丁金龍,高超,閆志平,安東華

(北京中紡銳力機(jī)電有限公司,北京 101102)

1 引言

自開關(guān)磁阻調(diào)速電動機(jī)(switched reluctance drive,SRD)問世以來,因其具有啟動轉(zhuǎn)矩大,啟動電流小,適于頻繁啟停和正反轉(zhuǎn)等特性,被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。隨著電壓控制型電力電子器件,特別是IGBT單模塊器件的電壓越做越高,電流越做越大,使大功率SRD技術(shù)的應(yīng)用迅速發(fā)展,如煤礦井下皮帶等運(yùn)輸設(shè)備中。SRD功率的增大,驅(qū)動耐壓等級的提高,必然引起電磁干擾的增強(qiáng),為此,必須加強(qiáng)驅(qū)動電路的抗干擾能力,光纖隔離驅(qū)動技術(shù)的使用為解決這一問題提供了方案。

2 SRD簡介

2.1 基本組成

通常情況下,SRD分為電機(jī)和控制器兩部分。電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子和傳感器構(gòu)成[1];控制器主要由控制電路、驅(qū)動電路、控制電源、功率電路組成。如圖1所示。

圖1 開關(guān)磁阻調(diào)速電動機(jī)Fig.1 Switched reluctance drive

2.2 中壓大功率SRD發(fā)展[2,3]

由于SRD系統(tǒng)性能優(yōu)良,實(shí)現(xiàn)了重型設(shè)備的重載軟啟動及大范圍調(diào)速,使它在煤礦等大型工礦企業(yè)的重型設(shè)備中存在著廣泛的應(yīng)用市場,特別是280 kW以上功率等級的應(yīng)用,既減小設(shè)備對電網(wǎng)的沖擊,又提高企業(yè)生產(chǎn)率,降低生產(chǎn)成本。

大功率SRD的發(fā)展是功率電路容量的擴(kuò)展,主要依賴于大功率電力電子器件的發(fā)展以及功率元件串并聯(lián)技術(shù)的提高。隨著功率等級的提高,高壓、大電流帶來的電磁兼容問題,成為系統(tǒng)可靠性的第一殺手,因此如何減小功率電路與控制電路之間的耦合,保證控制電路安全可靠運(yùn)行,進(jìn)而提高整個SRD系統(tǒng)的EMI性能,是中壓大功率SRD發(fā)展需要解決的首要問題。所有這些都迫使我們對SRD的功率電路的驅(qū)動和隔離方法進(jìn)行重新思考。

3 SRD的驅(qū)動電路分析

不同功率等級的IGBT對驅(qū)動的要求不盡相同,表1給出了SRD功率電路目前常用的幾種驅(qū)動方式。

表1 驅(qū)動方式的比較Tab.1 Comparison of drive mode

1)直接驅(qū)動。僅適用于小功率中,通常推動電源與控制電源沒有隔離,如驅(qū)動MOSFET。

2)光耦隔離方式驅(qū)動電路。具有較好的性價比,以EXB841為例,由于其價格便宜、體積小、輕薄且對IGBT具有短路保護(hù)和軟關(guān)斷功能,被大量應(yīng)用于中小功率SRD系統(tǒng)的驅(qū)動控制中。但由于其內(nèi)部隔離耐壓有限,考慮到可靠性,一般只應(yīng)用于380V以下的調(diào)速系統(tǒng)中。

3)變壓器隔離驅(qū)動方式。能實(shí)現(xiàn)控制電源與功率電源電氣上的完全隔離,非常適合應(yīng)用在380V以上的系統(tǒng)中,可以使隔離電壓達(dá)到4 000 V。但當(dāng)驅(qū)動器功率進(jìn)一步提高時,IGBT的工作電流增大,大的di/dt與功率電路母線雜散電感產(chǎn)生的過電壓,以及IGBT開通、關(guān)斷產(chǎn)生的高頻dv/dt,通過結(jié)電容,耦合到門級,影響IGBT工作;并且因?yàn)轵?qū)動信號采用的是變壓器隔離,繞組間具有磁路耦合,可能存在分布電容,會導(dǎo)致高壓側(cè)的高頻干擾信號耦合到控制回路,影響控制電路正常工作;同時從驅(qū)動板至IGBT的引線較長,功率電路產(chǎn)生的空間電磁干擾也可能威脅到驅(qū)動電路的正常工作。

