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晶閘管整流器全關(guān)斷檢測電路的設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2012-03-29

中心議題:
  • 晶閘管整流器全關(guān)斷檢測電路的設(shè)計(jì)
解決方案:
  • 采用直流傳感器的信號(hào)
  • 利用管壓降過零檢測方法

本文提出并介紹了歐姆邏輯無環(huán)流檢測的一種方案——晶閘管整流器全關(guān)斷檢測,并與軟件檢測和電流互感器檢測進(jìn)行比較分析,最終得出晶閘管全關(guān)斷檢測方案準(zhǔn)確可行的結(jié)論。全關(guān)斷的輸出信號(hào)與上述兩種信號(hào)進(jìn)行綜合利用,從而準(zhǔn)確可靠地實(shí)現(xiàn)了歐姆的邏輯無環(huán)流控制。

1 引 言

中國環(huán)流器2號(hào)A(HL—2A)是中國第一個(gè)具有偏濾器位形的大型受控核聚變研究裝置,其主機(jī)由德國ASDEX裝置主機(jī)主要部件經(jīng)適當(dāng)改造而成,其磁場線圈所需的供電系統(tǒng)及其它的配套系統(tǒng)則完全由我院自行研制。

歐姆線圈(OH)在HL—2A中的作用是擊穿氣體、建立、維持并加熱等離子體電流,因而為其供電的歐姆電源在裝置實(shí)驗(yàn)中起著非常重要的作用。歐姆電源如圖1所示,有正負(fù)各兩組共計(jì)四組電源。


圖1 歐姆電源示意圖

其中1號(hào)和3號(hào)整流柜為正組,2號(hào)和4號(hào)整流柜為負(fù)組,正組輸出電壓1600V,負(fù)組800V,兩組的輸出電流都是30kA。

隨著實(shí)驗(yàn)的深入,實(shí)驗(yàn)需求參數(shù)的不斷提高,就要求實(shí)現(xiàn)歐姆電源正負(fù)組的無環(huán)流運(yùn)行。歐姆電源的邏輯無環(huán)流運(yùn)行可分為以下幾個(gè)階段,正組整流階段為歐姆線圈充磁,開始放電時(shí)正組整流器快速進(jìn)入逆變段,將氣體擊穿、維持等離子體電流上升,在正組電流過零后將正組封鎖,緊接著負(fù)組以整流狀態(tài)投入工作,繼續(xù)推動(dòng)等離子體電流上升并維持平頂,平頂結(jié)束后負(fù)組以逆變方式控制等離子體電流下降,電流過零后封鎖負(fù)組,完成一次放電。對(duì)實(shí)驗(yàn)來講,要實(shí)現(xiàn)邏輯無環(huán)流并確保裝置的安全,最關(guān)鍵的技術(shù)就是歐姆電流的過零檢測。

為了檢測歐姆的過零情況,可靠地實(shí)現(xiàn)邏輯無環(huán)流控制,對(duì)比實(shí)際情況,我們開發(fā)研制了晶閘管全關(guān)斷檢測電路板。

2 幾種關(guān)斷檢測方法的比較

要實(shí)現(xiàn)邏輯無環(huán)流的準(zhǔn)確穩(wěn)定運(yùn)行,最關(guān)鍵的是如何準(zhǔn)確判斷正組整流器的全關(guān)斷時(shí)刻。因?yàn)槿绻袛嚓P(guān)斷提前,而實(shí)際上正組整流器還沒有全關(guān)斷,這時(shí)按設(shè)定的邏輯程序就把負(fù)組整流器開通,正組整流器和負(fù)組整流器之間就會(huì)形成大環(huán)流,則對(duì)電源設(shè)備的安全構(gòu)成嚴(yán)重危害;如果判斷關(guān)斷延后,正組整流器和負(fù)組整流器之間切換的死區(qū)時(shí)間過長,則影響裝置放電以至放電失敗。

