（电力电子与电力传动专业论文）高压脉冲直流电源的应用研究.pdf

嗡尔滨工程大学硕士学倪论文 a b s tr a c t eh i g h v o l t a g ep u l s ep o w e rs t u d i e di nt h i sa r t i c l ea d o p t e dt h es t a r p o i n t c o n t r o l l e rs c h e m e w i t c hw a sa p p l i e di nl h r hs y s t e ma b o u ts o m ec o n t r o l l e d n u c l e a rf u s i o na n dh a st h ec h a r a c t e ro f h i g hv o k a g e g r e a tc u r r e n t h i g h p o w e r s t r o n gp u l s ea n ds oo n t h e r ea r es t a t e dt h e o r ym e a n i n g a n d i m p o r t a n tu t i l i t yv a l u e a b o u tt h ew h o l er e s e a r e t l t h ea r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e dt h ec o m p o s eo fh i g h v o l t a g ep u l s ep o w e rs u p p l y a n dt h e nc a r r i e dt h r o u g hc h o i c eo ft h ep o w e ra n dp r o t e c t i o nc o m p o n e n tu s e di n h i g h v o l t a g ev a l v ea n dt h y r i s t o rd cp o w e rt h r o u g hd e t a i l e dp a r a m e t e rc a l c u l a t e a n dc a p a b i l i t yd e s i g n n e x t w ec h i e f l yd e s i g n e dt h r e e p h a s et h y r i s t o rc o n t r o l l a b l e d cp o w e r w h i c hw a sa b r o a da p p l i e di nh i g h p o w e ri n d u s t r y c o n t r o lf i e l d t h e c o r ec o n t r o lt a c h e t r i g g e ra n da d j u s t o ri st h er e s e a r c hh o t s p o to fp o w e re l e c t r i c f i e l d t h ea r t i c l er e s e a r c h e dn e wt y p et h y r i s t o rt r i g g e rt h a ta d a p t st h ef r e q u e n c yo f i n p u tp o w e ra u t o m a t i c a l l y t h e na n a l y z e dt h ed e s i g n i n gw a y sa n dp r o c e s so f f r e q u e n c y t r a c k e dt r i g g e ri nd e t a i l y e tv a l i d a t e dc a p a b i l i t yo ft r i g g e rt h r o u g h e x p e r i m e n ta n da c t u a la p p l i a n c ei np r o j e c t w ea l s ob u i l du pt h ef a u l t d i a g n o s e d a n dd i s p o s a lc e l lo fh y p o g y n ym a c h i n ew i t hs l m 籁f i c 7 2 0 0p i c b e s i d e s p r o g r a m m e da n dd e b u g g e dt or e a l i z ev a r i o u sm o n i t o ra n dd i a g n o s e m o r e s m a r t d e s i g nm a k ep r o t e c t i o nf u n c d o nm o r ep e r f e c ta n da c t i o nm o r es e l l s i t 2 v e s oi tc a l l r e a l i z ep e r f e c t s w i f ta n dr e l i a b l ep r o t e c t i o nu n d e rf a u l tc o n d i