具有快速短路保護的1140伏90千瓦中頻電源

山東風(fēng)光電子有限責(zé)任公司 李瑞來
山東大學(xué) 韓文昭

摘要：本文介紹了1140伏90千瓦中頻電源的研制，該電源輸出電壓在200--1500V之間連續(xù)可調(diào)，頻率在250--1000HZ之間連續(xù)可調(diào)。樣機已轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品，該產(chǎn)品經(jīng)受過多次短路試驗的考驗。

Abstract: The 1140V 90kW mid-frequency power source is introduced in this paper. The output voltage can be controlled from 200 to 1140v sequentially, Frequency can be controlled from 250 to 1000 Hz sequentially, the sample set have been become the products. These products have passed short circuit test several times.

關(guān)鍵詞：短路保護、中頻電源、三電平

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　引 言

　　油田采油時由于某些井的原油粘稠，難于吸抽，現(xiàn)有一種解決方案，將發(fā)熱元件安于井下，選一種合適的電源為其供電，油層被加熱，原油變稀，使采油效率大大提高。經(jīng)過多次試驗，油田提出了該電源的技術(shù)：
功率 90KW
輸入電壓 1140V，50 HZ，三相
輸出電壓 200V ~ 1140V（有效值），單相、連續(xù)可調(diào)
頻率 250 ~ 1000HZ 連續(xù)可調(diào)
波形 正負半周對稱的方波，占空比連續(xù)可調(diào)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　研 制

　　主回路如圖1.所示。逆變橋采用三電平結(jié)構(gòu)，這樣不但降低了器件的耐壓的要求，而且對減少諧波成分、改善波形大有好處。八個開關(guān)功率器件用的是西門子產(chǎn)的BSM150GB170DL 型IGBT管，額定電壓和電流分別為 1700V、150A 。在本電源中，設(shè)其工作額定電流為I0=65A 。
　　　　　

　　　　　　　 　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 圖1.主回路


　　控制系統(tǒng)的方塊示意圖如圖2所示。
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　

　　控制功能由51單片機來實現(xiàn)，其作用有：

　　1． 產(chǎn)生250 ~ 1000HZ 的驅(qū)動信號，控制8支IGBT 管有序?qū)?，在輸出端產(chǎn)生脈寬可調(diào)的方波電壓。

　　2． 用脈寬調(diào)制的方法實現(xiàn)輸出電壓的連續(xù)可調(diào)。輸出波形如圖3 所示。
　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　



　　3． 檢測和顯示功能
　　
　　 樣機研制成功后，在油田運行良好，但另一問題突現(xiàn)出來，由于工作環(huán)境和條件的原因，該電源的輸出端常有被短路的危險，為此用戶又提出了新的要求：“設(shè)備不怕短路”，用戶要求合理，“額定電壓下不怕短路”要求保護電路快速而有效。
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　 快速短路保護電路

　　 一般保護方案就是關(guān)斷所有IGBT管。但對600v以上的電源由于短路電流上升太快，關(guān)斷信號還未起作用，IGBT管已經(jīng)被燒壞了。要想確保IGBT管安然無恙，必須另外采取措施。本文的思路是在輸出端串聯(lián)適當?shù)碾姼?，用電感降低短路電流的上升速度，爭取時間讓IGBT的電流在到達極限值之前，管子能夠來得及關(guān)斷?？墒且腚姼泻?，由于巨大的di/dt，又會感應(yīng)出尖峰電壓，此尖峰電壓又會給IGBT 造成巨大威脅。
　　為了確保短路保護的可靠，本文采取了如下措施：

