引言
大電流直流電是冶金、化工及有色加工行業(yè)必不可少的供電電源，如今在國內(nèi)比較常用的為以飽和電抗器調(diào)壓、整流變壓器降壓整流管整流的方案和以整流變壓器直接降壓、晶閘管整流的方案，由于這兩種方案都屬于對工頻整流的方案，使用中并聯(lián)電力電子器件多，系統(tǒng)龐大，其快速有效的保護(hù)一直較難，現(xiàn)多用的是分散保護(hù)的方案，不便于集成，同時抗干擾性能差，現(xiàn)場調(diào)試整定困難。為此本文主要針對大電流直流電力電子變流裝置保護(hù)模塊中具有代表性的過電壓保護(hù)設(shè)計了一種集過壓檢測和過壓動作于一身的智能保護(hù)模塊，其具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)迅速、保護(hù)門限寬和便于集成的優(yōu)點(diǎn)。
過壓分析
在大電流直流電力電子變流裝置中，電力電子器件對電壓非常敏感，一旦外加電壓超過器件所允許的最大額定值，器件將立即損壞。整流裝置中造成過電壓的原因很多，可分為外因和內(nèi)因兩種情況。一般外因包括常見的自然災(zāi)害，比如雷電造成的過電壓，其都可通過良好的接地避免。但是由內(nèi)因引起的過電壓是不可避免的，其歸為四類：合閘時的操作過電壓、分閘時的操作過電壓、器件換流過電壓和逆變器換流失敗過電壓。
合閘操作過電壓是其一、二次繞組間存在分布電容，一次側(cè)合閘瞬間，高壓通過分布電容耦合到二次側(cè)，使二次側(cè)出現(xiàn)過電壓。分閘操作過電壓是當(dāng)整流變壓器工作時，其勵磁電感有儲能作用，如果變壓器空載或負(fù)載阻抗較高，分?jǐn)嘁淮蝹?cè)開關(guān)，儲存的能量無法通過負(fù)載釋放，只能通過二次側(cè)的分布電容釋放，在振蕩過程中耗盡儲能，且在勵磁電流峰值分閘過電壓最嚴(yán)重。器件換流過電壓主要是指晶閘管換流過電壓，晶閘管換流時，器件內(nèi)各PN結(jié)層殘存載流子復(fù)合產(chǎn)生反電流。此電流在極短時間內(nèi)降至接近于零的數(shù)值，則有較大的Ldi/dt電壓足以燒壞晶閘管。逆變器換流失敗過電壓，即變流裝置在AC-DC中未達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，造成局部或整體過電壓。
這些導(dǎo)致整流裝置過電壓的因素不可能從根本上消除，但可以有效利用快速感應(yīng)器件及合理的調(diào)理電路通過人工智能模塊實現(xiàn)過電壓保護(hù)的功能。
過壓保護(hù)模塊的設(shè)計
傳統(tǒng)的大電流變流裝置過壓保護(hù)主要采用分離器件的保護(hù)，比如排氣式避雷器、閥型避雷器或金屬熔斷絲等，國外已經(jīng)開發(fā)出半導(dǎo)體熔斷絲，其具有可恢復(fù)性，但是價格昂貴。本文通過綜合考慮，選用了目前國內(nèi)外性價比較高的51系列單片機(jī)作為主控制核心，結(jié)合具有快速響應(yīng)的電壓互感器和相關(guān)調(diào)理電路組成整個變流裝置的過壓保護(hù)模塊。
過壓檢測電路
過壓檢測主要是在整流裝置中并聯(lián)電壓互感器，通過整流濾波電路對檢測到的電壓進(jìn)行處理，其電路圖如圖1中A部分所示。電壓互感器是一個帶鐵心的變壓器，其主要由一、二次線圈、鐵心和絕緣組成。當(dāng)在一次繞組上施加一個變化電壓U1時，在鐵心中就產(chǎn)生一個磁通φ，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，則在二次繞組中就感生出電壓U2。改變一次或二次繞組的匝數(shù)，可以使一、二次側(cè)電壓比發(fā)生變化，這樣就可組成不同比的電壓互感器。文中的電壓互感器將輸入高電壓依匝比降為低電壓輸出，其一次側(cè)接在一次系統(tǒng)，二次側(cè)接信號處理電路。其工作原理與變壓器相同，基本結(jié)構(gòu)也是鐵心和原、副繞組。其特點(diǎn)是容量很小且比較恒定，正常運(yùn)行時接近于空載狀態(tài)，一次側(cè)電流和二次側(cè)電流都比較小。根據(jù)設(shè)計，電壓互感器的輸入端電壓U1即為整個保護(hù)裝置的檢測電壓，其信號處理后的輸出電壓U3即為檢測到的電壓。U3將與保護(hù)門限電壓UREF進(jìn)行比較，若U3＜UREF，則輸出為高電平；若U3＞UREF，則輸出為低電平；以此方便后續(xù)單片機(jī)進(jìn)行判斷。保護(hù)門限電壓UREF即為參考電壓，其是直流電壓，故在U3的整流濾波處理過程中，結(jié)合輸入輸出端電壓參數(shù)，以及回路中可承受最大輸出電流小于10mA，可以選擇低于0.3W的整流橋及需要過濾低頻諧波的濾波電容C1≥0.144/(f×R1×r)，其中r一般為0.002，過濾高頻諧波的電容C2為低值瓷介質(zhì)電容。