t i o n f i n a l l y w e c a r r i e dt h r o u g hv a r i o u sl e a v e f h c t o r ye x p e r i m e n tt oh i g h v o l t a g ep u l s ep o w e r s u p p l yt h a tc o m p l e t e dd e s i g na n dm a n u f a c t u r e t h er e s u l ta b o u te x p e r i m e n t i n d i c a t e dt h a tt h ec a p a b i l i t yo f p o w e r s u p p l yc a ne n t i r e l ya c h i e v et e c h n i c a lt a r g e t k e y w o r d s h i g h v o l t a g ep u l s ep o w e rs u p p l y f r e q u e n c y t r a c k e dt r i g g e r t h y r i s t o ri x 2p o w e r h i g h v o l t a g ev a l v e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 本论文的所有工彳乍 是在导帮的指导 下 内作者本人独立完成的 有关观点 方法 数据和文 献的引用已在文中指出 并与参考文献相对应 除文中已 注明萼l 爰麓内容努 本论文不包含饪德箕谴个入或集体已 经公开发表的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到 本声明鲍法律结果蠢本人承担 作者 签字 趔 日期 湘口 年1 月2 o 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 课题背景 1 1 2 1 3 1 第1 章绪论 西南核物理研究院某型装置是可运行于偏滤器位形的大型受控核聚变研 究装置 其主机部件从德国引进经改造而成 磁场电源系统及其它设备都由 我国自行研制 其供电系统具有近3 0 0 m v a 脉冲冲击容量 采用电动飞轮发 电机组对能量进行转换 储存 功率放大 以减小对电网的冲击影响 此装 置共需环向场电源 欧姆场电源 垂直场电源 多极场电源和水平场电源等 五种不同作用的磁场电源 它们大都可以采用晶闸管变流器来完成 本课题源于上述装置中实验的需要 研制了应用于该装置低混杂波共振 加热 l h r h 系统的高压脉冲直流电源 采用基于星点调压控制技术的高压电 源方案 其低混杂波电流驱动系统 l h c d l o w e rh y b r i dc u r r e n td r i v e 是将直流 功率转换成射频功率或束功率 需要高压电源 低混杂波共振加热 l h r h l o w e rh y b r i dr e s o n a n c eh e a t i n g 系统及其脉冲高压电源的主要作用是在此 装置放电期间对等离子体进行二级加热 以获得更高参数的等离子体 低混 杂波共振加热和电流驱动的工作频率为几个g h z 连续波功率达几百k w 至m w 级 低混杂波辅助加热系统对该脉冲高压电源的要求如下 额定功率7 5 m w 额定电压5 0 k v 额定电流1 5 0 a 电压稳定度要求4 1 电压上升时间 l o m s 电压下降时间 1 0 m s 此电源必须先在假负载上调到5 0 k v 1 5 0 a 的额定指标 接上速调管负载后 再进行装置的低杂波电流驱动试验 1 2 发展与现状 1 2 1 高压脉冲电源的发展与现状 m 1 脉冲功率技术与高功率脉冲电源 是2 0 世纪3 0 年代产生 2 0 世纪6 0 哈尔滨1 张大学硕士学位论文 年戴淡采逶速发震 并逐潦形成 i 独立学辩戆赣兴菝术矮域 豫静功率技 术 是积较小功率的能量以较长时间慢慢输入到能储存能量的设备中 将能 量进行压缩与转换 然后在极短的时间 最短可为纳秒 以极高的功率密度 良负载释放静电物理技术 实质上麓舔出功率对浚入功率的放大 脓冲藏蔗 电源可飙以下方面分炎 1 从供电方式角魔分 电容储能 电感储能 发电机 电网等 2 从采用的主要技术路线角度及脉冲宽度热度分 调整管诿锻接零翡窄赫渖 g s 级 8 0 k v 2 0 a 窄赫狰调麓受高压邀源 上升时间小于2 9 s 脉冲宽度几微秒到几十微秒 占空比小于1 脉冲电压 8 0 k v 电流2 0 a 脉冲密景1 6 m w 鑫瓣管交流遮压技零的短默潆 m s 缀 遥避交压爨簿矮 鑫阙管交滤 调压器 褥经变压器多午压 高压磁搬流器 高涨滤波网络滤波后输出 稳睡 控制采用晶闸管交流调压器粗调 调制器细调 达到需要的波形 星点控制技术的长脉冲 百m s s 级 与潞闷管交流调艨型高压电源炎 酝 不溺的是挺调嚣装霪接予基点疆路 鑫阕管调匿器由交流调压控镧竣为 直流整流控制 具有熬好的控制特性 高压滤波电感改为低压电感更易加工 并减低成本 忿乡 逐窍鑫瓣警麓压整滚器 躲羚步级调露l 按术 p s m 开关遣滠援零 等 最聪 不管晶闸管交流调压 述艇点控制 都不能没有高耀调制器或i g b t 串联开关组件 而这两者技术难度大 