具有快速短路保护的1140伏90千瓦中频电源

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摘要：本文介绍了1140伏90千瓦中频电源的研制，该电源输出电压在200--1500V之间连续可调，频率在250--1000HZ之间连续可调。样机已转化成产品，该产品经受过多次短路试验的考验。

引 言
油田采油时由于某些井的原油粘稠，难于吸抽，现有一种解决方案，将发热元件安于井下，选一种合适的电源为其供电，油层被加热，原油变稀，使采油效率大大提高。经过多次试验，油田提出了该电源的技术参数：
功率 90KW
输入电压 1140V，50 HZ，三相
输出电压 200V ~ 1140V（有效值），单相、连续可调
频率 250 ~ 1000HZ 连续可调
波形 正负半周对称的方波，占空比连续可调
研 制
主回路如图1.所示。逆变桥采用三电平结构，这样不但降低了器件的耐压的要求，而且对减少谐波成分、改善波形大有好处。八个开关功率器件用的是西门子产的BSM150GB170DL 型IGBT管，额定电压和电流分别为 1700V、150A 。在本电源中，设其工作额定电流为I0=65A 。

控制系统的方块示意图如图2所示。


控制功能由51单片机来实现，其作用有：
1．产生250 ~ 1000HZ 的驱动信号，控制8支IGBT 管有序导通，在输出端产生脉宽可调的方波电压。
2．用脉宽调制的方法实现输出电压的连续可调。输出波形如图3 所示。


3．检测和显示功能
样机研制成功后，在油田运行良好，但另一问题突现出来，由于工作环境和条件的原因，该电源的输出端常有被短路的危险，为此用户又提出了新的要求：“设备不怕短路”，用户要求合理，“额定电压下不怕短路”要求保护电路快速而有效。
快速短路保护电路
一般保护方案就是关断所有IGBT管。但对600v以上的电源由于短路电流上升太快，关断信号还未起作用，IGBT管已经被烧坏了。要想确保IGBT管安然无恙，必须另外采取措施。本文的思路是在输出端串联适当的电感，用电感降低短路电流的上升速度，争取时间让IGBT的电流在到达极限值之前，管子能够来得及关断。可是引入电感后，由于巨大的di/dt，又会感应出尖峰电压，此尖峰电压又会给IGBT 造成巨大威胁。
为了确保短路保护的可靠，本文采取了如下措施：
1．加装尖峰抑制器（TVTE1。5KE400CA）。此器件工作原理与稳压管差不多，当电压低于击穿电压时，管中无电流，不消耗能量。当电压高于击穿电压时，管子击穿，起钳位作用。由于管子的耐压不够，经过适当串联后，并联于逆变桥的上下母线上。这样可以保证母线电压±E上不会出现危及IGBT 安全的尖峰电压。
2．在输出端串联限流电感，此电感的作用是防止di/dt 过大，以免IGBT 被完全关断之前电流超过极限值。以下是电感量的计算：
IGBT手册上的额定电流为I0=150A
本电源的额定输出电流为IL=65A
IGBT手册上给出的最大脉冲电流为额定的2倍
IMAX = 2* I0 =2*150=300A
上下母线之间的电压为2E≈1140*1.4≈1600V
通常允许2E有20%的波动，所以
EMAX=1.2*2E≈2000V
短路发生后，检测信号请求中断约2μs;
转移指令约2μs;
关断信号的产生与传输约2μs;
关断信号在IGBT 栅极上的建立时间约2μs.
总计约8μs，用示波器观测IGBT 上的关断信号的确比短路发生时刻延迟了8μs 左右，这证明上面的分析是正确的。产生这段延迟的主要原因是51单片机速度慢、工作周期长。依据上面的估算和实测为依据，关断信号的建立时间为
Δt=8μs
在Δt的这段时间内电流由IS上升到了，所以最大电流变化率di/dt为：
di/dt =( IMAX --- IX )/ Δt=(300—117)/8≈23 (A/μs)
限流电感值应为：
L=EMAX/（di/dt）=2000/23≈90（μH）
此电感实际绕制值控制在90--120μH之间。为了减少电感上的功率损耗，该电感在保证安全的情况下应尽量小。其铁芯应留有气隙，要确保在大脉冲电流的作用下也不会饱和。
电感的接入确实为关断信号的到来赢得了时间，但又招来了下一个难题，即如何把电感限流过程中积累的磁能释放掉，尖峰抑制器是个体积很小的器件，虽有泻放磁能的作用，但不能全依靠它。本文提出两个选择方法：
方法1：
在电感上并联一支快速双向晶闸管。
方法2：
8个IGBT 同时关闭4μs之后，让内四支管子轮番导通，以便泻放电感L上的能量，方法1原理简单，不必细说。本文用方法2取得了满意结果，现简述如下：
内四管指K2、K3、K6、K7，外四管指K1、K4、K5、K8 管。八管同时关闭4μs之后，外四管继续关闭，内四管中，K2、K7 导通，如图4.所示。


电感L 的泻放回路为 地—D2—K2—L—K7—D7—地。2μs之后，K2、K7 关断，K3、K6 导通，如图5所示。
电感L 的泻放回路为 地—D6—K6—L—K3—D3—地。2μs之后，两个放电回路进行交换，经过十几次的反复，L上的能量可以泻放无遗。整个短路保护过程大约在40~50 μs之内完成。
试验结果
整机运行良好，调压范围、调频范围都满足用户要求。在额定电压下，突然将负载短路，设备安然无恙。几分钟后，重新开机，一切正常。要想进一步提高短路保护的速度并不难，只要把51单片机替换成高速单片机即可。
这种不怕短路的中频中压电源已经有十多台在油田使用，经受住了恶劣环境和短路的考验。

发布时间：2003年5月21日 23:50  人气：  

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