 和 6 只快速续流二极管 VD1VD6 组成，如图 3 所示。PWM 脉宽调制采用谐波消除法2-3，即适当 安排开关角，在满足输出基波电压的条 件下，消除不希望有的谐波分量，能够 消除的谐波次数越多，结果也就越接近 于正弦波。由于逆变器输出电压波形中 的低次谐波对交流电机的附加损耗和转 矩脉动影响最大，所以首先希望消除低 次谐波。 如图 4 所示，在方波 上对称的开出一些槽口的波形，此波形 属于四分之一周期对称波形，即同时满 足 u（t）=-u（t+ ）使正负两半周波 形镜对称，可消除偶次谐波）和 u（t）=u（+t）使波形奇对称，可 消除谐波中的余弦项，即周期为 2 的 奇函数，用傅立叶级数展开时没有余弦 项） 。这种波形可用傅立叶级数展开： 式中：Ukm 为基波及 k 次谐波电 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 压幅值，其表达式为 在输出电压波形的四分之一周期 内，其脉冲开关时刻都为待定，总共有 n 个 值，即 n 个待定参数，它们代表 了可以用于消除低次谐波次数的自由度。 其中除了必须满足的给定基波幅值外， 尚有（n-1 ）个可选的参数。在图 4 所 示的 180 型变频器 PWM 电压波形中： 共有 1、2 、 3 三个待定参数，即 n=3，可消除 2 个谐波。由于四分之一 周期对称波形的特点，已能保证不含偶 次谐波和 3 的倍数次谐波，从而可以消 除 5、7 次低次谐波。因此，只要根据 式（2） ，取 n=3，并令基波幅值 A 为要 求值，5、7 次谐波幅值为零，将可得到 一组三角方程 求解上述联立方程组可得出一组 对应的脉冲开关时刻 1、2、3 ，再 利用四分之一周期对称性，就可求出一 个周期内剩余的几个脉冲开关时刻。 谐波消除法采用数字式查表法， 可以消除指定的、对主机影响比较大的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 低次谐波，提高了输出电压波形质量。 但是，在变频控制中，每改变一次输出 基波电压值，就需要一套 角，这样， 它的数据库需要有一个庞大的角表格， 因此，对控制器的要求非常高。 2 控制系统的组成及功能分析 变频器控制系统的大脑是中央处 理器，中央处理器由主检验控制器、测 量检验控制器、二次电源板、外围检验 器四个模块组成，起到监控、分析、支 配的作用；其中主检验器和测量检验器 又是大脑的脑干和中枢神经。 2.1 主检验器的功能分析 主检验器主要由微控制器、事故 信号逻辑处理器、供电稳定器、光信号 收发器、CAN 总线收发器组成。主检 验器主要功能是实现对动力模块 IGBT 和可控硅的诊断和控制；同时，检测并 分析温度信号及水压差信号，检测电磁 接触器和制动插头的状态；通过 CAN Reapeat 接收 No2 柜的运行参数及各功 能器件的状态信息，在外围检验器进行 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 参数及状态显示。 主检验器通过 CAN BUS 总线接 收来自测量检验器的模拟量信号（电流、 电压、有功、无功、温度） ，并参与程 序控制与判断；同时来自测量检验器的 2 个故障信号 U 输出、I 输出直接到 达事故信号逻辑处理器，参与变频器的 硬保护； 2.2 测量检验器的功能分析 测量检验器由一个微控制器和一 个输入参数测量器组成。输入参数测量 器集成块主要将采集的变频器输入电压 及电流信号通过计算处理后送给微控制 器，微控制器本身接受通过专用测量通 道传输回的输出电压、输出电流、输出 频率、温度信号、水流量信号、有功、 无功信号，并连同输入参数测量器送来 的测量数据以信息形式沿 CAN 接口发 送给主控制器和外围控制器，以诊断和 显示信息。 为了更好的保护变频器及负载的 安全，测量检验器还设计了专门针对输 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 出电压、电流越限的事故保护通道，通 过比较器与设定的保护基准电压进行时 时比对，并将故障信号直接送主检检验 器进行故障相响应，以此保证快速处理 信号。测量控制器也形成输出电压、直 流电压、有功功率信号送抵主检验器参 与调节。 3 变频器的特性分析 通过对变频器结构及原理的分析， 我们可以看到 180 型变频器具有结构简 单、集成化、智能化、节能效果显著、 操作方便、运行可靠等优点，是相对比 较理想的中频供电设备。 3.1 动力回路方面 180 变频器整流回路的软启动设 计是通过充电回路实现的。当动力电源 送电后，先通过充电回路给直流侧的电 容充电；当电容两端的电压达到 400V 后，延时 20S 再接通整流器。充电时直 流侧的波形和整流器接通后的整流波形 相同，电压波形连续，由此我们以某一 线电压由负到正的过零点作坐标原点， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 来推导直流输出电压的平均值 Ud： 式中：U2 是交流电相电压的有 效值，U2L 是交流电线电压的有效值 充电电流 I： 式中：UC 是电容器两端的电压， R1、R2 是限流电阻， r 是充电线路上的 阻值。 直流电给电容充电，开始充电时 的瞬间电流最大，随着电容两端的电压 升高，充电电流逐渐减小，直至电容器 两端的电压和直流电源电压相等，充电 结束。因此充电开始的瞬间电流是最大 充电电流 Im，由公式（5）我们可以清 晰的看到，如果直接用整流回路给电容 器充电，R1+R2=0，r 很小，充电电流 非常大，对整流可控硅和二极管的冲击 很大；而充电回路通过限流电阻平稳、 缓慢地给滤波器的电容充电，有效的保 护了整流回路的动力器件，保证整流器 的可控硅在额定的电流下工作。 3.2 控制系统方面 变频器内部采用 DSP 数字控制 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 技术，具有强大的数据处理能力和超高 的运行速度，提高了整机的灵敏度和自 动化程度；变频器与变频器之间、变频 器与监测台之间采用 CAN 总线和 RS485 进行信号传输，使传输速度更快、 传输距离更远、信号传输更加安全可靠； 此外，变频器的主回路接触器与备用回 路接触器之间采用机械互锁，使互锁功 能更加稳定、可靠。 3.3 保护功能方面 180 变频器除了具有输入电压不 对称、输入电流不对称、冷却水压差降 低、输出端过压、输出频率偏差等基本 保护功能之外，还具自动重启功能：当 输入电流、电压不对称或输入电压下降 保护跳车后，在 72 秒内恢复供电，变 频器可以自启；当逆变器故障、整流器 故障、冷却水压差降低、冷却支路过热、 输出端过压和频率偏差保护动作，变频 器 8S 自检后自动重启，保护装置重复 动作时，变频器保证将负荷自动投切到 备用变频器并监测其准备带载的情况。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 4 结论 180 型变频器是新型设备，在设 计理念和软件技术上都比较先进；由于 外方提供的资料有限，检修维护工作