韓 笑，劉光亞

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一種用于高壓脈沖電容實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的充電電源模塊設(shè)計(jì)

韓 笑，劉光亞

（中建三局集團(tuán)有限公司，武漢 430000）

本文是對(duì)一種用于高壓脈沖電容實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的充電電源模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。主要介紹該充電模塊在高壓脈沖電容實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的功能、作用、技術(shù)要求。論述了充電模塊中交流變換單元的電路，對(duì)高頻變換單元的功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了闡述。

高壓脈沖電容 充電電源 交流變換

0 引言

眾所周知，高壓儲(chǔ)能脈沖電容器是廣泛應(yīng)用于航空、電力工業(yè)的高峰值電流裝置，用途特殊，能夠?yàn)楦吆哪苄袠I(yè)提供動(dòng)力。

在國(guó)外，電容儲(chǔ)能型脈沖技術(shù)被廣泛用于電磁發(fā)射、高能微波、激光核聚變、強(qiáng)粒子束等領(lǐng)域。美國(guó)MAXWELL實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了0.5MJ脈沖功率系統(tǒng)的研究。德國(guó)研制的70 kW/24 kV高壓電容器充電電源，韓國(guó)研制的三相串聯(lián)諧振軟開(kāi)關(guān)充電電源，都在相關(guān)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

得益于脈沖電容器在多個(gè)行業(yè)的普遍應(yīng)用，以及設(shè)計(jì)技術(shù)上的提升，這也為脈沖功率技術(shù)在各行業(yè)的推廣打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。例如，消毒、處理材料面、切割巖石、保鮮、微波、激光等1]。

脈沖功率技術(shù)應(yīng)用中高壓脈沖電容器多工作在重復(fù)頻率下，充放電的反復(fù)性會(huì)損害電動(dòng)力，且會(huì)造成大量的能量損失。所以，要提高絕緣性能，必須嚴(yán)格控制充放電運(yùn)行的頻率。如果能夠順利的延長(zhǎng)電容器使用期限，則同時(shí)可提供更低電感、更高比能、更長(zhǎng)使用時(shí)間的裝置，為工業(yè)運(yùn)行提供動(dòng)力[2]。

如果電容量出現(xiàn)了5%的下降幅度，則可認(rèn)為高壓脈沖電容器失效，重復(fù)充放電模塊對(duì)該類(lèi)高壓脈沖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)十分關(guān)鍵[3]。

本文設(shè)計(jì)了一種用于此類(lèi)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的充電電源主回路及平臺(tái)放電回路。依托恒流充電技術(shù)研制的充電板塊性能有了大幅度提升。在提前確定了實(shí)驗(yàn)參數(shù)后，便可以在不同頻率、電壓環(huán)境開(kāi)展各電容量電容器的參數(shù)測(cè)驗(yàn)。

1 高壓脈沖電容實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的模塊論述及充電控制系統(tǒng)位置示意

圖1高壓脈沖電容實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

圖1為高壓脈沖電容使用時(shí)長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)裝置圖。電流、電壓信號(hào)在同檢測(cè)單元連接后，會(huì)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。之后，被測(cè)試裝置的充放電情況將被及時(shí)的掌控，并隨時(shí)做出調(diào)節(jié)。

外圍電路、DSP為控制系統(tǒng)關(guān)鍵組件，功能是檢測(cè)、計(jì)算電流電壓信號(hào)輸出值，生成啟動(dòng)信號(hào)，下達(dá)外部控制指令，發(fā)送數(shù)據(jù)，控制恒流充電，監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[4]。

1.2 電容器充電方式的選擇

在充電形式上，可根據(jù)不同情況選擇恒流、恒壓充電。如果采取恒壓充電，則在到達(dá)時(shí)間常數(shù)3倍時(shí)，設(shè)計(jì)電壓同實(shí)際電壓靠近，趨于相同。此時(shí)，處于耐壓環(huán)節(jié)，絕緣材料處于面臨的壓力更多。此種充電形式會(huì)導(dǎo)致電容器使用期的縮減，難以得出客觀(guān)的結(jié)果。如果采用恒流形式充電，則將會(huì)出現(xiàn)電壓線(xiàn)性上升的情況，不會(huì)對(duì)裝置構(gòu)成壓力。

圖2電容器試品u-t曲線(xiàn)圖

2 充電電源模塊的主要設(shè)計(jì)

2.1 充電機(jī)的主要任務(wù)

1)實(shí)現(xiàn)對(duì)試品電容器的充電；

2)實(shí)現(xiàn)充電后的電壓保持；

3)實(shí)現(xiàn)對(duì)試品電容器的實(shí)時(shí)電壓檢測(cè)；

4)實(shí)現(xiàn)對(duì)三相交流電和充電過(guò)程的狀態(tài)檢測(cè)、報(bào)警和保護(hù)；

5)實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足上位機(jī)通信控制的接口。

2.2 充電機(jī)的主要參數(shù)設(shè)計(jì)