基于p s m 的高压电源的最大的好处在 于利用了i g b t 的快遥控铝l 特性 又避开了i g b t 熬直接串联 裂用各个开关 电源翡p 掰调节控潮 简纯了高疆滤波环节 并可瑷在不阉静电压处弓 出 同时给不同电压等级的负载供电 中科院等离子体物理研究所正猩运行的h t 一7 装置以及正在建设的h t 一 7 毽装置必滚是霹藏熬鹣要求 德餐l 磺裁了6 0 g i t z 2 t o k v 与l l o g h z 5 0 0 k w 长脉冲的e c r h 系统用予电子回旋共振加热 期间他们与合肥工业大学能源所 合作研制的高性能负高压电源系统 取得了相獭的成功 其脉冲幅度要求 一8 0 k v 0 3 甄 躲渖宽浚1 0 一l o o m s 弼调 脉冲懿露浍均不大予l o o g s 工佟 电流这8 a 国际上有影镌的核聚交装置翔j e t f t u t o r es u r p a h t 一7 蛰 装置上的微波电源都采用相控变流器电源模式 结构简单合瑷 技术经验丰 2 哈尔滨工程大学 撒士学位论文 寓 但也有商愿环节多 储能高 安装维护要求高 动态响应迟键等缺点 2 2 晶闸管触发技术的发展与现状啪 叭 3 近鹳年采 传建着燕阕警塞身静发袋 越发器魄程不甄的演遂 其历程 w 分为四个阶段 分立嚣律构成的裙始期 多片集成的成熟麓 数字化的提高 性能期 未来的单片智能期 分立式晶阚管触发器己被集成式触发器所取代 在耨生产的晶闸管类电 子设备中 分立式疆发器己不再使震 羔篷纪7 e 年代爱鬻及8 0 年代裙籁授 遮的电力电子设备 这类触发器正在被不断地改造和淘汰 电力电予成套装置中所用晶闸管触发器的主流愚集成式触发器 这类触 发嚣静粪繁多 曼强多冀撰羧式集残块秘袋 零弱兹蠢k j 0 0 4 k j 0 0 9 t c a 7 8 5 婶 在国内也肖应用时基电路5 5 6 或5 5 5 和运放l m 3 2 4 配合使用构成的集 成触发器 单片集成触发器近几年的出飙 用以取代移片k j 系列戏t c a 7 8 5 象歹l 构成的触发器 其用爨歪逐年扩大 这类触发器商t c 7 8 7 t c 7 8 8 等型号 数字式簸发器由予箕籀位控隶l 精度蕊 控籁方式爱活 弥餐了模叛式集 成触发器使用必须确定同步电压相序 滞增加同步变聪器等不足 在第一代 数字式触发器 由单片机最小系统实现 的基础上 己开发了具有相成白适应 功戆及枣对穰确辘熬单片数字式魅发嚣 建k c l 6 8 k c t 8 8 c a 6 1 0 0 等 晶闸管触发器的配套件如脉冲变压器 功放单元锋逐片系歹o 他 标准化 晶闸管触发器中应用的脉蹴调制技术和强触发技术得到了飞速的发展 使触 发嚣输出脉 申的调制频率越来越离 脉冲交压器的体积愈来愈小 融发器的 慈功耗霞盏降低 此外 在可预见的时间内 将是各种电力电子器件公平竞争 取长补短 共同发展的阶段 因而近期晶闸管并不会退出历史舞台 其仍将作为大型电 力毫子成套装嚣魏毫簿 惫镀等邀讫攀及壹滚毫嚣炉 盏滚输电炎毫力电予 成套装置中所用的功率器件 晶闸管的触发器技术的发展趋势可预测如下 晶闸管触发器的配套件将更加系列化 模块化 标准化 给使用者带来 囊大懿方蠖 触发器豹耱类瞧将惹来越多 展开竞争 饯整劣汰 键使其在 晶种上成系列 在性能上不断提高 同时 晶闸管触发器模块将使用得越来越 哈尔滨工穰大学硕士学位论文 多 绘魄力整予成套装嚣黪安装等露寒方霞 臻蘩有完善绦势凌戆瓣叁对稳 相位自遗应触发器的使用领域将扩大 并成为触发器的主流产品 此外 触 发器与晶闸管集成为一体的巨型晶闸管模块将出现并扩大使用领域 给电力 电子幸亍渡躯设计人员秘健鼷人员豢寒极大的方便 将成是菇耀管及触发嚣搜 用的主流 最后 革片数字优鼹发器 将迸一步提高晶阐管炎电力电子设备 的性能和档次 并实现保护 触发 功率因数补偿 功率因数校正等一体化 3 零论文磺究的善麓 意义和技寒难赢 高压脉冲电源具有高电压 大电流 高功率 强脉冲等特点 如何合理 的设计各个控到巧节以达至l 最优懿按铡效果具骞一定静理谂爨义秘重要懿实 用价值 两对广泛应溺于大功率工业控制领域的三稆晶阐管w 控直流电源中 的核心控制环节触发器和调节器的设计也是电力电子领域的研究热点 本论文的技术难点及创新健在予 1 舒对绪统晶阕篱皴发器无法逶应同多毫源频率丈范围交亿静缺点 设 计 实骏并调试了以频压变换技术为核心的新型鼎闸管频率跟踪触发器 实 现了在同一移相控制泡压下 当同步电压频率大范围变化时触发器输出触发 稼 孛懿惫燕疫保持不变躯嚣弱 跌露满足了顼羹慰蘑步毫蓬颗率交纯露鑫阕 管准确触发的要求 并通过实验和工程实际应用验证了触发器的性能 2 从电力半导体器件自身和外围电路两个方面对串联电力半导体器件的 不均压蛔题进行了分树 并扶以上鞭方面黄手采取摧魏 基本孵决了高匿阕 每整流饕多率袋元彳孛豹均嚣及尖蜂遂惩吸较问邋 3 系统功率回路电压很高 电流很大 故在进行系统功率元件及保护元 件参数计算时根据实簖工况留有一定裕量 并应用了部分经验公式进行计算 1 4 谦魏的主要内容 1 对系统主回路方褰进行了设计 并根据额定输出壹滚魄压 电流静鼷 求对磊阐簧整流柜与藏匿阖主要参数及性能指标滋行了详缨缝设计计算 z 由于此电源设锯应用到的飞轮发电机放电过程中飞轮储存的能量大小 4 咯尔浜王疆大学联 学位谂文 在变化 弓l 起发电机的转速在变化 所以取自发电机输出的同步电聪的频率 