全關(guān)斷檢測對(duì)電源系統(tǒng)安全和裝置放電的穩(wěn)定有著重要的影響。通常采用檢測整流器的直流輸出電流是否過零來判斷其是否關(guān)斷,習(xí)慣上就叫做過零檢測,下面是對(duì)幾種檢測方法的分析和比較。

2.1 軟件過零檢測方法

采用直流傳感器的信號(hào),經(jīng)過采集板卡送入計(jì)算機(jī),預(yù)先設(shè)置一個(gè)比較值,通過程序來比較,在檢測到電流值小于這個(gè)值的時(shí)候,則認(rèn)為過零,由于大電流傳感器測量精度的局限性和現(xiàn)場干擾嚴(yán)重,容易造成誤判,而且過零檢測程序與復(fù)雜的裝置放電控制程序編在一起,只檢測第一次過零,在電流出現(xiàn)波動(dòng)時(shí),它不能判斷再過零,如圖2所示。


圖2 軟件檢測過零時(shí)電流出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)過零判斷示意圖
 
其中Utk2-OH為軟件檢測過零信號(hào),I-OH為歐姆電源電流,因?yàn)榛ジ衅鳒y量方向接反,所以歐姆電流顯示為負(fù)(下同)。當(dāng)過零信號(hào)反轉(zhuǎn)時(shí),實(shí)際上還有一定電流,整流器并沒有真正關(guān)斷,且處于續(xù)流狀態(tài)。如果放電正常,通過軟件延時(shí)適當(dāng)時(shí)間,可以控制在正組整流器真正關(guān)斷時(shí)再開通負(fù)組整流器,其轉(zhuǎn)換死區(qū)時(shí)間的長短取決于傳感器的測量精度和程序速度。但如果放電不正常,正好在過零信號(hào)反轉(zhuǎn),軟件延時(shí)時(shí),等離子體電流破裂,其能量耦合到歐姆原邊,正組電流增加,續(xù)流時(shí)間增長,軟件又只檢測出一個(gè)過零點(diǎn),如果在軟件延時(shí)(固定值)結(jié)束后開通負(fù)組整流器,此時(shí)正組整流器還在續(xù)流,將產(chǎn)生環(huán)流。

采用直流傳感器的信號(hào),經(jīng)過采集板卡送入計(jì)算機(jī),預(yù)先設(shè)置一個(gè)比較值,通過程序來比較,在檢測到電流值小于這個(gè)值的時(shí)候,則認(rèn)為過零,由于大電流傳感器測量精度的局限性和現(xiàn)場干擾嚴(yán)重,容易造成誤判,而且過零檢測程序與復(fù)雜的裝置放電控制程序編在一起,只檢測第一次過零,在電流出現(xiàn)波動(dòng)時(shí),它不能判斷再過零,如圖2所示。其中Utk2-OH為軟件檢測過零信號(hào),I-OH為歐姆電源電流,因?yàn)榛ジ衅鳒y量方向接反,所以歐姆電流顯示為負(fù)(下同)。

當(dāng)過零信號(hào)反轉(zhuǎn)時(shí),實(shí)際上還有一定電流,整流器并沒有真正關(guān)斷,且處于續(xù)流狀態(tài)。如果放電正常,通過軟件延時(shí)適當(dāng)時(shí)間,可以控制在正組整流器真正關(guān)斷時(shí)再開通負(fù)組整流器,其轉(zhuǎn)換死區(qū)時(shí)間的長短取決于傳感器的測量精度和程序速度。但如果放電不正常,正好在過零信號(hào)反轉(zhuǎn),軟件延時(shí)時(shí),等離子體電流破裂,其能量耦合到歐姆原邊,正組電流增加,續(xù)流時(shí)間增長,軟件又只檢測出一個(gè)過零點(diǎn),如果在軟件延時(shí)(固定值)結(jié)束后開通負(fù)組整流器,此時(shí)正組整流器還在續(xù)流,將產(chǎn)生環(huán)流。
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2.2 硬件過零檢測方法