4)光纖隔離驅(qū)動。是光耦隔離技術(shù)的一種延伸,光纖的采用,使控制電路遠(yuǎn)離功率電路,且不存在直接電氣關(guān)系,在4 000 V以上的系統(tǒng)中,光纖驅(qū)動板可以與IGBT就近安裝結(jié)合成為一個整體,減少引線長度,從而大大提高了整個系統(tǒng)的可靠性。

由于大功率電力變換裝置需要隔離電壓,考慮系統(tǒng)整體的抗干擾能力,在大功率SRD驅(qū)動電路中,光纖隔離驅(qū)動技術(shù)為最佳使用選擇。

4 SRD中光纖元件選取原則

4.1 收發(fā)器的選用

大部分光纖收發(fā)器工作原理如圖2、圖3所示。

圖2 發(fā)送電路Fig.2 T ransmitting circuit

圖3 接收電路Fig.3 Receiving circuit

IGBT的開關(guān)頻率一般在20 kHz左右,大功率SRD控制系統(tǒng)中,斬波頻率一般控制在10 kHz以下,因此,控制板與大功率模塊驅(qū)動板之間傳輸速率在1～5 MB/s的光纖收發(fā)器在驅(qū)動控制電路中使用較多。

4.2 發(fā)送方式的選用

發(fā)送電路中,有2種可供選擇的發(fā)送方式,如圖4所示,其主要性能區(qū)別如下:

方式1為串聯(lián)結(jié)構(gòu),常用于1 MB/s以下系統(tǒng)中,延時時間較長,其優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動電源的功耗較低;

方式2為并聯(lián)結(jié)構(gòu),適用于5 MB/s或頻率響應(yīng)要求更高的場合,其優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)速度快,但驅(qū)動電源始終是導(dǎo)通的,功耗較高。

以上兩種發(fā)送方式均滿足中壓大功率SRD的斬波頻率技術(shù)要求,但考慮節(jié)能和有效利用達(dá)林頓驅(qū)動接口,在中壓大功率SRD系統(tǒng)中,方式1是最理想的發(fā)送電路應(yīng)用方案。

圖4 發(fā)送方式Fig.4 Transmitting mode

4.3 光纖的選用

針對上述光纖收發(fā)器及發(fā)送方式,可選用直徑1 mm,帶塑膠外套的光纖系列產(chǎn)品。其特點(diǎn)是具有較好的抗拉、抗彎折性能。根據(jù)使用場合不同,一般有2個等級供用戶選擇,低成本型(low cost standard POF),典型衰減倍數(shù)為0.22 dB/m;低損耗型(performance extra low loss POF),其典型衰減倍數(shù)為0.19 dB/m。

在驅(qū)動控制中,一般控制距離在5m以內(nèi),所以由傳輸距離導(dǎo)致信號衰減的發(fā)生頻率不高,選用低成本型即可。

為了獲得良好的電磁兼容性能,光纖的長度一般為2 m。

根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境不同,應(yīng)選用不同形式的光纖/連接器進(jìn)行組合,以滿足特殊要求。

除了拉力和距離以外,光纖使用中還需注意彎曲半徑。一般短時工作情況下,彎曲半徑不小于25 mm;長時間(超過30 min)工作,為保證光纖的傳輸性能,彎曲半徑應(yīng)控制在35 mm以上。

5 具體應(yīng)用

5.1 系統(tǒng)電路

第1代大功率SRD系統(tǒng)中,驅(qū)動信號經(jīng)變壓器隔離后直接輸送到IGBT上,沒有光纖的光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),信號抗干擾性差,影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