圖3為充電模塊主電路圖。在從不控整流通過(guò)之后，380 V市電會(huì)從IGBT、諧振電感等流過(guò)，并出現(xiàn)高頻方波電壓狀態(tài)。最終流入電容器的市電還經(jīng)過(guò)了升壓、高壓硅堆整流環(huán)節(jié)[4,5]。

圖3 充電電源模塊主電路

對(duì)于D而言，其傳輸能量的方向受限，這避免了第二振蕩周期的產(chǎn)生，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了振蕩的去除。當(dāng)升壓整流處理了由諧振電路而來(lái)的能量之后，儲(chǔ)能電容便會(huì)得到該能量?？梢?jiàn)，能量在傳輸時(shí)的損耗概率比較少，這為輻射噪聲電平的控制提供了可能。

如果開(kāi)關(guān)元件、變壓器各項(xiàng)設(shè)置正確無(wú)誤，則可出現(xiàn)4種變換器電路運(yùn)行方式。在圖4，展示了等效電路，為第1形式。在該圖中，導(dǎo)通S2,S4,IR保持為正。CL’是變壓器上的儲(chǔ)能電容初級(jí)值，在儲(chǔ)能電容返回初級(jí)回路時(shí)，出現(xiàn)的初始電壓是3(0)。

充電電流為：

（1）

上式，起始、結(jié)束時(shí)間是0,x,0是特性阻抗，算式為0=/eq；0為諧振頻率，0=1/eq。

串聯(lián)C,CL’后，得到wq。將變壓器匝數(shù)比平方同CL相乘，便得到CL’。如果出現(xiàn)高壓輸出環(huán)境，那么CL’>C。可見(jiàn)，C對(duì)電容值有著直接的影響。

圖4 第一種模式的等效電路

2.3 充電模塊在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的諧振參數(shù)仿真

如果電壓能夠在較大幅度的電容量環(huán)境出現(xiàn)線(xiàn)性增長(zhǎng)，也能夠發(fā)揮電壓保持功能，則將有助于裝置的使用期限的延長(zhǎng)。對(duì)充電時(shí)電壓的增長(zhǎng)率的控制方法主要為定頻調(diào)寬法，即IGBT導(dǎo)通脈寬的控制是由電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)的。為了完成定頻調(diào)寬目標(biāo)的發(fā)揮，引入了TMS320F240處理器。因?yàn)橥庠O(shè)了片內(nèi)集成，這對(duì)外圍元件的減少有著很大的幫助。在處理復(fù)雜算法時(shí)，該處理器也能夠依托數(shù)字控制、信號(hào)處理上的優(yōu)勢(shì)提前、高質(zhì)量完成[1],[6,7]。

仿真后，設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)值：諧振電容與電感為3.5mH, 200mH負(fù)載樣品100，諧振頻率6 kHz，導(dǎo)通脈寬10ms，開(kāi)關(guān)頻率20 kHz，雜散電感為10ms[8]。圖5為電容器電壓、諧振電流波形。

2.4 T型放電保護(hù)回路的設(shè)計(jì)

放電過(guò)程中，充放電回路應(yīng)當(dāng)由接觸器實(shí)現(xiàn)斷接，這能夠避免電源模塊在放電的情況下出現(xiàn)損壞。充電裝置運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，按照6 s設(shè)計(jì)充放電周期，并在10 h內(nèi)進(jìn)行6000次試驗(yàn)。就接觸器而言，最高使用次數(shù)達(dá)數(shù)十萬(wàn)此?？梢?jiàn)，應(yīng)當(dāng)在充電回路連接的情況下放電?？紤]到整流二極管、充電機(jī)在放電時(shí)不受影響，充電機(jī)與電容器的連接采用圖3中的T型放電保護(hù)回路。

放電過(guò)程中，充放電回路應(yīng)當(dāng)由接觸器實(shí)現(xiàn)斷接，這能夠避免電源模塊在放電的情況下出現(xiàn)損壞。充電裝置運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，按照6 s設(shè)計(jì)充放電周期，并在10 h內(nèi)進(jìn)行6000次試驗(yàn)。就接觸器而言，最高使用次數(shù)達(dá)數(shù)十萬(wàn)此。可見(jiàn)，應(yīng)當(dāng)在充電回路連接的情況下放電?？紤]到整流二極管、充電機(jī)在放電時(shí)不受影響，要設(shè)計(jì)保護(hù)回路。

