一种400A～10kA水冷却低压直流可调节稳流电源的设计

姚 波 董纪圣 王国忠

（浙江方圆电气设备检测有限公司）

0 引言

直流低压电器产品目前广泛使用于光伏系统、轨道交通以及各种新型的输配电系统。其发展从早期的小型直流断路器，到小电流塑料外壳式断路器，再到如今的直流万能式断路器，已经衍生出各类大电流的直流产品。目前，IEC标准及国标，针对直流电器的试验要求和测试方法近年也在不断改进和完善。

直流断路器的直流保护特性试验及其温升试验，是验证产品能否满足需要的关键指标。直流特性测试一般采用低压大电流的试验方法进行，主要包含瞬时特性、延时特性及温升试验。早期直流产品应用的领域较小，产品的额定电流较小，一般仅为额定电流125A及以下。但是由于近些年来直流技术的飞速发展和应用范围的越来越广泛，产品的额定电流已经增长非常迅速，塑料外壳式断路器的额定电流已经达到直流800A，直流万能式断路器和直流隔离开关甚至已经达到了直流4000A。这些对直流试验设备提出了更大的要求。

本课题通过采用十二相整流原理，获得一种纹波系数小的低压直流可调稳流电流（注：IEC60947-2：2016的条款8.3.2.2.7规定电流纹波系数小于7%）；采用人机交换的PLC控制方式，采用水冷却系统，实现了400A～10kA的直流电流的高精度可调，可满足直流低压电器的温升与特性测试。

1 原国内实验室直流设备情况

现在国内的低压电器试验室都比较难以解决直流特性的大电流试验。国内虽然几家实验室也有直流大电流的特性设备，大多数采用三相桥式整流或高频整流型式，整流管采用自冷方式和风冷方式。由于三相桥式整流方式电流纹波系数约在5%左右，而高频整流存在谐波电流问题，因此，本次设计方案采用十二相整流电路，为提高设备长时间载流能力，采用独立的水冷却系统，用来冷却大功率整流管。

2 现设计水冷却稳流电源的特点

目前设计的设备，利用水冷的方式降温，不采用传统的自然风冷或者加装风扇的方案，可以有效节约体积，有效保护设备运行安全；现设计还规避了一般实验室用采用的三相整流或者6相整流的方式，而采用12相整流的方式，输出波形纹波系数较小，能够有效地满足目前市场上客户的产品试验需要；不仅如此，现设计的水冷电源产品采用了PLC控制技术及触摸屏显示技术，实现了人机交换；采用自编软件的便利性，可实现电流的微调，电流精度高，从而改变了传统设备采用机械控制和调节装置后，操作不便利且电流精度调节不能实现高精度的情况。

3 设计方案

本设计实现技术参数要求如下。测量电流范围：400A～10kA；电流精度：±2.5%；稳流相对误差要求：≤1.0%；纹波系数：≤2.5%。

400A～10kA水冷却低压直流可调节稳流电源，其主电路主要由主控制开关、两个交流接触器、起动限流电阻、一个电动柱式调压器、一个电动三相调压器、两个整流变压器、十二相整流电路、三组直流分流器组成；控制电路由PLC控制器及其外围继电器电路组成；通过对直流电流、温度等信号采集、处理、分析，基于一个稳流控制算法，向电动柱式调压器和电动三相调压器输出升压或降压的控制信号，从而实现直流电流从400A～10kA可随意设定，并电流保持恒定输出一个稳流电源。整流管的冷却系统采用水系统，并对整流管的温度进行监控和保护设置，当整流管的实际温度超过设定值，设备自动切断电源，实现过温保护。主电路电气原理图如图1所示。

图1中，QF为主控制开关；KM1、KM2为交流接触器；R1、R2、R3为起动限流电阻；TP1为电动柱式调压器；TP2为电动三相调压器；TD、TY为整流变压器；VD1～VD12为十二相整流电路；FL1、FL2、FL3为直流分流器。

图1 主电路电气原理图

QF控制开关，为250A塑料外壳式断路器，起到总电路的保护和隔离用。KM1、KM2交流接触器，主要是设备起动时，防止冲击电流引起QF跳闸。设备起动时，通过先接通KM2，KM1断开，三相交流输入电源通过限流电阻R1、R2、R3，向电动柱式调压器（TP1）和电动三相调压器（TP2）供电，限制了起动电流，程控器紧接着输出断开KM2，接通KM1的信号，向TP1、TP2全电压供电，避免设备起动时的冲击电流引起QF（250A塑料外壳式断路器）的跳闸。

电动柱式调压器（TP1）和电动三相调压器（TP2）；输出端与两个整流变压器（TD、TY）相连接。TP1主要用于粗调直流输出电流；TP2主要用于细调直流输出电流。两个电动调压器的电压调节指令，由PLC输出控制两个电机的旋转方向和转动角位移。

两个整流变压器（TD、TY），TD输入端为三角形接法，TY输入端为星形接法，TD和TY两个变压器，其输出电压相同，相位角相差300°，为十二相整流电路提供相位角互差300°的低压交流电压。

十二相整流电路（VD1～VD12），由12个大容量整流二极管组成。通过12相整流电路，获得纹波系数小于2.5%的直流电流。整流二极管的冷却，通过水塔自动循环冷却系统进行。设备开机时，先自动运行整流二极管的冷却系统。

三组直流分流器（FL1、FL2、FL3）；其量程分别为2000A、5000A和10000A。分流器FL1、FL2、FL3向PLC输入模拟信号，通过AD转换器，向PLC控制器输入电流数字信号，与设定值进行比较、分析和运算。

控制电路由PLC控制器、控制继电器电路及人机界面的显示屏等组成。控制继电器电气原理图如图2所示。

图2 控制继电器电气原理图

4 设备校准测量与获得的电流波形

研制的直流电源设备，通过对不同电流量程的校准，其检测结果如表所示。

表 检测结果

通过用数据采集系统，对直流电流波形采集，获得的电流波形如图3所示。

图3 电流波形图

5 结束语

目前国内外直流产品普遍额定电流都已经达到了800A以上，对特性中的过载保护及温升保护的测试要求越来越高，对设备要求也是与日递增。本文研制的直流可调节稳流电源，通过采用水冷却的方式，具有试验电流大、精度高电流可调、纹波系数低、稳定性高特性，该直流电源的研制成功，为大容量直流电器的试验提供可靠保障。