在8 0 h z 1 2 0 h z 变化 针对传统晶闸管触发器无法适应同步电压频率大范围 变化的缺点 提出了晶闸管频率跟踪触发电路的设计思路 主要疲用频率 窀压变换爨影v 把交纯的溺步惫嚣供电颓率绩号转换兔跟踪其线魅炎健豹 毫压藩号 褥淤该可交毫嚣蕊号律受毫压 电滚交羧器 v 囊 豹给定 缳诞v i 输出向锯齿波电容充电的电流严格跟随同步电压频率的变化 也就保诞了锯 齿波的幅值恒定 从而实现了在同一移相控制电腰下 当同步电压频率大范 围变化时触发器输出触发脉冲的电角度保持不变的目的 也就满足了项目对 同步电压频拳交纯时晶阕管嘏确皴发豹要求 在j 魄设计愚路基础上进行了详 缨幕瑟宠整懿实验 调试 著辩蜜验中密嚣静阀题遂行了分辑 3 对系统综合信号处理电路 给定信号处理 保护等电路 进行了完整 的实验 调试 并对存在的设计缺陷进行了部分改进 4 为了对每台晶闸管直流电源的运行工况随时进行监控与自动诊断 应 用西门予s 7 2 0 0 系列p l c 麴建了系统的故障诊颧及处理功能 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章系统工作原理及技术特点 2 系统王 乍原理概述 脉冲嵩压毫源由翦级整流 可控硅调惩 电感瞧容无源滤波缝成 系绫 的工作方式为脉冲邂行方式 脉宽为1 0 秒 间隔为l o 分钟 工作原理 见图 2 1 为 电网的电 经过交流脉冲飞轮发魄枧组g 3 极组 进行电气隔离 能爨转换和存储后 由发墩杌输出两组相位相差3 0 发电机的两个星接绕 组棚位互错3 0 的三相交流电源 3 k v 在装置一次放电运行的l o 秒内 由于放电过程中飞轮储存的能量大小在变化 引起发电机的转速在变化 所 以发电机输出电压的频率由1 2 0 h z 下降到8 0 h z 发电机的输出接霹台降压变 压器 3 k v 6 0 0 v d y 降压变压器精接整流变压器t l t 2 6 0 0 r 3 2 k v y y 每盘蹩流变压器的初级绕组在星点处开路 接入晶闸管可控攘流桥v t l v t 2 在该整流桥盼直滂i 侧接可控续流管和电抗器 次级绕组接整流二极管整流桥 高愿阀 v d l v d 2 两组高压阀串联或并联输出脉动直流嵩压 邋过改变鼹 阉管可控整流桥静触发控鞠角瑾来调节高毯阀输出悫流电聪值 即羼点调愿 圈2 1系统总体结构篱翻 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 滤波壤惑三窝滤波惫容c 兹残您遥滤波嚣节 楚褥簸密魄莲纹波系鼗小 于 1 可等效放鬣在低压星点处 其滤波作用仍等效高压侧 限流电阻虎 和滤波电感用来限制故障电流 遏此故障冲击 调制器包括高压四级管和输 出缓冲嚣 其中西级篱可同时实现调压 保护 秘默宽控制 受载为阻瞧逮 调管 2 2 星点调压简介婚 1 2 1 2 2 1 毖点调压工作原理介绍 星烹调歪覆理示镌鼹图2 2 u s 巍三媚交流埝久毫嚣 秀疆整滚变压器 t r 的原边绕组接三相龋闸管相控懿流桥 而副边接三相二极管不控整流桥 用改变t r 低压侧整流桥相对于瞻的触发相位角靠来改变高压侧整流桥输出 直流电鹾镶 电感三露凝流过所有原边电淡 其作用等效于直流输出母线上懿 滤波电感 困诧 表现为一个电流变压器 l d 可按t r 交魄k 的平方折算到 高压侧的觳流输出直流母线上 设计l d 时可先按艇流器的高臌侧滤波要求确 定电感量褥折算回低聪侧 g d 为电感损耗折算成的电阻 r 2 为阻尼电阻 c 为滤波邀签 图2 2 恳点调压原理简图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 峦予滤波毫感王终在交压器繇惩镶 囊鬟缝缘拳平 毫感篷蘩大大舞低 电感体积也大为缩小 晶闸管也工作在低压侧 不需多个串联 投资大为节 省 缺点是 高压侧负载电流不能太大 否则晶闸管承受电流较大 换相时 闻较长 龙茭a 2 0 4 融 星淼调压把商艇灞压问题转纯为升压交基嚣的低压髑晶溺管楣控谲节 对晶闸管耐压 电抗器绝缘以及电路的控制都十分有利 而且高压直流母线 上的直流滤波电感被变压器低压侧的滤波电感取代 电感量媳大大降低 2 2 2 遐点调压方式的理论分析 整浚变压器 r 甄 截迭携量关系燕螫2 3 沥鸯汤懿蕊波努量 函兔 t r 的等效漏感 妒为协 毛阉的相角 考虑换流时间产生的筹效换流电隈捌 变压器剐边方程式见 2 1 4 6 u 2 3 k m e l 五 兄e 2 1 蔹u 2 艘t 3 k 2 c o l i 玩 3 粕 2 2 式中 k u 2 u 1 2 对相控整流带纯感性负载 矾 巩 如应同相位 可列出计算公式 冕式 2 3 u s c o s c x u 3 c o sc p u 1 u ss i n a u 3s i n e x 1 1 1 u 燃 3 k 2 0 0 l i t 3 g k i 娟 确l d 娟 啦i l 猢 并求得式 2 4 一 u t r g l 3 k 2 越t 吼 3 6 k r 由式 2 一驺 一 u d 3 6 uc o s c p m j d 硝 r d i a 及式 2 6 i a k l k u r l 可将式 2 7 g 2 4 2 5 2 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 u 3c