此方法用硬件來實(shí)現(xiàn),采用霍爾元件測得歐姆整流器正組總電流信號(hào)來作為輸入信號(hào),在正常工作的時(shí)候也可以準(zhǔn)確檢測出關(guān)斷時(shí)刻,但是在電源出現(xiàn)某些異常情況時(shí),如逆變失敗或電流不為零時(shí)提前封鎖,電流又恰好是在零點(diǎn)附近,則該檢測方法會(huì)多次顯示過零情況。而此方法檢測出第一次過零信號(hào)時(shí),實(shí)際上整流器不一定是全關(guān)斷的,只是因?yàn)殡娫茨硟上嗟碾妷和ㄟ^某一對(duì)晶閘管加到OH線圈上,在一直流激磁電流的基礎(chǔ)上,不斷地對(duì)其激磁消磁, OH線圈能量并通過回路電阻消耗,直到OH線圈的直流電流衰減到零,整流器真正關(guān)斷。如圖3所示。


圖3 硬件過零檢測提前封鎖時(shí)的波形

其中V-OH為歐姆電源電壓,Utk1-OH為硬件檢測過零信號(hào)。

2.3管壓降過零檢測方法

鑒于以上兩種方法各自的缺陷,現(xiàn)在采用一種新的檢測方法,通過檢測晶閘管兩端的管壓降來判斷是否完全關(guān)斷。這是一種直接有效的方法,如果所有的管子都關(guān)斷,則負(fù)載中沒有電流,管壓降為幾百伏,如果還有管子導(dǎo)通,則負(fù)載中還有電流,管壓降則為幾伏,通過對(duì)管壓降的檢測來判斷是否全關(guān)斷,即可判斷是否有負(fù)載電流。針對(duì)這種特點(diǎn),設(shè)計(jì)了晶閘管全關(guān)斷檢測電路。

為了可靠判斷晶閘管關(guān)斷,取相電壓的15度時(shí)為判斷的時(shí)刻=700×0.25=175V,即當(dāng)管子兩端電壓高于175V時(shí),判斷管子為關(guān)斷狀態(tài);當(dāng)管子兩端電壓小于175V時(shí),判斷管子為導(dǎo)通狀態(tài),如圖4。


圖4 全關(guān)斷檢測原理分析

(a)分別是A、B、C三相電壓,(b)、(c)、(d)分別是共陰極組的三個(gè)晶閘管的狀態(tài)信號(hào),它包括正向電壓和反向電壓,中間有30度的低電平,將b、c、d三個(gè)信號(hào)相與,得到一個(gè)脈沖系列信號(hào)e,表示管子已全部關(guān)斷。經(jīng)此信號(hào)用一個(gè)單穩(wěn)整形為電平信號(hào),用來表示關(guān)斷信號(hào)。

3 晶閘管全關(guān)斷檢測電路

圖5即為晶閘管全管斷電路原理圖。

圖5 全關(guān)斷檢測電路原理圖

 
每個(gè)晶閘管兩端分別分壓,按正反方向接兩個(gè)光耦,當(dāng)管子兩端為正電壓時(shí),其中一個(gè)光耦導(dǎo)通,如果管子兩端為負(fù)電壓時(shí),另一個(gè)光耦導(dǎo)通,光耦導(dǎo)通時(shí)輸出信號(hào)都為1,否則為0。將這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行“或”處理,得到一個(gè)信號(hào),如果“或”之后的信號(hào)(即一個(gè)晶閘管的信號(hào))仍然為1時(shí),則可判斷此晶閘管為關(guān)斷狀態(tài),反之則為導(dǎo)通狀態(tài)。

六個(gè)晶閘管的信號(hào)“與”之后的信號(hào)為1時(shí),判斷此時(shí)為晶閘管全關(guān)斷狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器RC與C的電阻及電容,使其輸出高電平保持60 ,這樣能保證準(zhǔn)確反映脈沖狀態(tài),所有管子關(guān)斷時(shí)就為高電平,當(dāng)60 后無脈沖,則無高電平輸出。也就是說,只要有晶閘管導(dǎo)通,則輸出的狀態(tài)信號(hào)就為0。因而在等離子體破裂時(shí),導(dǎo)致正組續(xù)流時(shí)間增長,就會(huì)有低電平輸出。