圖1 過壓智能保護(hù)模塊電路圖
過壓比較電路
電壓互感器檢測到的電壓信號必須經(jīng)過比較電路轉(zhuǎn)化為單片機(jī)能夠識別的信號，而且快速準(zhǔn)確的判斷過壓與否關(guān)系到整個保護(hù)模塊實際存在的必要性，是過壓保護(hù)模塊的關(guān)鍵。
這里選擇LM339電壓比較器，其具體電路如圖1中B部分所示。圖中同相端接參考電壓UREF，異相端接檢測到電壓U3，其中R2和R3串聯(lián)提供UREF電壓，且R3是一個可變電位器可以改變UREF的大小。在1/4LM339的輸出端用三極管M5構(gòu)成了一個正反饋回路，這樣就形成了一個反相輸入遲滯比較器，其上門限電壓UT+和下門限電壓UT-分別如公式1-1和公式1-2所示：
和 
（1-2）
故回差電壓為：
（1-2）
其中r為三極管處于放大區(qū)的內(nèi)阻可以忽略，UOH為LM339輸出高電平5V，UOL為輸出低電平0V，根據(jù)設(shè)計要求R3調(diào)為3KΩ，由此可得
=5V。假設(shè)整流裝置輸入交流有效電壓U1為209V，且上下波動10%都為安全電壓，此時電壓互感器檢測到的電壓U3小于2.6V，且小于參考電壓UREF，輸出開路，過電壓保護(hù)模塊不動作，作為正反饋的射極跟隨器三極管M5導(dǎo)通UREF=2.8V。當(dāng)U1增加到230V時，U3大于2.8V，輸出為低電平，過電壓保護(hù)模塊動作，單片機(jī)輸出封鎖脈沖，且M5截止UREF=2.7V，促使U3更大于UREF，這時翻轉(zhuǎn)后的狀態(tài)極為穩(wěn)定，避免了過電壓附近電壓波動而引起的不穩(wěn)定現(xiàn)象。由于產(chǎn)生了一定的回差，過電壓保護(hù)動作后，整流裝置的輸入電壓U1必須降到230-5=225V時，即U3＜UREF，整流裝置才能恢復(fù)正常。
脈沖輸出控制
大電流整流裝置主要是通過晶閘管整流，而晶閘管的導(dǎo)通是需要觸發(fā)脈沖的，這里對觸發(fā)脈沖的控制是基于單片機(jī)產(chǎn)生晶閘管觸發(fā)脈沖。因此，控制了晶閘管觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生就控制住了整個整流裝置的輸出，也就達(dá)到了過壓保護(hù)的目的。
圖2 脈沖輸出控制程序流程圖
單片機(jī)是一種微型計算機(jī)，可以通過編程實現(xiàn)相應(yīng)的功能。文中通過51系列單片機(jī)的P1.0口控制晶閘管觸發(fā)脈沖輸出的P0口，可以將電壓比較器的輸出端U4與單片機(jī)的P1.0口相接，中間用一個PNP型三極管進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換如圖1中C部分所示。當(dāng)U4為高電平時，單片機(jī)P1.0口有內(nèi)置高阻上拉電阻，復(fù)位后P1.0口為高電平，三極管M6截止；當(dāng)U4為低電平時，三極管M6導(dǎo)通，并將P1.0口拉為低電平，此時P0口被強(qiáng)行復(fù)位。其脈沖輸出控制程序流程圖如圖2所示，確保了整流裝置過電壓時晶閘管觸發(fā)脈沖能夠及時關(guān)斷，當(dāng)電壓恢復(fù)到安全值后能夠自動運(yùn)行。
實驗結(jié)果
通過電壓比較電路實驗波形的觀察發(fā)現(xiàn)其輸出高低電平的轉(zhuǎn)換時間為微秒級，達(dá)到保護(hù)模塊設(shè)計要求的響應(yīng)時間。
由圖3實驗波形可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入電壓有效值低于U1=209V，晶閘管輸出脈沖正常，整流設(shè)備正常工作；當(dāng)輸入電壓有效值U1=212V，晶閘管輸出脈沖被關(guān)斷，整流設(shè)備停止工作；當(dāng)輸入電壓有效值降為U1=204V，晶閘管輸出脈沖正常，整流設(shè)備重新正常工作。
圖3 過壓前后控制觸發(fā)脈沖輸出波形
結(jié)論
本文設(shè)計了一種大電流變流裝置的過電壓智能保護(hù)模塊，分析了導(dǎo)致過電壓的原因，結(jié)合整流裝置過壓特性提出利用性價比較高的51系列單片機(jī)作為控制核心，實現(xiàn)了智能保護(hù)的目的。通過實驗發(fā)現(xiàn)整個過壓保護(hù)模塊的響應(yīng)時間為微秒級，滿足過壓保護(hù)響應(yīng)時間的要求。通過實驗波形的比較，驗證了電壓比較電路的回差電壓為5V，達(dá)到了預(yù)期保護(hù)遲滯的設(shè)定。通過改變R3的阻值可以實現(xiàn)不同門限的過壓保護(hù)，而且實驗證明了該智能保護(hù)模塊是可行的。