o s q x r d 3 c o l i k u 3 4 6r f 一7 最后求出整流变压器原边星点开路接入的晶阐篱可控熬流桥的触发樵位 角d 及原边三相交流输入电压蕊 与副边三相二极管不控懿流桥直流侧输出 电膳魄的变换关系见式 2 8 u s 掰 生墅骂 坐u m u l 3 4 6 k r 2 c o s a m 2 8 圈2 3 熬流交疆器h 交嚣器嚣 铡逮籀量潮 2 3 晶阑警整流栏和嘉涯阀麴原理及技术特点篱会 2 3 星纛控制羽晶溺警整流榛的漂壤及技术特点 2 3 曩溺警塞溅毫滚整滚柜主纛路蒙鹫 由晶闸镑可控整流桥及在该整流桥直流侧所接的可控续流管和电抗器缎 或懿4 敦a l 媾型璧杰控利翔鑫阉豁壹滚毫源整流壤主迄爨嚣理霆麴图2 9 哈尔滨工秘大学硕士学位论文 a b c i i 昆 u 烈 i 巨 黯 眵 一 压主砸毫肝 玉 再哥 一m i 一一 嗽皋俦巷 士 i 垂l l l 旺 蠹压乏压 譬 硅 p e y y kk 蕾 圈2 44 5 k a l k v 型星点控制用晶闸管直流电源的主电路原理圈 图中发起三媚竣入电掇牙 b o 来鑫静琵懿熬滚变匿器一次穗熬绕缝蓬 点处 一次侧绕组输入接飞轮储能发电机的输出 并联在三相晶闸管整流桥 羧入端熬羹黟接法熬阻吝串联网终 r a r c c a c c 及妖熔窝鬟敏电隧吸 收网络 f u a f u c r v a 哪聆 用来起输入过电压保护 晶闸管w 1 v t 6 构 成振准的三褶掭式众控整瀛电路 它用寒在综合控制电鼹 移摆皴发控割瞧 路 脉冲功放及隔离单元配合输出触发脉冲的作用下 实现输出爨流电压从 0 1 0 0 0 v 躲讽节 图中f u i f u 6 为保护用快速熔叛器 它月来邀行过滚葳 短路时的快速切断主电路保护 防止事故扩大化 与每个晶闸管元件并联的 压敏电阻及阻褰串联网络越尖峰过电压吸收终用 并联程纛滚侧的退阻霆与 电容c 起赢流侧尖蜂过电压吸收作用 h 1 1 和h v l 分别为霍尔电流传感器和 霍尔电压传感器 用来进褥输出煮滚电流翻输出直流电压的检测 整流桥的 负载为1 2 m h 6 m q 的电抗器 直流输出端并联相按的v t 0 1 v t 0 2 两只晶闸管 为续流管 当接收到上位机的鳃封锁信号藤开通整渡褥 按照移棚控制售号 的大小调节三相全拄整流桥中晶闹管的导通角 按用户给建指令的大小控制 整流桥的输出 一熙解封锁信号擞消且三棚全控整流桥直流侧有电流输出时 则封锁三相全控整流桥中髂闸管之触发脓冲 同时开通续流支路中的晶闸管 直到电流为零 无论在何时 只要接受到上位机的故障信号或三相全控整流 1 0 咯尔滨工穰大学硕士学位论文 援零身豹故障售号辩 遣瑟立帮封镁三鞠全控整瀛褥中静鑫阉管之继发躲挣 并同时开通续流支路中的晶闸管 2 3 2 鬃阐警壹滚耄源整流框按零特轰8 1 1 并联晶闸管整流元件的均流措施 由于簿叁星点控裁弱熬阕管整滚燕赣爨毫渡瓣兔4 5 k a 每令整流褪续 流支路需两只晶闸篱元件并联 所以要考虑均流措施 均流分动态均流与静 态均滚嚣令方嚣 势态均滚毽据对整滚挺内每令熬滤譬中嚣并联弱整浚元传 按漏电流 关断与开通等特性曲线严格挑选配对 对与每个元件串联的快熔 内阻参数邀行严接挑选配瓣 结构没诗上从邀场与磁场强令霆度考虑元爨传 的安装与分布 使备整流元件的电流通路路径长度趋于一致 安装时应用专 用的压装工蒸来压装元件 躁证接皴电疆一致 撼裹静态均滚效紧 对动态 均流还应保证触发脉冲使备并联支路中的晶闸管开通时间尽可能的一致 不 同晶闸管触发脉冲的翦沿谈差尽可潍小 在布线上使各触发脉冲线长度一致 解决动态均流问题 2 过电压保护 接在阀侧 赢流侧和整流臀上的电襻器或过压吸收器能够吸收电流 换向过电愿 快熔分断过电压 正常操作下网侧赢压开关投切时所产生的操 作过电压和 正常电气条件 规定范围内的来自阀侧或直流侧的羹复和不藏 复瞬态浪涌过电压 以保护整流器兔受可能出现的各种浪涌过电羼之危害露 安全工作 各 建压吸收电路中都串有快速熔断器 以防止电容器或过压吸收器 击穷损坏丽葶 起事蔽 快速熔断器熔断后其微动开关发出撤警信号 具体过压保护措施 由于该两台晶阐管整流框的整流电鹾相对较简 加之发电机功率容量及 整流变压器褰量相对不是很大 负载又为大电感负载 所以发生动态尖峰过咆 压的凡率甚高 为了使该整流设备搿靠安全的运行 采取了下列三种过宅压保 护措旌 首先在整流柜的三相输入侧增加尖峰过电压吸收的阻容网络和压敏 电激两络 其次在簿个整流元件旁并联阻褰吸收网络及压被电阻网络 及在 直流输出侧并接阻密吸收网络和压敏电阻网络 这些网络的参数经过第二章 详缩诗算薏进行选择 经动态尖峰过压僳护这蜀最往 第三 对静态过匿保护 嗡尔滨工程大学硕士学位论文 采用裰尔电压传感器检侧赢流输出电压 再懑过比较器与设定门槛进行比较 的电予式保护 使静态过臁保护稳定可靠 3 j 整憋流保护 歪嚣运芎亍条锌下 受载毫瀛受控裁系统控制 当控隶l 系统失去控每8 俸用 或发生短路时 保护措施有 赢流侧发生短路时 整流器承受直流短路过电流的能力为5 正胛 时间 5 0 0 m s 整流元件和快熔在高压开关跳闸 断路时间小于5 0 0 m s 之前不会损 坏 攘流鸳内菜支潞熬漉元 孛霸反淘击穿掰臻环对 与其窜联的快速熔戮 器熔断 迅速切断短路嗷流 并隔离故障部分 使非故障的整流元件免受损 坏 快速熔断器熔断后熟微动开关发出报警倍号 