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采用了三相交流調(diào)壓模塊的大功率恒流源

發(fā)布時(shí)間:2013-01-07 責(zé)任編輯:Lynnjiao

【導(dǎo)讀】某項(xiàng)科研任務(wù)需用上百臺(tái)500A恒流源,要求其有極高的可靠性、穩(wěn)定度和低的紋波。其交流電網(wǎng)電壓340~420V,負(fù)載在0.05~0.1Ω的大范圍內(nèi)變化,電流從200~500A連續(xù)可調(diào),使用工控機(jī)進(jìn)行控制。

從經(jīng)驗(yàn)和可靠性考慮,確定采用線性串聯(lián)電源方案。為了提高輸出電流穩(wěn)定度,降低紋波以及避免開機(jī)瞬間對濾波電容、調(diào)整管的沖擊,可在三相橋式整流輸出端串接扼流圈。但是,針對本電源,需要制作500A,mH級的扼流圈,不僅造價(jià)高、體積大、笨重,需占有較大空間,而且影響裝配結(jié)構(gòu)、布局。能否采用別的技術(shù)而不用扼流圈,則是本課題需要解決的一個(gè)問題。

已知負(fù)載電壓最低10V(0.05Ω/200A),最高50V(0.1Ω/500A),負(fù)載電壓的變化由調(diào)整管調(diào)節(jié),再考慮電網(wǎng)電壓的變化,則調(diào)整管最高工作電壓可達(dá)60V。一般調(diào)整管在高的工作電壓下,其極限功率要下降,有的急劇下降,雖然可以采用變壓器電壓分低、中、高三檔的辦法來解決,但考慮到負(fù)載通電發(fā)熱阻值變大,電網(wǎng)變化及三檔復(fù)蓋等因素,調(diào)整管的工作電壓仍在20V以上。當(dāng)調(diào)整管管壓降20V時(shí),其耗散功率為10kW,如何將10kW的功率轉(zhuǎn)換的熱量排散出去,亦是很難解決的問題。

為了使恒流源安全可靠工作,擬選功率為300W的調(diào)整管降額到l00W使用,則需100只并聯(lián),這必然使裝配復(fù)雜,成本增加。

要解決上述問題可行的技術(shù)方案很多,經(jīng)比較論證確定選用晶閘管交流調(diào)壓式。

方案及工作原理

選用淄博市臨淄銀河高技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的捷普三相交流智能控制模塊作為前級調(diào)壓單元,恒流源工作原理見圖1。

三相交流電經(jīng)斷路器、調(diào)壓模塊、變壓器降壓、三相橋式整流濾波后的直流電壓Vo為恒流源供電。

斷路器起著過流保護(hù)作用,當(dāng)恒流源失控或負(fù)載短路時(shí),自動(dòng)切斷電源。

交流調(diào)壓模塊是本方案重要部件,只需外加12V直流電,以手動(dòng)或微機(jī)控制給定信號電壓,即可改變6只晶閘管的觸發(fā)角,從而改變交流輸出電壓,達(dá)到控制直流電壓Vo的目的。

直流電壓經(jīng)電流取樣,比較放大調(diào)整后輸出穩(wěn)定的電流Io,從線性串聯(lián)電源原理可得:
Vo=Vce+Vs+VLVs=IoRsVL=IoRL式中:Vce為調(diào)整管的壓降;

恒流源主電路
圖題:恒流源主電路

Vs為取樣電阻的電壓;
VL為負(fù)載電阻的電壓。

由于Rs<Vo≈Vce+VL根據(jù)給定的輸出電流Io和負(fù)載RL,調(diào)節(jié)交流模塊控制信號電壓,使Vce在5~10V范圍內(nèi)變化,則可以成倍地減少調(diào)整管的數(shù)量和耗散功率。

方案效果分析

用變壓器分檔辦法,調(diào)整管管壓降仍在20V以上,如何將調(diào)整管耗散10kW的熱量排散出去,以往采用水冷或風(fēng)冷散熱器,而且以水冷為主。

采用水冷須另加水冷裝置,不僅裝配工作量大,而且特別是上百臺(tái)恒流源,要用上千根連接水管,易發(fā)生漏水問題,如有一處漏水,實(shí)驗(yàn)就無法進(jìn)行。

采用晶閘管交流調(diào)壓式,使調(diào)整管在較低的電壓下工作,管耗在3.5kW左右,從而使調(diào)整管數(shù)量成倍減少,不僅降低成本,減少工作量,而且管耗成倍降低,只要選擇熱容量大的金屬作為散熱器,并適當(dāng)增加厚度和散熱面積,加強(qiáng)風(fēng)冷,則可以去掉水冷,這是對恒流源最大的改進(jìn)。

雖然用串聯(lián)扼流圈方式可降低紋波,提高穩(wěn)定度和減輕啟動(dòng)瞬間對調(diào)整管和濾波電容的沖擊損傷,但500A,mH級的扼流圈占據(jù)較大空間,影響裝配結(jié)構(gòu)。實(shí)踐證明裝配工藝、布局對恒流源技術(shù)指標(biāo)有較大影響。采用晶閘管交流調(diào)壓式,可以使裝配結(jié)構(gòu)布局更加合理,從而有利于改進(jìn)和提高恒流源性能指標(biāo);采用調(diào)壓式可以使移相控制器的控制信號電壓緩啟動(dòng),避免啟動(dòng)瞬間對調(diào)整管和濾波電容的沖擊損傷。因此,采用晶閘管交流調(diào)壓式可以去掉體積大、笨重、造價(jià)高的扼流圈。

采用晶閘管交流調(diào)壓式,變壓器不用分檔,只要改變交流模塊控制信號電壓就能達(dá)到控制恒流源直流輸出電壓的目的,使調(diào)整管工作在5~10V范圍內(nèi)。

采用晶閘管交流調(diào)壓式,去掉水冷和扼流圈,使結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理、工藝規(guī)范,調(diào)試方便,一致性好。同時(shí)對原取樣電阻也作了較大改進(jìn),從而使恒流源的性能指標(biāo)有了較大提高,在30s內(nèi)穩(wěn)定度優(yōu)于0.01%,紋波優(yōu)于0.1%(峰值),重復(fù)性優(yōu)于0.1%。

采用調(diào)壓式,由于調(diào)整管工作在較低的電壓下,性能穩(wěn)定可靠,兩臺(tái)樣機(jī)均做10000次可靠性實(shí)驗(yàn),無失誤。

采用調(diào)壓式,優(yōu)化裝配結(jié)構(gòu)布局,裝配維修簡便,省工省時(shí)。采用調(diào)壓式,省掉500A,mH級扼流圈,成倍地減少了大功率調(diào)整管,并去掉了水冷系統(tǒng),減小了體積,減輕了重量,降低了成本。

不足之處是,三相交流模塊是通過改變晶閘管的觸發(fā)角進(jìn)行調(diào)壓,再加之變壓器二次又有三相橋式整流,都是諧波源,因此對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染。

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