應(yīng)用光纖隔離驅(qū)動技術(shù)的新一代中壓大功率SRD系統(tǒng)中,控制電路產(chǎn)生IGBT的驅(qū)動信號,此信號由光纖上的收發(fā)器進(jìn)行“電-光-電”轉(zhuǎn)換后,經(jīng)光纖傳輸?shù)焦饫w驅(qū)動板上,進(jìn)行放大處理后,驅(qū)動IGBT工作;同時,光纖驅(qū)動板上IGBT的驅(qū)動信號狀態(tài),再通過光纖,實(shí)時反饋給控制電路。由于直接用螺釘將光纖驅(qū)動板安裝在IGBT上,使IGBT的門極驅(qū)動信號在最短的線路上進(jìn)行傳輸,大大降低了電磁干擾的幾率,使控制電路能更準(zhǔn)確地判斷、控制IGBT的工作狀態(tài),從而保證了系統(tǒng)整體穩(wěn)定工作。系統(tǒng)電路圖如圖5所示。

5.2 SRD光纖驅(qū)動電路的特點(diǎn)

應(yīng)用了光纖隔離驅(qū)動技術(shù)的IGBT驅(qū)動電路,在開關(guān)電源隔離能力、短路保護(hù)快速響應(yīng)等方面,都優(yōu)于第1代大功率SRD系統(tǒng),其特點(diǎn)如下:

1)IGBT驅(qū)動信號引線短,抗干擾強(qiáng);

圖5 應(yīng)用光纖隔離驅(qū)動的SRD系統(tǒng)電路圖Fig.5 SRD system circuit diagram using optical fiber isolation drive

2)開關(guān)電源隔離耐壓值高。隔離耐壓可達(dá)6 000 V,遠(yuǎn)高于第1代SRD系統(tǒng);

3)自動鉗位功能[4]。IGBT關(guān)斷產(chǎn)生過電壓時,對門極瞬時施以導(dǎo)通信號,釋放可能威脅IGBT安全的瞬時高壓。IGBT關(guān)斷速度更快,損耗小;

4)短路保護(hù)快速響應(yīng)功能。8.5 μ s內(nèi)實(shí)現(xiàn)IGBT關(guān)斷,防止IGBT過流燒毀;

5)短路時,提供2種IGBT驅(qū)動信號的處理方式[4];

6)光纖返回IGBT狀態(tài)信號。

5.3 性能測試

系統(tǒng)空載情況下,對應(yīng)用了光纖隔離驅(qū)動技術(shù)的SRD功率電路,進(jìn)行工作狀態(tài)測試。

1)正常驅(qū)動。光纖驅(qū)動電路即傳送驅(qū)動信號,又返回IGBT狀態(tài)信號,正常驅(qū)動時,在IGBT的門極驅(qū)動信號的上升沿和下降沿,返回一個900 ns的脈沖信號,即IGBT的“狀態(tài)反饋信號”,此信號表明控制器開通、關(guān)斷操作成功;控制電路接收到這個“狀態(tài)反饋信號”后,開始組織進(jìn)行下一步操作。IGBT的“門極驅(qū)動信號”波形和“狀態(tài)反饋信號”波形,如圖6所示。

第1代SRD系統(tǒng)中,沒有“狀態(tài)返回”信號,增加了電路誤操作幾率。

2)短路保護(hù)時,驅(qū)動信號的處理方式。發(fā)生短路時,驅(qū)動信號對IGBT門極的關(guān)斷處理方式取決于功率電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。二級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,驅(qū)動信號直接關(guān)斷IGBT;三級和多級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,采用分級關(guān)斷方式,由控制電路根據(jù)驅(qū)動信號反饋的情況,決定級聯(lián)IGBT的關(guān)斷順序。

應(yīng)用了光纖的驅(qū)動電路,給出2種處理方式,“2-level模式”和“3-level模式”。

“3-level模式”對應(yīng)三級和多級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。首先驅(qū)動信號第1個邊沿反饋回900 ns寬的小脈沖,表明正常開通。短路保護(hù)后,約8.5 μ s,“門極驅(qū)動信號”仍跟隨“PWM 信號”維持原狀態(tài),而“狀態(tài)返回信號”則跳轉(zhuǎn)為高電平,通知控制電路需要順序關(guān)斷IGBT,如圖7所示。