对静态过流采用程离流侧应用霍尔电流传感器进行直流取样 在交流 输入侧应用交流电流互感器进行输入交流电漉取样螽与设定门燃镶避行比较 进嚣嘏予式 采护瓣方法 磐垂乏可黻对受载越辩雩 怒兹蓬滚及殿熬漉褥中磊濠 管元 牛的损坏引起的过流都可进行可靠的保护 2 3 2 整流二极管高压阀的原理及技术特点 2 3 2 裹压溺圭毫路激疆 麓匿阚 1 5 0 h 5 0 k v 醚整流装置 起装鸯8 个整流譬瀣 譬 熬流毫路采用 三相桥式二极管整流连接 结构如图2 5 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 罔9 4盥9 5 i 盂 孓茜 nn 躲 弱 r 3 r 1 h 卜t 斗 卜t 一 n卜j 铽4科9 5 f 两 l 翻l 曩菇 案 际 f 茬习 m们i 圈2 5 褰磊蕊 1 5 0 a 5 0 婶硅整滤装嚣 结稳摄瑾筵阑 图中三相输入电聪a b c 来翔整流变压器的二次侧绕缎 每臂整流管 v d l l l v d l 9 5 具体编号为v d i l l v d l l 5 v d l 2 1 v d l 2 5 v d l 9 1 v d l 9 5 圜为单个二投繁的额定电压小于实际要 求 每5 只整溅篱串联组成一 个整流组件 每个整流储由9 个整流组待率接蔼成 组 孛之湖通过锅拜壹接 连接 v d 2 1 1 v d 2 9 5 v d 3 1 1 v d 3 9 5 v d 4 1 v d 4 9 5 v d 5 1 1 v d 5 9 5 v d 6 1 1 v d 6 9 5 构成标凇的三相桥式不可控整流电路 对多个串联的整流组件 及每个缓 譬审翡二掇餐璃痘矮动态墨静态 缘歪潮终 窝中与繇令整滚管元 譬 并联的无感电阻与无感电容串联网络起尖峰过电雁吸收作用 与每个整流管 元件并联的电阻起静态均压作用 从而达到对整流管的保护 2 3 2 2 枣联毫力半导傣器馋的均聪淘题臻究 1 串联豹激力半导体器侮不均压静源因 由于本高压阀 1 5 0 a 5 0 k v 硅整流装置 满足额定输出直流电压为5 0 k v 时 的最高输入线电压高达4 2 3 0 0 v 电源输入及输出电压都较高 雄个电力半鼯 俸器传楚无法擎独承受这类交流装纛孛懿毫歪与奄滚静 在遮耱馕焉瑗台 我们不得不采取多个电力半导体器件串联来满足阻断时的阻断电压需要 每 哈尔滨工稷大学硕士学位论文 令整浚罄霈4 令整滚元箨宰联 穰审联豹器臀蠹予疆下豹溅困会鑫现不均 压 电力半导体器件自身特性的原因 伏安特性静蓑器 伏安特性的差异会引起静态不均压 在葡 漏电流条件下 伏安特髋较 软的那个晶闸管在串联时承受的电压较小 反向恢复电荷不同 当嘏力半导俸器俘麸导逶转为关薮对因英滚滚子要复嚣褥爨瑷反肉浚簸 电荷 对熬流管类电力半导体器件来讲 该反向恢复过程定义为反向恢复时 问 反向恢复电荷的不同可以看作怒反向恢复时间存在较大麓异 反向恢复 电费最 l 戆元磐将最惫关瑟 在与莛枣联懿其德毫力半导体嚣终还未反惫恢 复完全关断时 最先关断的电力半蹲体器件将承疆较高的电磁 开关时间的熬异 电力半导体器件帮关对间的蓑器将导致数个魄力半导体器馋串联时 屡 导通或畿关鼗静器释承受高豹电压 d i d t 与d v d t 的差异 在串联的多个半导体器件开通时 该电力半母体器件可承受的d i d t 和 d v d t 羹接影响羞其嚣关簿蘑 瞧藏影响着葵稳滋弱效果 外围电路的原因 不论是什么样的电力半导体器件 工作时总怒要与外电路涟接在一起的 蜃以外豳瞧路的性能会影响妥串联的电力半导体器 孛的均压 外嚣电路对率 联电力半强体器伴的影响主要有戳下几点 一魑簿效著联电黼的差聚会影确 静态均压效果 二是炎峰过电压吸收网络参数的麓异会影响动态均压效果 三是触发电路的性能好坏也会会影响动态均压效果 2 实褒多令串联毫力拳毒露器锌均矮戆接藏 所以必须充分考虑均压措施 寓现多个串联电力半导体器件均压豹措施 可以从电力半导体器件自身和外围电路两个方面考虑 从瞧力半导体嚣传皂身着手 主赘避对电力半等体器俘静特性参数迸霉亍努 选配对 严椿秽l 选配辩下列 参数 1 4 晗尔滨工程大学硕士学饺论文 反向恢复电荷 使同一个串联臂上的器件的反向恢复电荷误差尽可 能的小 应按电力半导体器件的实际与额定魄流 工作结温来挑选这些参数 甑态酵承受正淹袋反寇毫压时夔正爱肉潺毫滚 经测试露拣选潺电 滚魏缱相同或相近魏魄力拳导俸器释装予一个串联鹫上 导通与关断时间 要尽可能保证导邋与关断时间误差尽可能小的数 个电力半导体器件串联猩同一个臂上 触发与控制特性 要把门极触发控制特性误差小的电力半导体器件 装于一个串联戆元件譬上 使绉赛窀匿 骨率或旗赛电流上升率稠围豹电力半导俸器 串装于一 个串联臂上 此外还应注意各元件的开通时间 开通电压阈值 保证串联支路中的 二 极管歼通时间及开通阈慎电压尽可能的一致 从使用的乡i 围电路中采取措旌 痰予无法遥蓬雾i 选缓攀联鹣数拿毫力半浮体器捧貔土述参数宠全程同 所以在尽可能挑选电力半婚体器件参数的问对还可通过外围电路参数的合理 选用涞弥补元件自身性能的差异使均压性能变好 要通过选择使器件旁并联的阻容串联动态均压网络参数误差尽可能 的小 其中电容蛉计算与选用应按该臂中掰窜联元俘中最大与疑小反向恢复 电饕瓣差篷来诗篓 毫瓣麴功率及宅骞静麓爨疲蜜骞充分兹安全狯量 在器件旁并联的静态均压电阻阻值成为该器件阻断时黼值的l 3 0 1 5 0 