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晶閘管在電力穩(wěn)壓器中的應用

發(fā)布時間:2012-02-20

中心議題:
  • 晶閘管在電力穩(wěn)壓器中的應用
解決方案:
  • 利用微電腦邏輯控制進行調壓
  • 過零開關技術

目前流行的電力穩(wěn)壓器大多采用伺服電機帶動炭刷移動調整電壓。它具有整機效率高、輸出波形好、電路簡單等優(yōu)點,但由于有炭刷和機械傳動造成其工作壽命短、響應速度慢待等問題。用“無觸點”取代“炭刷”是目前大功率電力穩(wěn)壓器的發(fā)展方向。所說的“無觸點”是指主電路中的交流開關采用如晶閘管之類的器件,利用微電腦邏輯控制進行調壓。用無觸點控制取代伺服電機及炭刷進行調壓,從而延長使用壽命、加快響應速度、提高可靠性。

系統(tǒng)基本原理


穩(wěn)壓器由主電路、8031單片機、檢測電路、控制電路、驅動及報警接口電路等單元構成。如圖1所示。

圖中各電壓相量有如下關系:

i=△+o

由圖1可見,通過電腦控制的電壓采樣電路檢測出需要補償?shù)碾妷骸鱑,由控制系統(tǒng)改變雙向晶閘管S1~S6的導通組合來補償輸入電壓(Ui)或者負載變化,使穩(wěn)壓器的輸出電壓(Uo)保持穩(wěn)定,從而達到穩(wěn)壓的目的。為使操作、維護簡單易行,充分利用微電腦功能強大的特點,設置了完善的自檢功能。

晶閘管應用中幾點值得注意的問題

觸發(fā)驅動問題


晶閘管作為開關器件,當觸發(fā)脈沖的持續(xù)時間較短時,脈沖幅度必須相應增加,同時脈沖寬度也取決于陽極電流達到擎住電流的時間。在本系統(tǒng)中,由于感性負載的存在,陽極電流上升率低,若不施加寬脈沖觸發(fā),則晶閘管往往不能維持導通狀態(tài)??紤]負載是強感性的情況,本系統(tǒng)采用高電平觸發(fā),其缺點是晶閘管損耗過大。

晶閘管阻斷問題

晶閘管是一種開關器件,應用過程中,影響關斷時間的因素有結溫、通態(tài)電流及其下降率、反向恢復電流下降率、反向電壓及正向dv/dt值等。其中以結溫及反向電壓影響最大,結溫愈高,關斷時間愈長;反壓越高,關斷時間愈短。

在系統(tǒng)中,由于感性負載的存在,在換流時,電感兩端會產生很大的反電勢。這個異常電壓加在晶閘管兩端,容易引起晶閘管損壞。為了防止這種情況,通常采用浪涌電壓吸收電路。

dv/dtdi/dt效應問題


晶閘管的斷態(tài)電壓臨界上升率dv/dt較大的時候,有可能在比它的正向轉折電壓低得很多的電壓下導通。如果電路上的dv/dt超過器件允許的dv/dt值時,晶閘管就會誤導通而失去阻斷能力。在應用電路中,將晶閘管的門極通過電阻與陰極相連,從外部將位移電流旁路掉,以防止dv/dt引起的誤導通。

di/dt過大容易造成晶閘管擊穿,在電路中采用前沿陡的高電平觸發(fā)以增大初始導通面積,從而改善di/dt容量。

由于dv/dt過大引起的誤導通和di/dt過大引起的晶閘管擊穿現(xiàn)象,其后果是十分嚴重的。通過原理電路可以看出,這種情況的出現(xiàn)會使變壓器短路而產生“環(huán)流”,造成晶閘管甚至變壓器的損壞。在電路設計中,采用可靠的晶閘管通斷檢測措施,避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。

過電壓、過電流保護措施

過電壓的產生,主要有以下原因:

(1)變壓器投入時的浪涌電壓;

(2)變壓器抽頭轉換時產生的浪涌電壓;

(3)雷擊侵入時的浪涌電壓;

(4)直流回路斷開時產生的浪涌電壓。

在電路中,加入浪涌吸收器可以吸收變壓器一次系統(tǒng)電磁轉移而侵入的浪涌電壓,同時還能吸收變壓器通斷時產生的磁能。為避免雷擊侵入產生的浪涌電壓,可采用半導體避雷器。
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消除環(huán)流是該穩(wěn)壓器的一大關鍵問題,為了解決這一難題,我們采取了如下技術措施:

(1)確保晶閘管的觸發(fā)信號可靠。利用軟件濾波程序使輸出觸發(fā)控制信號每組只有一個有效,其次利用74LS273和研制的防環(huán)流邏輯電路(PAL16V8),以確保即使單片機失控的情況下也不會出現(xiàn)誤觸發(fā)。另外,觸發(fā)信號引線采用屏蔽線等措施,防止干擾。

(2)確保轉換可靠。在正常工作時,經常要改變補償電壓的大小,即要調整晶閘管的導通組合,如:使S1導通換為S2導通,則必須在關斷S1的同時給S2觸發(fā)控制信號,實現(xiàn)晶閘管的轉換。如果轉換的時機或者組合不當就會形成環(huán)流,損壞晶閘管。在設計中采用了零點切換技術,即在電流過零時讓S1自然關斷,同時觸發(fā)S2使其導通。由此可見,在轉換過程中最關鍵的是準確檢測電流過零信號。為此,采取軟、硬件結合及互鎖技術,確保過零信號的準確無誤。實際運行表明:上述技術成功地解決了環(huán)流問題。

感性負載的影響


由于感性負載的存在,應考慮加大觸發(fā)脈沖寬度,否則晶閘管在陽極電流達到擎住電流之前,觸發(fā)信號減弱,可能會造成晶閘管不能正常導通。在關斷時,感性負載也會給晶閘管造成一些問題。

在實際系統(tǒng)中,采用高電平觸發(fā),以確保晶閘管可靠導通。為保證晶閘管轉換過程中不產生關斷失敗現(xiàn)象,采用可靠的互鎖技術,以確保晶閘管不損壞。

過零開關技術

在調壓過程中,通過過零檢測技術來控制晶閘管門極觸發(fā)信號,保證其過零時通斷,避免調壓過程中由于晶閘管開關對電網造成的污染。

結語


由于采取一系列技術措施解決了晶閘管應用過程中存在的問題,使這種電源在技術上十分成熟。我們研制的這種電源已于
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