在此電路中,光耦工作在線性區(qū),至少是在正弦波的下部是工作在線性區(qū),即在正弦波底部電壓很低的情況下,光耦也能導(dǎo)通,真實(shí)反映晶閘管兩端承受的電壓。而正弦波電壓較高的那部分更能使光耦導(dǎo)通?,F(xiàn)在以一個(gè)光耦的輸出為例來介紹板子的工作原理。

先假設(shè)一個(gè)光耦導(dǎo)通,其輸出的信號(hào)經(jīng)過三極管放大,分成三路分別通過三個(gè)比較器,其中一個(gè)同相比較器,兩個(gè)反相比較器。同相比較器是用來得到脈沖的前沿,當(dāng)正弦波電壓達(dá)到比較電平時(shí),比較器翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)上升沿,它的輸出接到一個(gè)D觸發(fā)器的時(shí)鐘端,Q端開始為“1”;當(dāng)正弦波電壓達(dá)到反相比較器比較電平時(shí);也產(chǎn)生一個(gè)上升沿,這個(gè)上升沿經(jīng)過一個(gè)單穩(wěn)后送到D觸發(fā)器的復(fù)位端使Q端變?yōu)?ldquo;0”,也就是確定了脈沖的后沿。經(jīng)過這個(gè)環(huán)節(jié),正弦波已經(jīng)被整形為方波。

另外一個(gè)反相比較器的作用是確保能找到一個(gè)能使D觸發(fā)器復(fù)位的一個(gè)信號(hào),這是因?yàn)槿绻笱乇容^電平比前沿比較電平高,就有可能出現(xiàn)在檢測到前沿以后晶閘管導(dǎo)通,晶閘管兩端電壓只有幾伏,就找不到后沿,D觸發(fā)器的輸出就一直為“1”,錯(cuò)誤的反映了管子狀態(tài)。所以這個(gè)比較器的比較電平必須設(shè)置在前沿比較器的比較電平之下,它的輸出和另外一個(gè)反相比較器的輸出相“或”,連接到單穩(wěn)的輸入端;對(duì)應(yīng)正、反向光耦最終的輸出信號(hào)相“或”后,再與其他六路信號(hào)相“與”,得到全關(guān)斷信號(hào)。
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4 調(diào)試結(jié)果


首先用標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號(hào)源對(duì)高隔離電壓光電耦合器的工作點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整,盡量在要檢測的電壓范圍內(nèi)使其延時(shí)時(shí)間短,且光耦的性能基本一致,再能過比較器調(diào)節(jié)各路輸出的一致性。

由于歐姆電源工作在脈沖運(yùn)行方式,現(xiàn)場調(diào)試比較困難,通過每一次放電記錄的數(shù)據(jù),把每一路的信號(hào)再進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,使其能正常工作,能夠準(zhǔn)確檢測到正組整流器電流過零時(shí)刻,如圖6,其中Utk3-OH為晶閘管全關(guān)斷檢測過零信號(hào)。


圖6 全關(guān)斷過零檢測示意圖

該晶閘管全關(guān)斷檢測電路不僅在理論上能夠真實(shí)反映管子全關(guān)斷時(shí)刻,并且在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中得到了良好地應(yīng)用,在OH電源假負(fù)載的條件下,進(jìn)行的邏輯無環(huán)流實(shí)驗(yàn)中,全關(guān)斷信號(hào)與其它過零信號(hào)(軟件過零檢測信號(hào)、硬件過零檢測信號(hào)和等離子體存在信號(hào))綜合作為整流器是否關(guān)斷的判據(jù),起到了較好的效果。實(shí)驗(yàn)中是在全關(guān)斷信號(hào)出現(xiàn)后,延時(shí)6ms, 如果上述三個(gè)信號(hào)同時(shí)存在,則負(fù)組打開的條件滿足,這為實(shí)驗(yàn)裝置的安全提供了保證,實(shí)驗(yàn)參數(shù)得到很大提高。
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