且电阻的功率应髓有足够的裕量 电阻的阻值误差应尽可能的小 对与每个整流元件并联的动态与静态均愿网络全选用无感元件 电阻与 电容的参数也应进行严格挑选配对 电阻选用纯无感的氧化膜电隰 丽电容 遥瑟纛感卷绕豹其毒缀始麓频经戆戆蒙酯薄貘逛客 另一方嚣葶 线采蠲双绞 线与被均压的二极管组件相连 使分布电感及弓 线电感降刮最小 从而使均压 效果达到一个很高的水平 2 4 本章小结 本章内容为系统工作原理及技术特点介绍 既对整个嵩疆歉冲电源系统 精尔滨工程大学硕士学位论文 的总体工作原理进行了介绍 又分别对晶闸管整流柜和高压阀作了详细的原 理和技术特点介绍 蘩一节慧体分绍了系统王佟蘸理 第二节对星点调麓工作源理及理论送行了薰点分橱 第三节分为以下两部分 第一部分主要是对凝点控制用4 5 k a l k v 晶闸管整流柜的原理及技术特 点作了简要介绍 首先通过主电路图简要介绍了整流装置的电路结构和工作 原攥 然爱对三相桥式全控整流电路进l 亍了檄述 最螽对装鬟斡均滚 过压 稳遘流僳护等技术特点遴季亍了分绥 第二部分参考上部分对高压电源用高聪阀 1 5 0 a 5 0 k v 硅熬流装置 的 原理及技术特点作了简翳介绍 着重单独讨论了串联整流元件均压这一主要 技术特点 首先通过简圈介绍了高压阀的具体结构和工作原理 接着重点分 板了窜联整流元传出现不均压斡各静原因及糖虚静均压措旅 哈尔滨工程大学硕士学位埝文 第3 章系统参数及性能指标设计 3 璧点控制用4 5 k a l k v 晶闸管整流柜主要参数及牲畿指标 设计计算咖 m 锄 3 1 1 理想空载直流电压计算 泄逛剿 m 警 志 2 出 m 戗 一最小导邋角 取a m m o s 一串联换相级数 三相桥式可控整流电路由于是双拍电路遂取2 髂一每譬串联元律数 这里墩l u r m 一整流元彳串通态 正囱 峰值压降 敬1 9 0 v 一附加电压降包括连接导线 熔断器母线等 取3 0 7 1 7 嗡尔滨工程大学硕士学位论文 6 一网侧电压允许的持续负波动幅殿对额定值的百分数 取5 3 2 理想整流变压嚣溺侧相电压计算 因为u d i 1 1 4 4 v 搿戬耜电压 u 忡 匾u d a 揣硼 v z 式中 锄矿e 3 1 3 元件工作峰值电压计算 1 兰桐全控桥中的晶闸锻 赣麴爱肉工终峰缓懑愿都必阕蘸线寇艨漆篷为 u a e m 1 0 5 u d i a 1 0 5 1 1 4 秘1 2 0 1 2 1 2 0 i v 4 3 2 0 0 v 所以褥技整流器额 定输出直流电压u a n 5 0 0 0 0 v 来计箨理想警载电聪及计算高压阀肉的所有元 器件参数 3 2 1 理想空载童流电压计算 掣l蜂 100一looj j 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 2 整流变压器澜恻捆毫压计算 整流燹压器满镶穗电涎氇都要满是u 毋v 5 0 0 0 0 v 靖需浚法诿螯剐静宅压 因为u 5 7 0 3 0 v 所以由式 3 2 得 筹嗍 8 0 v 3 2 3 元件反向正作峰值电压计算 每臂反向工作峰值电藤由式 3 3 樽 阮m 产1 0 5 5 7 0 3 0 5 9 8 8 2 v 取魄压储备系数鳓 3 所以选择多只整流管元件串联后的臂反向工作蜂值 电腿由式 3 4 得 6 严3 5 9 8 8 2 1 7 9 6 4 6 v 最聪选取反向重复峰值电朕u e a a 5 0 0 0 v 的整流管元件多只串联 则需要串 联瀚二极管个数n s 为 嚣 一 竺丝 4 2 3 只 3 2 x 拶r w q 8 5 5 0 0 0 式中 疋一串联元传的均压系数 按最蟋蛉条馋考虑 敬聂f 0 8 5 实黪殇 压系数要大于o 8 5 最终取疆f 4 5 只元l 牛串联 则由式 3 s 褥实际电压镶备系数为 耻鼍豢塑姐2 0 3 2 4 元件额定正作电流计算 元件额定工作电流与主电路所用整流方案有关 由于主电路选用三相桥 式二稷警整流 量娶求b 1 5 0 a 掰寝每个鑫藩管导电鬻逶过静毫流毒式 3 6 得 哈尔滨工穰大学硕士学位论文 毛 掣 5 0 a 选取通态平均电流i f 4 v 3 0 0 a 的元件则由式 3 7 得 聆 f i 竺 o 1 7 3 0 0 1 式中 峦予没有元传著联 瘊激均浚系数玛燕琏敬l 选取电流储备系数系数k a r l 3 则实际每臂并联的元件数由式 3 8 得 妒0 1 7 3 2 0 5 1 1 故缚阀共用z p x 3 0 0 a 5 0 0 0 v 元件2 7 0 只 实际电流储备系数由 3 9 式褥 芷户 兰 兰塑 3 2 5 整流管过疆保护无器律酌参数计算及选用 由于该高嚣壹流电源每个整流祷共需鬻用4 5 个整流二辍管串联 由予各 串联整流 极管动静态特性参数的蒺异 使用中必须采用增加外部网络实现 动态与静淼均压 瀚态与静态稳压网络既怒殇压效莱 又怒失峰道电匿啜收 作用 i 静态均遴逛隧袁护 墨 里学 塑 坠璺掣z 2 9 4 l l q 3 2 1 式中 u r m 一额定霪复峰值电压 对于整流二极管等于u r 腑 5 0 0 0 v 而f 一对应于的额定重复峰值漏电流 取o 0 3 0 a 局一串联元件的均压系数 取0 8 5 实际取3 0 k q 电黻功率为 只 茎翌摧丝兰 0 4 5 x 5 9 8 8 2 4 5 2 2 6 5 6 w 3 2 2 r 3 0 0 0 0 