大功率电源整流柜过压检测及保护方法

李令鹏 左 英 王泽京

（中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所）

0 引言

随着信息技术的不断发展，大功率电源担负着为后续逆变电源提供稳定，足够功率的重要作用。并且向着全数字智能化与标准化的目标前进，向着绿色环保的方向发展。大功率电流的功能控制系统要求智能控制核心，在通信网络能够对系统运行参数和控制命令进行实时检测，完成处理和保护［1］。然而，在现实中对于传统方法的大功率整流柜，电子设备部件因为通常带有设备自身的热量，又或多或少接触了电阻累积产生的过压问题通常使得电压检测不及时，无法及时完成故障自动诊断，容易发生击穿等事故使得结果无法达到预期。随着大功率电源环境越来越复杂，现阶段选取大功率电源整流柜，结合实际进行综合处理和分析。

1 大功率电源整流柜过压检测及保护

1.1 数字滤波法采集模拟大功率电源电压信号

电磁各项干扰后各项模拟信号，电流信号干扰严重，采集所得到的信号失真率上升，采用数字二阶低通滤波器滤去高次干扰信号脉冲，其传递函数如式（1）所示：

对控制核心DSP采样周期进行有效缩短，如每隔3ms进行采样，完成一定数量的采集后进行均值运算，并及时进行处理和输出，这样得到的实际进行处理的采集信号值准确性高、波纹小，采样时间常数TAD取对应的数值，将其进行数字化处理，根据系统给定值和系统的实际输出值构成的偏差为：

式中：y（t）为系统的自定义值；v（t）为实际输出值。通过线性组合的关联，得到控制的电压达到控制值，其控制规律为：

式中：Td表示控制器的输出；g（t）为调节器的输入；kp为控制系数［2］。实时行校正的反应系统采集的偏差信号值g（t），随着kp值的减少而保持不变，同时系统闭环的变压量增大，响应速度变快，但是当kp增加到一定程度，控制系统将根据具体的变压值变化而发生一定波动。因此kp值要在系统调试过程中采取适当的值。当系统偏差存在时候，调试设备才有电压量输出，所以系统会产生相对误差。消除系统的静态误差强弱通常在完全常数q1，通常在kp不变的情况下，q1越小，积分环节对系统影响越强，闭环系统的超调量就越大［3］。采集信号的增量按照采集到的参数增量推导出相应的PID控制算法为：

在系统调试过程中，对参数值不需要再作累加计算，PID控制器输出值p（l）要设定在一个限定范围内，由于DSP输出的是增量值，以防因为积分环节时间限制不同，对系统发出修改指令时引起的系统快速变化带来的振荡，采集到参数增量实现系统状态的无扰动变化。

1.2 BOD板过压检测

当在BOD板（过压检测板）的高压区施加高压时候，如果施加的高压发生波动，一旦使击穿二极管D6两端的电压大于800V，D6就会被击穿导通，这时U7单稳态触发器就会触发产生一个脉宽44ms脉宽的的暂稳态波，暂稳态波的脉宽时间是可以通过调整电路中RC的参数值而发生变动的［4］。上述的800V电压是由击穿二极管D6的型号决定的，通过调整击穿二极管的型号即可调节击穿电压值，其二极管示意图如图1所示。

图1 BOD原理图

由于击穿二极管受制作工艺等方面的影响，击穿二极管的击穿电压的标称值与实际击穿的电压值有一定的误差，比如D6击穿二极管的误差范围为±50V，通过调节原理图中的R15的阻值可以对击穿二极管的实际击穿电压值进行微调［5］。根据二级管的输出特性，当BOD元素保持一定时，在特定温度的条件下，温度系数与能量系数之间存在自然对流关系。当R＜RD时，能量系数等于700，端口关断，呈现高阻态；当R＞RD时，端口开始导通，能量系数值缓慢增大，与温度系数值逐渐呈现出线性倍数关系，这种线性关系的斜率称为跨导。温度系数值的取值要适当，能量系数值最大通常取20V，其输出特性公式为：

在有源区的温度系数值受能量系数值的影响，温度系数值与能量系数值呈线性变化，此过程主要由二级管起主导作用，有源区的电压消耗量大，功率高，对于梯形波电流的单个BOD元件的每脉冲能量［6］。EP必须乘以总能量的元素数。对于指数衰减电流脉冲的单个BOD元件的每脉冲能量。EP必须乘以总能量的元素数。同时在Tvj＝125℃下的开启状态电压。观察瞬态热阻情况，保护晶闸管，防止正向过电压，其公式为：

计算环境温度IXBOD1-30R，环境温度Ta＝60℃，指数衰减电流ITM＝40A，脉冲宽度为2μs，脉冲频率为2Hz，工作频率为50Hz和自然对流下的最大结温度，得到每个脉冲的能量值为Ep1＝6×10-3Ws，对于模块IXBOD1-30R，单个IXBOD元素的数量为n＝3，在自然空气冷却时，热阻结与环境的温度为RthJA＝20K／W，且未知温度可计算为：

