李令鵬 左 英 王澤京

（中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所）

0 引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，大功率電源擔(dān)負(fù)著為后續(xù)逆變電源提供穩(wěn)定，足夠功率的重要作用。并且向著全數(shù)字智能化與標(biāo)準(zhǔn)化的目標(biāo)前進(jìn)，向著綠色環(huán)保的方向發(fā)展。大功率電流的功能控制系統(tǒng)要求智能控制核心，在通信網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和控制命令進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，完成處理和保護(hù)［1］。然而，在現(xiàn)實(shí)中對于傳統(tǒng)方法的大功率整流柜，電子設(shè)備部件因?yàn)橥ǔв性O(shè)備自身的熱量，又或多或少接觸了電阻累積產(chǎn)生的過壓問題通常使得電壓檢測不及時(shí)，無法及時(shí)完成故障自動診斷，容易發(fā)生擊穿等事故使得結(jié)果無法達(dá)到預(yù)期。隨著大功率電源環(huán)境越來越復(fù)雜，現(xiàn)階段選取大功率電源整流柜，結(jié)合實(shí)際進(jìn)行綜合處理和分析。

1 大功率電源整流柜過壓檢測及保護(hù)

1.1 數(shù)字濾波法采集模擬大功率電源電壓信號

電磁各項(xiàng)干擾后各項(xiàng)模擬信號，電流信號干擾嚴(yán)重，采集所得到的信號失真率上升，采用數(shù)字二階低通濾波器濾去高次干擾信號脈沖，其傳遞函數(shù)如式（1）所示：

對控制核心DSP采樣周期進(jìn)行有效縮短，如每隔3ms進(jìn)行采樣，完成一定數(shù)量的采集后進(jìn)行均值運(yùn)算，并及時(shí)進(jìn)行處理和輸出，這樣得到的實(shí)際進(jìn)行處理的采集信號值準(zhǔn)確性高、波紋小，采樣時(shí)間常數(shù)TAD取對應(yīng)的數(shù)值，將其進(jìn)行數(shù)字化處理，根據(jù)系統(tǒng)給定值和系統(tǒng)的實(shí)際輸出值構(gòu)成的偏差為：

式中：y（t）為系統(tǒng)的自定義值；v（t）為實(shí)際輸出值。通過線性組合的關(guān)聯(lián)，得到控制的電壓達(dá)到控制值，其控制規(guī)律為：

式中：Td表示控制器的輸出；g（t）為調(diào)節(jié)器的輸入；kp為控制系數(shù)［2］。實(shí)時(shí)行校正的反應(yīng)系統(tǒng)采集的偏差信號值g（t），隨著kp值的減少而保持不變，同時(shí)系統(tǒng)閉環(huán)的變壓量增大，響應(yīng)速度變快，但是當(dāng)kp增加到一定程度，控制系統(tǒng)將根據(jù)具體的變壓值變化而發(fā)生一定波動。因此kp值要在系統(tǒng)調(diào)試過程中采取適當(dāng)?shù)闹?。?dāng)系統(tǒng)偏差存在時(shí)候，調(diào)試設(shè)備才有電壓量輸出，所以系統(tǒng)會產(chǎn)生相對誤差。消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差強(qiáng)弱通常在完全常數(shù)q1，通常在kp不變的情況下，q1越小，積分環(huán)節(jié)對系統(tǒng)影響越強(qiáng)，閉環(huán)系統(tǒng)的超調(diào)量就越大［3］。采集信號的增量按照采集到的參數(shù)增量推導(dǎo)出相應(yīng)的PID控制算法為：

在系統(tǒng)調(diào)試過程中，對參數(shù)值不需要再作累加計(jì)算，PID控制器輸出值p（l）要設(shè)定在一個(gè)限定范圍內(nèi)，由于DSP輸出的是增量值，以防因?yàn)榉e分環(huán)節(jié)時(shí)間限制不同，對系統(tǒng)發(fā)出修改指令時(shí)引起的系統(tǒng)快速變化帶來的振蕩，采集到參數(shù)增量實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的無擾動變化。

1.2 BOD板過壓檢測

當(dāng)在BOD板（過壓檢測板）的高壓區(qū)施加高壓時(shí)候，如果施加的高壓發(fā)生波動，一旦使擊穿二極管D6兩端的電壓大于800V，D6就會被擊穿導(dǎo)通，這時(shí)U7單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器就會觸發(fā)產(chǎn)生一個(gè)脈寬44ms脈寬的的暫穩(wěn)態(tài)波，暫穩(wěn)態(tài)波的脈寬時(shí)間是可以通過調(diào)整電路中RC的參數(shù)值而發(fā)生變動的［4］。上述的800V電壓是由擊穿二極管D6的型號決定的，通過調(diào)整擊穿二極管的型號即可調(diào)節(jié)擊穿電壓值，其二極管示意圖如圖1所示。

