一種晶閘管整流器全關(guān)斷檢測電路的設(shè)計(jì)

1　引 言

中國環(huán)流器2號A(HL—2A)是中國第一個(gè)具有偏濾器位形的大型受控核聚變研究裝置，其主機(jī)由德國ASDEX裝置主機(jī)主要部件經(jīng)適當(dāng)改造而成，其磁場線圈所需的供電系統(tǒng)及其它的配套系統(tǒng)則完全由我院自行研制。

歐姆線圈(OH)在HL—2A中的作用是擊穿氣體、建立、維持并加熱等離子體電流，因而為其供電的歐姆電源在裝置實(shí)驗(yàn)中起著非常重要的作用。歐姆電源如圖1所示,有正負(fù)各兩組共計(jì)四組電源。

圖1 歐姆電源示意圖

其中1號和3號整流柜為正組，2號和4號整流柜為負(fù)組，正組輸出電壓1600V，負(fù)組800V，兩組的輸出電流都是30kA。

隨著實(shí)驗(yàn)的深入，實(shí)驗(yàn)需求參數(shù)的不斷提高，就要求實(shí)現(xiàn)歐姆電源正負(fù)組的無環(huán)流運(yùn)行。歐姆電源的邏輯無環(huán)流運(yùn)行可分為以下幾個(gè)階段，正組整流階段為歐姆線圈充磁，開始放電時(shí)正組整流器快速進(jìn)入逆變段，將氣體擊穿、維持等離子體電流上升，在正組電流過零后將正組封鎖，緊接著負(fù)組以整流狀態(tài)投入工作，繼續(xù)推動(dòng)等離子體電流上升并維持平頂，平頂結(jié)束后負(fù)組以逆變方式控制等離子體電流下降，電流過零后封鎖負(fù)組，完成一次放電。對實(shí)驗(yàn)來講，要實(shí)現(xiàn)邏輯無環(huán)流并確保裝置的安全，最關(guān)鍵的技術(shù)就是歐姆電流的過零檢測。

為了檢測歐姆的過零情況，可靠地實(shí)現(xiàn)邏輯無環(huán)流控制，對比實(shí)際情況，我們開發(fā)研制了晶閘管全關(guān)斷檢測電路板。

2　幾種關(guān)斷檢測方法的比較

要實(shí)現(xiàn)邏輯無環(huán)流的準(zhǔn)確穩(wěn)定運(yùn)行，最關(guān)鍵的是如何準(zhǔn)確判斷正組整流器的全關(guān)斷時(shí)刻。因?yàn)槿绻袛嚓P(guān)斷提前，而實(shí)際上正組整流器還沒有全關(guān)斷，這時(shí)按設(shè)定的邏輯程序就把負(fù)組整流器開通，正組整流器和負(fù)組整流器之間就會(huì)形成大環(huán)流，則對電源設(shè)備的安全構(gòu)成嚴(yán)重危害;如果判斷關(guān)斷延后，正組整流器和負(fù)組整流器之間切換的死區(qū)時(shí)間過長，則影響裝置放電以至放電失敗。

全關(guān)斷檢測對電源系統(tǒng)安全和裝置放電的穩(wěn)定有著重要的影響。通常采用檢測整流器的直流輸出電流是否過零來判斷其是否關(guān)斷，習(xí)慣上就叫做過零檢測，下面是對幾種檢測方法的分析和比較。

2.1 軟件過零檢測方法

采用直流傳感器的信號，經(jīng)過采集板卡送入計(jì)算機(jī)，預(yù)先設(shè)置一個(gè)比較值，通過程序來比較，在檢測到電流值小于這個(gè)值的時(shí)候，則認(rèn)為過零，由于大電流傳感器測量精度的局限性和現(xiàn)場干擾嚴(yán)重，容易造成誤判，而且過零檢測程序與復(fù)雜的裝置放電控制程序編在一起，只檢測第一次過零，在電流出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，它不能判斷再過零，如圖2所示。

圖2　軟件檢測過零時(shí)電流出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)過零判斷示意圖

其中Utk2-OH為軟件檢測過零信號，I-OH為歐姆電源電流，因?yàn)榛ジ衅鳒y量方向接反，所以歐姆電流顯示為負(fù)(下同)。當(dāng)過零信號反轉(zhuǎn)時(shí)，實(shí)際上還有一定電流，整流器并沒有真正關(guān)斷，且處于續(xù)流狀態(tài)。如果放電正常，通過軟件延時(shí)適當(dāng)時(shí)間，可以控制在正組整流器真正關(guān)斷時(shí)再開通負(fù)組整流器，其轉(zhuǎn)換死區(qū)時(shí)間的長短取決于傳感器的測量精度和程序速度。但如果放電不正常，正好在過零信號反轉(zhuǎn)，軟件延時(shí)時(shí)，等離子體電流破裂，其能量耦合到歐姆原邊，正組電流增加，續(xù)流時(shí)間增長，軟件又只檢測出一個(gè)過零點(diǎn)，如果在軟件延時(shí)(固定值)結(jié)束后開通負(fù)組整流器，此時(shí)正組整流器還在續(xù)流，將產(chǎn)生環(huán)流。
　　采用直流傳感器的信號，經(jīng)過采集板卡送入計(jì)算機(jī)，預(yù)先設(shè)置一個(gè)比較值，通過程序來比較，在檢測到電流值小于這個(gè)值的時(shí)候，則認(rèn)為過零，由于大電流傳感器測量精度的局限性和現(xiàn)場干擾嚴(yán)重，容易造成誤判，而且過零檢測程序與復(fù)雜的裝置放電控制程序編在一起，只檢測第一次過零，在電流出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，它不能判斷再過零，如圖2所示。其中Utk2-OH為軟件檢測過零信號，I-OH為歐姆電源電流，因?yàn)榛ジ衅鳒y量方向接反，所以歐姆電流顯示為負(fù)(下同)。