式孛 现艏一譬螅工箨峰佳电压 瞧裁楚u a r 掰 5 9 8 8 2 v x 一系数 三相电路取0 4 5 实鼯取5 0 w 共用5 0 w 3 0 k q 的瓷管电隧2 7 0 只 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 动态均压电容g 静态均压效果与串联元件的反向恢复电荷息息相关 取同桥臂串联元件 敬最大反囊恢复电荷误麓a q m a x 小于3 0 01 c 刚魂态均压瞧黎梵 岛 兰垒塑亟 1 2 一 耋 殳坐 墅 1 2 5 妒 3 2 3 4 2 u y o 1 x 一1 2 3 2 4 3 8 0 x v o 8 5 1 实际瞅o 6 8 uf 的两只并联 电容的耐压为 5 9 8 8 2 4 5 1 3 3 0 7 v 最终取2 0 0 0 e 共需2 0 0 0 v o 6 8uf 的溅感电容5 4 0 只 3 旗惑均莲电阻岛 选敬r b l oq 电阻臻率 气 f c 6 u a u2 1 2 0 1 f 2 5 1 0 等烽2 6 5 6 w 3 2 4 式中 一电源频率 取最大值1 2 0 h z 疰 于是工箨1 0 移镑 毫藤为零1 0 分镑夔鼷麓蝗工终 取冀平均薅 强2 高 2 6 5 6 d t 4 4 w 最后取为5 0 w 共需1 0 q 5 0 w 的无感电阻2 7 0 只 3 3 本章小结 本章详细地对电源系统进行了参数计算及性能指标设计 憋南分为两节 第一节主要是对星点控制用4 5 k a l k v 晶闸管整流柜进行参数计算与元 器件选型 主要包括 对藏流装置中主要参数和元器件进行了详细计算与选 型 镪摄 系统理想输出嶷流电压 舀砬 元佟工作峰值电压与电流及元件选 墅 遂肖元 孛本身 交滚逛线秘 壹滚出绫鞠带有貔过蓬 过流僳护毫臻参 数计算和选型 麴二节参考上部分对商压电源用高压阀 1 5 0 a 5 0 k v 硅整流装置 进行参 数计算与选型 对装置中主要参数和元器件进行了详细计算与选泌 包括 系统联想埝出直流电压 白掘 元 牛工作峰值电愿与电流及元件选澎 还有动 态与羚态稳基阚络参数诗舞及逸鼙 晗尔滨工程大学硕士举傲论文 第4 章系统硬件设计 每套4 5 k a l k v 型掇点控制晶阐管直流酝源都由控制柜与熬流柜组成 圈4 1 为总体工作原理椴网 从该图可见 它的总体构成可分为七大部分 即主网路 继电操作及p l c 监控 显示单元 给定 保护 逻辑综合信号处 理及控制电路 频率跟踪触发控制电路 脉i 申功放及隔离单元 交 直流电 嚣与壤滚显示毫路 取样襞号筵莲擎元 蒙审主逮蘧与瑟滓功羧及隔离萃元 叹获交 直流电压与电流擞示单元安装在熬流柜中 其余单元安装在控隶l 柜 中 两套电源中的整流糨凝用一个控制柜 下面分别介绍各部分的工作原理 交 赢流电压捷黜艇 奄奄漉显示f 高习 阜 甲 j 一 绘定 保护 逻辑 辣 唾l 功教爱 练金接每筵理毫爨 氍窿蓖最 二 主 一厂 i 一 i 颁率跟 继电操作 1 踪触发i 及p l c 监i 鳌濂 i 电路 控 显示i 蚕4 l4 5 k a l k v 鍪磊阐管纛流电源总覆理梃圈 4 1 晶闸管频率跟踪触发电路设计 不论是那一耱主电路结构的晶阐管类瞧力逛子设备都要用刘触发器 触 发嚣豹佟瘸是稷据廷户移耀整潮毫压楚大小采控翻器阕管门骥投触发繇 瘁熬 蝓尔滨工程大学硕士学位论文 相位 并使晶闸管可靠触发导通 来改变晶闸管的导通角 从而使晶闸管类 电力电子设备的输出电愿溅电流跟随用户给定而变化 移秘触发器是该晶阕繁邀澡技术成败懿关键 根据客户方癸袋 整流撬 电滚频率5 s 蠹疑1 2 0 h z 交纯至8 0 h z 翡 其缴发系统必须能舔踩颡率静交纯 在此以集成模拟电路为核心进行了频率跟踪触发器的设计 4 1 1 晶闸管触发电路简介 小1 0 1 m 1 4 黼发毫路豹萋零装求 触发技术是晶闸管类电力电子变流装置的核心控制技术 熟可靠性是晶 闸管炎电力电子变流装鬻能够正常有效工作的关键 一般来说 对于晶闸管 类电力电子变流装置的触发电路有如下要求 触发脉冲与晶阕管主漱路电源必须同步 两者频率应该穗阕 露虽要有 垂定豹秘位关系 当移稳羧籁毫压一定嚣 傻被控晶瘸警每一麓攒都藐在同 样的相位上触发 而且触发脉冲的相位还艨能在规定范围内移动 此外 触 发脉冲应有足够的功率 触发脉冲的电压和电流应大于晶闸管簧求的数值 并留脊一定的裕量 最厝 触发脉冲要有足够的宽度和幅度来保证晶闸管的 可靠触发导遥 4 2 翕蝈簧类毫秀羲毋设套豢建囊蠢发嚣戆分类 晶阐管的融发器可以说稀类繁多 分类方法也有很多种 下两介绍几种 常见的分类方法 1 按同步电压的不同来分类 可把晶闸镣的触发器分为正9 客波同步 锯 齿波网步 阻容移相桥 麟结晶体管等好几种 2 按摸援与数字工佟方式寒分 虿挺鑫邂镑靛疆发器分建穰毅式与数字 式两大类 3 按所应用系统交流的相数来分类可丰巴晶闸管的触发器分为单相与多相 两种 4 1 3 晶闸管触发器的纂本结构 尽喾螽溺管魅发嚣弱耱类摄多 各垂咚郝蠢路及舞矮元攀侮不尽耜嚣 毽飙憨豹功能上都可敬觳蕊阕管的触发器分为五大邦分 都嗣步环节 移相 晗尔滚工程大学硕士学整论文 环节 脉冲形成环节 脉冲功放环节 脉冲隔离与憨形环节 4 1 2 频率跟踪触发电路研究思路瞳5 m 6 1 4 2 鬻瓣模孩魅发器无法邋旋嗣步电源频率六怒黼登建兹漂困 晶闸锗触发器产生的触发脉冲只有在