圖1 BOD原理圖

由于擊穿二極管受制作工藝等方面的影響，擊穿二極管的擊穿電壓的標(biāo)稱值與實(shí)際擊穿的電壓值有一定的誤差，比如D6擊穿二極管的誤差范圍為±50V，通過調(diào)節(jié)原理圖中的R15的阻值可以對擊穿二極管的實(shí)際擊穿電壓值進(jìn)行微調(diào)［5］。根據(jù)二級管的輸出特性，當(dāng)BOD元素保持一定時(shí)，在特定溫度的條件下，溫度系數(shù)與能量系數(shù)之間存在自然對流關(guān)系。當(dāng)R＜RD時(shí)，能量系數(shù)等于700，端口關(guān)斷，呈現(xiàn)高阻態(tài)；當(dāng)R＞RD時(shí)，端口開始導(dǎo)通，能量系數(shù)值緩慢增大，與溫度系數(shù)值逐漸呈現(xiàn)出線性倍數(shù)關(guān)系，這種線性關(guān)系的斜率稱為跨導(dǎo)。溫度系數(shù)值的取值要適當(dāng)，能量系數(shù)值最大通常取20V，其輸出特性公式為：

在有源區(qū)的溫度系數(shù)值受能量系數(shù)值的影響，溫度系數(shù)值與能量系數(shù)值呈線性變化，此過程主要由二級管起主導(dǎo)作用，有源區(qū)的電壓消耗量大，功率高，對于梯形波電流的單個(gè)BOD元件的每脈沖能量［6］。EP必須乘以總能量的元素?cái)?shù)。對于指數(shù)衰減電流脈沖的單個(gè)BOD元件的每脈沖能量。EP必須乘以總能量的元素?cái)?shù)。同時(shí)在Tvj＝125℃下的開啟狀態(tài)電壓。觀察瞬態(tài)熱阻情況，保護(hù)晶閘管，防止正向過電壓，其公式為：

計(jì)算環(huán)境溫度IXBOD1-30R，環(huán)境溫度Ta＝60℃，指數(shù)衰減電流ITM＝40A，脈沖寬度為2μs，脈沖頻率為2Hz，工作頻率為50Hz和自然對流下的最大結(jié)溫度，得到每個(gè)脈沖的能量值為Ep1＝6×10-3Ws，對于模塊IXBOD1-30R，單個(gè)IXBOD元素的數(shù)量為n＝3，在自然空氣冷卻時(shí)，熱阻結(jié)與環(huán)境的溫度為RthJA＝20K／W，且未知溫度可計(jì)算為：

如果遵循這些穩(wěn)態(tài)條件，ITM＝60A和脈沖寬度為4μs的過載1min，則產(chǎn)生的最大結(jié)溫度計(jì)算如下：

由公式得到Ep的溫度值決定的相對穩(wěn)定條件，因?yàn)樽畲笤试S結(jié)溫度TVJM＝125℃。對于給定的脈沖寬度tB，所允許的反向電流的最大峰值，是快速恢復(fù)串聯(lián)二極管的必備條件。改進(jìn)后的有源鉗位電路，在推挽電路前減少了一條電源回路，通過優(yōu)化改進(jìn)單元，TVJ的擊穿電流ITM不僅可以直接回流到系統(tǒng)的效果位上，同時(shí)引入到推動前級，TVJ將擊穿電流放大后再送至系統(tǒng)的門極能量系數(shù)值取得的效果更好，使得電壓更穩(wěn)定，同時(shí)余出一個(gè)電源回路，使電路功耗降低，性能提升。

1.3 計(jì)數(shù)器法觸發(fā)與保護(hù)整流柜內(nèi)脈沖

采取陣列式雙窄脈沖觸發(fā)方案實(shí)現(xiàn)對二級管的觸發(fā)控制。大功率電壓將驅(qū)動脈沖參數(shù)發(fā)送給計(jì)數(shù)器觸發(fā)器后，由計(jì)數(shù)器觸發(fā)器產(chǎn)生移相觸發(fā)脈沖，獲得觸發(fā)和保護(hù)時(shí)間，將計(jì)數(shù)器法對接入的三相變流電源的同步信號進(jìn)行減壓處理，用以確定觸發(fā)脈沖與輸入主路交流電源的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)計(jì)數(shù)器法采集到信號數(shù)據(jù)有相對限制時(shí)，存儲角度的編輯器自動更新內(nèi)容，同時(shí)計(jì)數(shù)器重新開始計(jì)數(shù)并逐漸增大展開保護(hù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器的數(shù)值增大到一定數(shù)值時(shí)，即編輯器內(nèi)數(shù)值相等時(shí)，產(chǎn)生出脈沖。每周期內(nèi)移相角度的更新就會產(chǎn)生保護(hù)電流的單脈沖波形。根據(jù)信號發(fā)出的所有脈沖信息，通過相序自適應(yīng)及脈沖平行進(jìn)行分析后，通過所有波形進(jìn)行觸發(fā)。脈沖的保護(hù)機(jī)制可以將整流柜中計(jì)算傳遞的控制角度轉(zhuǎn)換為實(shí)際的觸發(fā)脈沖的時(shí)間間隔，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動脈沖與三相電流相位的同步對應(yīng)關(guān)系。針對疊橋相移整流電源拓?fù)?，不同的觸發(fā)變壓器接入的二級管整流柜，對應(yīng)不同的限制角度。所以不增加同步電路的前提下需要對一組基準(zhǔn)脈沖波形進(jìn)行移相，才能滿足多組二級管整流橋的觸發(fā)需求。采取基準(zhǔn)角度為45°。當(dāng)形狀數(shù)據(jù)為2時(shí)，計(jì)數(shù)器開始工作，同時(shí)接入電源，同步模塊相互的順序是S，D，K的正相關(guān)順序，通過三種相關(guān)順序，正弦交流電信號為三種同步保護(hù)模塊接入計(jì)數(shù)器法的同步方波信號為三種S，D，K模式。通過驅(qū)動信號對應(yīng)多種晶體二級管，脈沖發(fā)生程序中產(chǎn)生1號二級管的雙窄觸發(fā)脈沖的第二個(gè)脈沖時(shí)，復(fù)制該通道輸出到5號二級管脈沖發(fā)生通道，實(shí)現(xiàn)發(fā)出4號二級管的雙窄觸發(fā)脈沖的第一個(gè)脈沖，接下來當(dāng)脈沖發(fā)生程序產(chǎn)生5號二級管的雙窄觸發(fā)脈沖的第二個(gè)脈沖時(shí)，對應(yīng)復(fù)制產(chǎn)生7號二級管的雙窄觸發(fā)脈沖的第一個(gè)脈沖。故障工況下進(jìn)行大功率電壓數(shù)據(jù)返回，確定同步信號正常后進(jìn)行相序檢測。