當(dāng)過零信號反轉(zhuǎn)時(shí)，實(shí)際上還有一定電流，整流器并沒有真正關(guān)斷，且處于續(xù)流狀態(tài)。如果放電正常，通過軟件延時(shí)適當(dāng)時(shí)間，可以控制在正組整流器真正關(guān)斷時(shí)再開通負(fù)組整流器，其轉(zhuǎn)換死區(qū)時(shí)間的長短取決于傳感器的測量精度和程序速度。但如果放電不正常，正好在過零信號反轉(zhuǎn)，軟件延時(shí)時(shí)，等離子體電流破裂，其能量耦合到歐姆原邊，正組電流增加，續(xù)流時(shí)間增長，軟件又只檢測出一個(gè)過零點(diǎn)，如果在軟件延時(shí)(固定值)結(jié)束后開通負(fù)組整流器，此時(shí)正組整流器還在續(xù)流，將產(chǎn)生環(huán)流。

2.2　硬件過零檢測方法

此方法用硬件來實(shí)現(xiàn)，采用霍爾元件測得歐姆整流器正組總電流信號來作為輸入信號，在正常工作的時(shí)候也可以準(zhǔn)確檢測出關(guān)斷時(shí)刻，但是在電源出現(xiàn)某些異常情況時(shí)，如逆變失敗或電流不為零時(shí)提前封鎖，電流又恰好是在零點(diǎn)附近，則該檢測方法會(huì)多次顯示過零情況。而此方法檢測出第一次過零信號時(shí)，實(shí)際上整流器不一定是全關(guān)斷的，只是因?yàn)殡娫茨硟上嗟碾妷和ㄟ^某一對晶閘管加到OH線圈上，在一直流激磁電流的基礎(chǔ)上，不斷地對其激磁消磁， OH線圈能量并通過回路電阻消耗，直到OH線圈的直流電流衰減到零，整流器真正關(guān)斷。如圖3所示。

圖3　硬件過零檢測提前封鎖時(shí)的波形
　　
其中V-OH為歐姆電源電壓，Utk1-OH為硬件檢測過零信號。

2.3管壓降過零檢測方法

鑒于以上兩種方法各自的缺陷，現(xiàn)在采用一種新的檢測方法，通過檢測晶閘管兩端的管壓降來判斷是否完全關(guān)斷。這是一種直接有效的方法，如果所有的管子都關(guān)斷，則負(fù)載中沒有電流，管壓降為幾百伏，如果還有管子導(dǎo)通，則負(fù)載中還有電流，管壓降則為幾伏，通過對管壓降的檢測來判斷是否全關(guān)斷，即可判斷是否有負(fù)載電流。針對這種特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了晶閘管全關(guān)斷檢測電路。

為了可靠判斷晶閘管關(guān)斷，取相電壓的15度時(shí)為判斷的時(shí)刻=700×0.25=175V，即當(dāng)管子兩端電壓高于175V時(shí)，判斷管子為關(guān)斷狀態(tài);當(dāng)管子兩端電壓小于175V時(shí)，判斷管子為導(dǎo)通狀態(tài)，如圖4。

圖4　全關(guān)斷檢測原理分析

(a)分別是A、B、C三相電壓，(b)、(c)、(d)分別是共陰極組的三個(gè)晶閘管的狀態(tài)信號，它包括正向電壓和反向電壓，中間有30度的低電平，將b、c、d三個(gè)信號相與，得到一個(gè)脈沖系列信號e，表示管子已全部關(guān)斷。經(jīng)此信號用一個(gè)單穩(wěn)整形為電平信號，用來表示關(guān)斷信號。

3　晶閘管全關(guān)斷檢測電路

圖5即為晶閘管全管斷電路原理圖。

圖5 全關(guān)斷檢測電路原理圖

每個(gè)晶閘管兩端分別分壓，按正反方向接兩個(gè)光耦，當(dāng)管子兩端為正電壓時(shí)，其中一個(gè)光耦導(dǎo)通，如果管子兩端為負(fù)電壓時(shí)，另一個(gè)光耦導(dǎo)通，光耦導(dǎo)通時(shí)輸出信號都為1，否則為0。將這兩個(gè)信號進(jìn)行“或”處理，得到一個(gè)信號，如果“或”之后的信號(即一個(gè)晶閘管的信號)仍然為1時(shí)，則可判斷此晶閘管為關(guān)斷狀 態(tài)，反之則為導(dǎo)通狀態(tài)。