采用ATP軟件對(duì)放電回路進(jìn)行模擬計(jì)算，T型保護(hù)回路中充電電阻R1取20 Ω、100 W，吸能電阻R2取100 Ω、1 kW，實(shí)際回路中采用5個(gè)500 Ω、200 W的功率電阻并聯(lián)等效。

2.5 電壓保持功能的設(shè)計(jì)

為了保持電壓，可以從兩個(gè)方面入手。首先，當(dāng)完成了目標(biāo)電壓的充電任務(wù)，并處于了電壓保持環(huán)節(jié)。此時(shí)，按照最小脈寬的方式運(yùn)行；第二，當(dāng)完成了目標(biāo)電壓的充電任務(wù)后，關(guān)機(jī)。在特定的時(shí)間周期對(duì)電壓進(jìn)行檢測(cè)。如果發(fā)現(xiàn)電壓出現(xiàn)明顯的下降，則要充電。

對(duì)于前者方法而言，如果電源有恒定負(fù)載，則可以采用。也就是說(shuō)，變動(dòng)的負(fù)載環(huán)境是不能應(yīng)用的。在小負(fù)載容量條件下，即使是最小脈寬的運(yùn)行條件，也將增加電壓。這時(shí)，要同MW級(jí)泄漏電阻并聯(lián)；如果出現(xiàn)了高負(fù)載容量，那么電壓波紋會(huì)因泄漏電阻的并聯(lián)而出現(xiàn)提高的情況。

考慮到本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)其電容器樣品電容量有一定的變化范圍，停機(jī)定期檢測(cè)方案可被采用。具體做法是，在完成了充電目標(biāo)后，對(duì)電壓的檢測(cè)間隔確定為0.5 s。在出現(xiàn)小于30 V電壓情況下，及時(shí)的開(kāi)機(jī)。在這種電壓保持方式下當(dāng)電容器的電壓下降較慢時(shí)，充電機(jī)停機(jī)后不再動(dòng)作，而當(dāng)電壓下降較快時(shí)，則會(huì)每隔0.5 s補(bǔ)充電壓一次。

在充電模塊再次運(yùn)行后，副方存在高壓狀態(tài)，則變壓器容易飽和而導(dǎo)致電流急劇增大。正因如此，筆者進(jìn)行了并聯(lián)設(shè)計(jì)，即將保護(hù)回路（D2高壓二極管、RC1泄漏電阻、C1小容量高壓電容）同副方并聯(lián)，如圖3所示。C1取0.2μF/20 kV，RC1取500Ω/500 W，則該回路的時(shí)間常數(shù)=1*1=0.1 s。0.5 s之內(nèi)，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)位置出現(xiàn)0 V電壓。可見(jiàn)，變壓器飽和被控制。（見(jiàn)圖6）

圖6 防止變壓器飽和回路電路

2.6 放電回路簡(jiǎn)述

放電回路的電路如圖1中所示，試品電容器的容量為1～100 μF，1～10 kV的試驗(yàn)電壓。能夠調(diào)節(jié)電阻、電感，進(jìn)而完成放電電流的改動(dòng)。半導(dǎo)體與火花開(kāi)關(guān)、TVS設(shè)置于脈沖回路[9]晶閘管使用時(shí)間長(zhǎng)，能夠獨(dú)立運(yùn)行，不占空間，各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定，在脈沖功率器件得到了廣泛的使用[10,11]。

3 充電電源模塊的主要功能和技術(shù)指標(biāo)

3.1 充電電壓控制功能

對(duì)充電電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并借助內(nèi)部程序軟件，保持電壓增量恒定，從而實(shí)現(xiàn)恒流充電；實(shí)時(shí)檢測(cè)充電電壓，當(dāng)電容電壓達(dá)到設(shè)置電壓則停止充電。

3.2 三相交流檢測(cè)功能

充電機(jī)自動(dòng)檢測(cè)機(jī)柜的三相交流輸入電源的狀態(tài)，檢測(cè)內(nèi)容包括交流輸入過(guò)壓、交流輸入過(guò)壓，并將交流檢測(cè)故障送給充電機(jī)。

3.3 充電故障報(bào)警功能

電壓閃絡(luò)：充電時(shí)，如果出現(xiàn)了電容器與高壓回路被擊穿，或者放電開(kāi)關(guān)錯(cuò)誤導(dǎo)通，都將降低儲(chǔ)能電容電壓。在故障被充電機(jī)發(fā)現(xiàn)后，會(huì)及時(shí)的自動(dòng)關(guān)機(jī)。之后，上位機(jī)接收到故障信息。