　　 1． 加裝尖峰抑制器（TVTE1。5KE400CA）。此器件工作原理與穩(wěn)壓管差不多，當電壓低于擊穿電壓時，管中無電流，不消耗能量。當電壓高于擊穿電壓時，管子擊穿，起鉗位作用。由于管子的耐壓不夠，經(jīng)過適當串聯(lián)后，并聯(lián)于逆變橋的上下母線上。這樣可以保證母線電壓±E上不會出現(xiàn)危及IGBT 安全的尖峰電壓。
　　2． 在輸出端串聯(lián)限流電感，此電感的作用是防止di/dt 過大，以免IGBT 被完全關(guān)斷之前電流超過極限值。以下是電感量的計算：
　　IGBT手冊上的額定電流為I0=150A
　　本電源的額定輸出電流為IL=65A
　　IGBT手冊上給出的最大脈沖電流為額定的2倍
　　IMAX = 2* I0 =2*150=300A
　　上下母線之間的電壓為2E≈1140*1.4≈1600V
　　通常允許2E有20%的波動，所以
　　EMAX=1.2*2E≈2000V
　　短路發(fā)生后，檢測信號請求中斷約2μs;
　　轉(zhuǎn)移指令約2μs;
　　關(guān)斷信號的產(chǎn)生與傳輸約2μs;
　　關(guān)斷信號在IGBT 柵極上的建立時間約2μs.
總計約8μs，用示波器觀測IGBT 上的關(guān)斷信號的確比短路發(fā)生時刻延遲了8μs 左右，這證明上面的分析是正確的。產(chǎn)生這段延遲的主要原因是51單片機速度慢、工作周期長。依據(jù)上面的估算和實測為依據(jù)，關(guān)斷信號的建立時間為
　　Δt=8μs
　　在Δt的這段時間內(nèi)電流由IS上升到了，所以最大電流變化率di/dt為：
　　di/dt =( IMAX --- IX )/ Δt=(300—117)/8≈23 (A/μs)
　　限流電感值應(yīng)為：
　　L=EMAX/（di/dt）=2000/23≈90（μH）
　　此電感實際繞制值控制在90--120μH之間。為了減少電感上的功率損耗，該電感在保證安全的情況下應(yīng)盡量小。其鐵芯應(yīng)留有氣隙，要確保在大脈沖電流的作用下也不會飽和。
電感的接入確實為關(guān)斷信號的到來贏得了時間，但又招來了下一個難題，即如何把電感限流過程中積累的磁能釋放掉，尖峰抑制器是個體積很小的器件，雖有瀉放磁能的作用，但不能全依靠它。本文提出兩個選擇方法：

　　 方法1：

　　 在電感上并聯(lián)一支快速雙向晶閘管。
　
　　 方法2：

　　 8個IGBT 同時關(guān)閉4μs之后，讓內(nèi)四支管子輪番導(dǎo)通，以便瀉放電感L上的能量，方法1原理簡單，不必細說。本文用方法2取得了滿意結(jié)果，現(xiàn)簡述如下：
　　內(nèi)四管指K2、K3、K6、K7，外四管指K1、K4、K5、K8 管。八管同時關(guān)閉4μs之后，外四管繼續(xù)關(guān)閉，內(nèi)四管中，K2、K7 導(dǎo)通，如圖4.所示。
　　　　　


　　電感L 的瀉放回路為 地—D2—K2—L—K7—D7—地。2μs之后，K2、K7 關(guān)斷，K3、K6 導(dǎo)通，如圖5所示。
電感L 的瀉放回路為 地—D6—K6—L—K3—D3—地。2μs之后，兩個放電回路進行交換，經(jīng)過十幾次的反復(fù)，L上的能量可以瀉放無遺。整個短路保護過程大約在40~50 μs之內(nèi)完成。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　試驗結(jié)果

　　整機運行良好，調(diào)壓范圍、調(diào)頻范圍都滿足用戶要求。在額定電壓下，突然將負載短路，設(shè)備安然無恙。幾分鐘后，重新開機，一切正常。要想進一步提高短路保護的速度并不難，只要把51單片機替換成高速單片機即可。
　　這種不怕短路的中頻中壓電源已經(jīng)有十多臺在油田使用，經(jīng)受住了惡劣環(huán)境和短路的考驗。