六個(gè)晶閘管的信號“與”之后的信號為1時(shí)，判斷此時(shí)為晶閘管全關(guān)斷狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器RC與C的電阻及電容，使其輸出高電平保持60 ，這樣能保證準(zhǔn)確反映脈沖狀態(tài)，所有管子關(guān)斷時(shí)就為高電平，當(dāng)60 后無脈沖，則無高電平輸出。也就是說，只要有晶閘管導(dǎo)通，則輸出的狀態(tài)信號就為0。因而在等離子體破裂時(shí)，導(dǎo)致正組續(xù)流時(shí)間增長，就會(huì)有低電平輸出。

在此電路中，光耦工作在線性區(qū)，至少是在正弦波的下部是工作在線性區(qū)，即在正弦波底部電壓很低的情況下，光耦也能導(dǎo)通，真實(shí)反映晶閘管兩端承受的電壓。而正弦波電壓較高的那部分更能使光耦導(dǎo)通?，F(xiàn)在以一個(gè)光耦的輸出為例來介紹板子的工作原理。

先假設(shè)一個(gè)光耦導(dǎo)通，其輸出的信號經(jīng)過三極管放大，分成三路分別通過三個(gè)比較器，其中一個(gè)同相比較器，兩個(gè)反相比較器。同相比較器是用來得到脈沖的前沿，當(dāng)正弦波電壓達(dá)到比較電平時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)上升沿，它的輸出接到一個(gè)D觸發(fā)器的時(shí)鐘端，Q端開始為“1”;當(dāng)正弦波電壓達(dá)到反相比較器比較電平時(shí);也產(chǎn)生一個(gè)上升沿，這個(gè)上升沿經(jīng)過一個(gè)單穩(wěn)后送到D觸發(fā)器的復(fù)位端使Q端變?yōu)?ldquo;0”，也就是確定了脈沖的后沿。經(jīng)過這個(gè)環(huán)節(jié)，正弦波已經(jīng)被整形為方波。

另外一個(gè)反相比較器的作用是確保能找到一個(gè)能使D觸發(fā)器復(fù)位的一個(gè)信號，這是因?yàn)槿绻笱乇容^電平比前沿比較電平高，就有可能出現(xiàn)在檢測到前沿以后晶閘管導(dǎo)通，晶閘管兩端電壓只有幾伏，就找不到后沿，D觸發(fā)器的輸出就一直為“1”，錯(cuò)誤的反映了管子狀態(tài)。所以這個(gè)比較器的比較電平必須設(shè)置在前沿比較器的比較電平之下，它的輸出和另外一個(gè)反相比較器的輸出相“或”，連接到單穩(wěn)的輸入端;對應(yīng)正、反向光耦最終的輸出信號相“或”后，再與其他六路信號相“與”，得到全關(guān)斷信號。

4　調(diào)試結(jié)果

首先用標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號源對高隔離電壓光電耦合器的工作點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，盡量在要檢測的電壓范圍內(nèi)使其延時(shí)時(shí)間短，且光耦的性能基本一致，再能過比較器調(diào)節(jié)各路輸出的一致性。

由于歐姆電源工作在脈沖運(yùn)行方式，現(xiàn)場調(diào)試比較困難，通過每一次放電記錄的數(shù)據(jù)，把每一路的信號再進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使其能正常工作，能夠準(zhǔn)確檢測到正組整流器電流過零時(shí)刻，如圖6，其中Utk3-OH為晶閘管全關(guān)斷檢測過零信號。

圖6　全關(guān)斷過零檢測示意圖


該晶閘管全關(guān)斷檢測電路不僅在理論上能夠真實(shí)反映管子全關(guān)斷時(shí)刻，并且在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中得到了良好地應(yīng)用，在OH電源假負(fù)載的條件下，進(jìn)行的邏輯無環(huán)流實(shí)驗(yàn)中，全關(guān)斷信號與其它過零信號(軟件過零檢測信號、硬件過零檢測信號和等離子體存在信號)綜合作為整流器是否關(guān)斷的判據(jù)，起到了較好的效果。實(shí)驗(yàn)中是在全關(guān)斷信號出現(xiàn)后，延時(shí)6ms, 如果上述三個(gè)信號同時(shí)存在，則負(fù)組打開的條件滿足，這為實(shí)驗(yàn)裝置的安全提供了保證，實(shí)驗(yàn)參數(shù)得到很大提高。

參考文獻(xiàn)

[1] Yao Lieying, Xuan Weimin, Li Huajua, et al, Design and Development of the Power Supply for HL-2A Tokamak, 23rd Symposium on Fusion Engineering20-24 Septemher 2004-fondazione Chni, Venice, Italy.

[2] 黃俊 王兆安編　　 電力電子變流技術(shù)(第3版)　　機(jī)械工業(yè)出版社　 1997年