過(guò)壓充電：對(duì)于儲(chǔ)能電容電壓而言，需要被時(shí)刻的監(jiān)控，在嵌入設(shè)計(jì)了硬、軟件之后，充電機(jī)可實(shí)時(shí)對(duì)儲(chǔ)能運(yùn)行情況進(jìn)行分析。如果出現(xiàn)超過(guò)10050 V的電壓，則會(huì)發(fā)出過(guò)壓報(bào)警信息，并關(guān)閉機(jī)器。此時(shí)，上位機(jī)也會(huì)接收相關(guān)的故障信息。

電容器短路：對(duì)于儲(chǔ)能電容電壓而言，需要被時(shí)刻的監(jiān)控，在嵌入設(shè)計(jì)了硬、軟件之后，可對(duì)短路情況有了解。當(dāng)充電電壓在0.5 s、1 s、2 s、3 s時(shí)，分別低于一定范圍，也會(huì)及時(shí)的發(fā)出報(bào)警信息，并關(guān)閉機(jī)器。此時(shí)，上位機(jī)也會(huì)接收相關(guān)的故障信息。

充電過(guò)流：對(duì)于儲(chǔ)能電容電壓而言，需要被時(shí)刻的監(jiān)控，在嵌入設(shè)計(jì)了硬、軟件之后，可對(duì)充電過(guò)流情況有了解。在電流激增的情況下將停機(jī)，以保護(hù)電機(jī)。此時(shí)，上位機(jī)也會(huì)接收相關(guān)的故障信息。

直流母線(xiàn)過(guò)流：直流母線(xiàn)過(guò)流情況也會(huì)被充電機(jī)檢測(cè)出。

4 充電電源模塊各變換單元論述

4.1 交流變換單元

交流變換單元其功能為：充電機(jī)充電主回路供電，并為監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)提供交流220 V電源；對(duì)整流后的電壓電流進(jìn)行檢測(cè)，并將信號(hào)傳遞給充電機(jī)接收監(jiān)測(cè)控制繼電器對(duì)接觸器的控制。

4.2 DC/AC高頻變換單元功能實(shí)現(xiàn)

1）變換功能

將交流變換單元提供的直流電通過(guò)高頻IGBT變換成交流電，并通過(guò)LC串聯(lián)諧振電路送出，提供給高頻升壓變壓器進(jìn)行升壓整流后給試品電容器充電。

2）檢測(cè)功能

檢測(cè)預(yù)充電充電電流、充電電壓、直流母線(xiàn)電流、直流母線(xiàn)電壓，并對(duì)各個(gè)檢測(cè)量進(jìn)行軟硬件判斷，能夠識(shí)別充電過(guò)壓、充電過(guò)流、母線(xiàn)過(guò)壓、母線(xiàn)欠壓、母線(xiàn)過(guò)流、充電過(guò)程中的高壓側(cè)故障等信號(hào)。

3）保護(hù)功能

當(dāng)檢測(cè)到存在故障時(shí)，將自動(dòng)停止充電，并自動(dòng)斷開(kāi)主接觸器。

4）通信功能

通過(guò)光纖與監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)相連，接收監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的電壓設(shè)置、啟動(dòng)充電、停止充電，并將充電過(guò)壓、充電過(guò)流、母線(xiàn)過(guò)壓、母線(xiàn)過(guò)流等故障上傳給監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.1 .實(shí)驗(yàn)平臺(tái)照片

通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，選擇了主要的功能參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置滿(mǎn)足運(yùn)行要求，可得出理想的結(jié)論。在這里，確定C值為30 μF，值是570 μH,值是6.8W。

5.2 電容器電壓波形

給設(shè)置電壓分別為1 kV、3 kV及6.7 kV時(shí)電容器上的電壓波形，此時(shí)充電時(shí)間1=5 s，保持時(shí)間2=4 s，休息時(shí)間3=1 s。該電容器充電至6.7 kV時(shí)，放電回路電流波形如圖9所示。

6 總結(jié)

本課題進(jìn)行了充電模塊的設(shè)計(jì)，期望能夠成功的應(yīng)用于高壓脈沖電容，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，在提前確定了實(shí)驗(yàn)參數(shù)后，便能夠在不同頻率、電壓環(huán)境下對(duì)擁有各電容量的電容器進(jìn)行參數(shù)檢測(cè)。引入了晶閘管，延長(zhǎng)了使用時(shí)間。該平臺(tái)已累次工作超過(guò)1000 h，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可靠性。

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Design of Charging Power Module at Experiment Platform of High Voltage Pulse Capacitor

Han Xiao, Liu Guangya

(China Construction 3rd Bureau Group Co., Ltd, Wuhan 430064, China)

TM 89

A

1003-4862（2017）11-0060-05

2017-09-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61573002）

韓笑（1989-）, 男，工學(xué)學(xué)士。研究方向：電氣工程。