2 實(shí)驗(yàn)測試與分析

2.1 搭建實(shí)驗(yàn)平臺

使用兩路隔離的正負(fù)12V電源，15V電源。驅(qū)動電路板包括了驅(qū)動器及其外圍電路，新型RC電路可控的電流放大器，處理器控制板使用的是DSP＋CPLD控制板，方便編程和調(diào)試。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括整流柜，大容量的二極管等，將這些元器件涂過散熱硅脂后固定在散熱板上，再通過粗銅導(dǎo)線連接起來，搭建硬件實(shí)驗(yàn)平臺。在電源的整流柜里設(shè)置一個(gè)過壓檢測板BOD應(yīng)用到一個(gè)電源系統(tǒng)中，BOD板線路如圖2所示。

圖2 BOD線路板

通過高壓線把BOD板接到高壓區(qū)端子接在一個(gè)由集成門極換流晶閘管，電阻及電容組成的泄能裝置上。通過增加開通脈沖時(shí)間，讓BOD板產(chǎn)生過流行為。具體如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)案例圖

過壓檢測板與整流柜里的泄能裝置相連，一旦過壓檢測板檢測到電壓高于800V時(shí)，泄能裝置開始泄能進(jìn)行保護(hù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

BOD板上的光口U5連接在一個(gè)控制板上進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。通過示波器可以看到D6擊穿二極管的實(shí)際擊穿數(shù)值，以及單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)脈沖時(shí)間。BOD板上的U5輸出光口接在該泄能裝置的接收光口上，當(dāng)泄能裝置兩端的電壓發(fā)生波動，一旦使BOD板上的擊穿二極管兩端的電壓超過擊穿電壓值，擊穿二極管就會導(dǎo)通致使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)，觸發(fā)的脈沖信號通過BOD板上的U5輸出光口傳遞到泄能裝置的接收光口上。通過發(fā)現(xiàn)過壓后關(guān)斷的時(shí)間，可以檢測出BOD發(fā)生了過壓行為如圖4所示。

圖4 過壓行為

圖4中顯示檢測到的電壓過壓時(shí)間為2s，此時(shí)泄能裝置接收到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的脈沖信號就會啟動泄能。泄能的時(shí)間和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器暫穩(wěn)態(tài)的時(shí)間一致。在發(fā)生過壓行為前，也就是電壓值為1V，過壓時(shí)間為1.8s時(shí)來開啟保護(hù)，具體的保護(hù)行為如圖5所示。

圖5 保護(hù)行為

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，BOD板及時(shí)啟動泄能裝置完成保護(hù)。另外BOD上還有一個(gè)接收光口U3，該接收光口與一塊控制板發(fā)送光口相連，當(dāng)控制板上的發(fā)送光口向BOD板上的接收光口發(fā)送光信號時(shí)，通過光信號的傳遞，也會使泄能裝置泄能，泄能的時(shí)間由程序控制。以上這樣就完成了對于大功率電源過壓檢測和保護(hù)行為。

3 結(jié)束語

本文從大功率電源過壓檢測和保護(hù)入手，探究了大功率電源整流柜過壓檢測及保護(hù)方法。但是方法中還存在著不足，例如基礎(chǔ)數(shù)據(jù)無法保持完整性，正確性。對于數(shù)據(jù)的采集和集成問題。由于信號量差異等影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。在以后的研究中應(yīng)及時(shí)考慮定位診斷高價(jià)值設(shè)備類型，建立運(yùn)行健康評價(jià)系統(tǒng)，提升對于故障診斷的精準(zhǔn)性和預(yù)知性，做到有效及時(shí)的對于大功率電壓整流柜的檢測與保護(hù)，從而更完善此方法的研究。