圖7 驅(qū)動信號短路保護(hù)的3-level模式Fig.7 3-level mode of short circuit protection used in driving signal

“2-level模式”對應(yīng)二級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。短路保護(hù)后,門極驅(qū)動信號直接關(guān)斷IGBT,狀態(tài)返回信號維持高電平約1s。目前應(yīng)用的SRD系統(tǒng)功率電路,常采用結(jié)構(gòu)簡單的二級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),所以,短路時,驅(qū)動信號對IGBT采用直接關(guān)斷的處理方式,實(shí)測波形如圖8所示。

圖8 驅(qū)動信號短路保護(hù)的2-level模式Fig.8 2-level mode of short circuit protection used in driving signal

5.4 系統(tǒng)型式試驗(yàn)

負(fù)載情況下,應(yīng)用了光纖隔離驅(qū)動技術(shù)的400kW/1 140V SRD系統(tǒng),進(jìn)行了嚴(yán)格的型式試驗(yàn),試驗(yàn)項(xiàng)目如下。

1)電磁兼容試驗(yàn)。對控制電源分別施加2 000 V浪涌和5 kHz的電快速脈沖群干擾,控制器驅(qū)動電路工作正常;施加2 500 V電快速脈沖群干擾,控制電源斷電保護(hù),系統(tǒng)停機(jī),重新上電后,系統(tǒng)正常工作。運(yùn)行中,控制電源斷電保護(hù)未對IGBT驅(qū)動信號造成影響,IGBT門極驅(qū)動波形見圖9。

圖9 負(fù)載狀態(tài)下門極驅(qū)動波形Fig.9 Gate driving waves with load

2)過載 1.2倍的大功率負(fù)載、溫升試驗(yàn)。IGBT峰值電流500 A時,關(guān)斷邊沿產(chǎn)生的過電壓為184 V,此時直流母線電壓為1.43 kV,IGBT沒有發(fā)生誤導(dǎo)通。運(yùn)行狀態(tài)良好,沒有發(fā)生電磁干擾危害控制電路正常工作的情況。IGBT關(guān)斷波形如圖10所示。

3)大負(fù)載,單脈沖工作測試。大電流情況下,控制板工作正常。檢測到的電流變化平穩(wěn),無毛刺,無干擾。IGBT的電流連續(xù)波形如圖11所示。

圖10 IGBT關(guān)斷波形Fig.10 The turn off wave of IGBT

圖11 IGBT電流波形Fig.11 The current wave of IGBT

4)系統(tǒng)進(jìn)行了持續(xù)48 h的高溫濕熱試驗(yàn)(溫度60℃,濕度95%RH)。絕緣狀態(tài)良好,重新上電后系統(tǒng)工作正常。試驗(yàn)結(jié)果表明,光纖驅(qū)動技術(shù)可以應(yīng)用于條件比較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場。

5)將控制器的相輸出直接短接,進(jìn)行IGBT的短路保護(hù)試驗(yàn)。結(jié)果表明,保護(hù)動作準(zhǔn)確、及時,用示波器監(jiān)測短路瞬間IGBT的關(guān)斷波形,沒出現(xiàn)電壓尖峰及高頻震蕩,IGBT工作狀態(tài)良好。

6 結(jié)論

綜上,在中壓大功率SRD系統(tǒng)中,通過引入光纖隔離驅(qū)動技術(shù),控制信號與驅(qū)動信號實(shí)現(xiàn)了光電隔離,杜絕了干擾問題,既實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動控制,又監(jiān)測了IGBT的工作狀態(tài),大大提高了SRD系統(tǒng)工作可靠性。目前,已有兩套應(yīng)用了此項(xiàng)技術(shù)的SRD產(chǎn)品,在礦用快速裝車系統(tǒng)中持續(xù)運(yùn)行1 a以上,用戶反映工作狀況良好。

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