如果遵循这些稳态条件，ITM＝60A和脉冲宽度为4μs的过载1min，则产生的最大结温度计算如下：

由公式得到Ep的温度值决定的相对稳定条件，因为最大允许结温度TVJM＝125℃。对于给定的脉冲宽度tB，所允许的反向电流的最大峰值，是快速恢复串联二极管的必备条件。改进后的有源钳位电路，在推挽电路前减少了一条电源回路，通过优化改进单元，TVJ的击穿电流ITM不仅可以直接回流到系统的效果位上，同时引入到推动前级，TVJ将击穿电流放大后再送至系统的门极能量系数值取得的效果更好，使得电压更稳定，同时余出一个电源回路，使电路功耗降低，性能提升。

1.3 计数器法触发与保护整流柜内脉冲

采取阵列式双窄脉冲触发方案实现对二级管的触发控制。大功率电压将驱动脉冲参数发送给计数器触发器后，由计数器触发器产生移相触发脉冲，获得触发和保护时间，将计数器法对接入的三相变流电源的同步信号进行减压处理，用以确定触发脉冲与输入主路交流电源的对应关系。当计数器法采集到信号数据有相对限制时，存储角度的编辑器自动更新内容，同时计数器重新开始计数并逐渐增大展开保护，当计数器的数值增大到一定数值时，即编辑器内数值相等时，产生出脉冲。每周期内移相角度的更新就会产生保护电流的单脉冲波形。根据信号发出的所有脉冲信息，通过相序自适应及脉冲平行进行分析后，通过所有波形进行触发。脉冲的保护机制可以将整流柜中计算传递的控制角度转换为实际的触发脉冲的时间间隔，实现驱动脉冲与三相电流相位的同步对应关系。针对叠桥相移整流电源拓扑，不同的触发变压器接入的二级管整流柜，对应不同的限制角度。所以不增加同步电路的前提下需要对一组基准脉冲波形进行移相，才能满足多组二级管整流桥的触发需求。采取基准角度为45°。当形状数据为2时，计数器开始工作，同时接入电源，同步模块相互的顺序是S，D，K的正相关顺序，通过三种相关顺序，正弦交流电信号为三种同步保护模块接入计数器法的同步方波信号为三种S，D，K模式。通过驱动信号对应多种晶体二级管，脉冲发生程序中产生1号二级管的双窄触发脉冲的第二个脉冲时，复制该通道输出到5号二级管脉冲发生通道，实现发出4号二级管的双窄触发脉冲的第一个脉冲，接下来当脉冲发生程序产生5号二级管的双窄触发脉冲的第二个脉冲时，对应复制产生7号二级管的双窄触发脉冲的第一个脉冲。故障工况下进行大功率电压数据返回，确定同步信号正常后进行相序检测。

2 实验测试与分析

2.1 搭建实验平台

使用两路隔离的正负12V电源，15V电源。驱动电路板包括了驱动器及其外围电路，新型RC电路可控的电流放大器，处理器控制板使用的是DSP＋CPLD控制板，方便编程和调试。实验设备包括整流柜，大容量的二极管等，将这些元器件涂过散热硅脂后固定在散热板上，再通过粗铜导线连接起来，搭建硬件实验平台。在电源的整流柜里设置一个过压检测板BOD应用到一个电源系统中，BOD板线路如图2所示。

图2 BOD线路板

通过高压线把BOD板接到高压区端子接在一个由集成门极换流晶闸管，电阻及电容组成的泄能装置上。通过增加开通脉冲时间，让BOD板产生过流行为。具体如图3所示。

图3 实验案例图

过压检测板与整流柜里的泄能装置相连，一旦过压检测板检测到电压高于800V时，泄能装置开始泄能进行保护。

2.2 实验结果与分析

BOD板上的光口U5连接在一个控制板上进行光电转换，把光信号转换成电信号。通过示波器可以看到D6击穿二极管的实际击穿数值，以及单稳态触发器的暂稳态脉冲时间。BOD板上的U5输出光口接在该泄能装置的接收光口上，当泄能装置两端的电压发生波动，一旦使BOD板上的击穿二极管两端的电压超过击穿电压值，击穿二极管就会导通致使单稳态触发器触发，触发的脉冲信号通过BOD板上的U5输出光口传递到泄能装置的接收光口上。通过发现过压后关断的时间，可以检测出BOD发生了过压行为如图4所示。

图4 过压行为

图4中显示检测到的电压过压时间为2s，此时泄能装置接收到单稳态触发器的脉冲信号就会启动泄能。泄能的时间和单稳态触发器暂稳态的时间一致。在发生过压行为前，也就是电压值为1V，过压时间为1.8s时来开启保护，具体的保护行为如图5所示。

图5 保护行为

实验结果显示，BOD板及时启动泄能装置完成保护。另外BOD上还有一个接收光口U3，该接收光口与一块控制板发送光口相连，当控制板上的发送光口向BOD板上的接收光口发送光信号时，通过光信号的传递，也会使泄能装置泄能，泄能的时间由程序控制。以上这样就完成了对于大功率电源过压检测和保护行为。

3 结束语

本文从大功率电源过压检测和保护入手，探究了大功率电源整流柜过压检测及保护方法。但是方法中还存在着不足，例如基础数据无法保持完整性，正确性。对于数据的采集和集成问题。由于信号量差异等影响数据准确性。在以后的研究中应及时考虑定位诊断高价值设备类型，建立运行健康评价系统，提升对于故障诊断的精准性和预知性，做到有效及时的对于大功率电压整流柜的检测与保护，从而更完善此方法的研究。