晶闸管整流器全关断检测电路的设计

本文提出并介绍了欧姆逻辑无环流检测的一种方案--晶闸管整流器全关断检测,并与软件检测和电流互感器检测进行比较分析,最终得出晶闸管全关断检测方案准确可行的结论。全关断的输出信号与上述两种信号进行综合利用,从而准确可靠地实现了欧姆的逻辑无环流控制。

1　引 言

中国环流器2号A(HL-2A)是中国第一个具有偏滤器位形的大型受控核聚变研究装置，其主机由德国ASDEX装置主机主要部件经适当改造而成，其磁场线圈所需的供电系统及其它的配套系统则完全由我院自行研制。

欧姆线圈(OH)在HL-2A中的作用是击穿气体、建立、维持并加热等离子体电流，因而为其供电的欧姆电源在装置实验中起着非常重要的作用。欧姆电源如图1所示,有正负各两组共计四组电源。



图1 欧姆电源示意图

其中1号和3号整流柜为正组，2号和4号整流柜为负组，正组输出电压1600V，负组800V，两组的输出电流都是30kA。

随着实验的深入，实验需求参数的不断提高，就要求实现欧姆电源正负组的无环流运行。欧姆电源的逻辑无环流运行可分为以下几个阶段，正组整流阶段为欧姆线圈充磁，开始放电时正组整流器快速进入逆变段，将气体击穿、维持等离子体电流上升，在正组电流过零后将正组封锁，紧接着负组以整流状态投入工作，继续推动等离子体电流上升并维持平顶，平顶结束后负组以逆变方式控制等离子体电流下降，电流过零后封锁负组，完成一次放电。对实验来讲，要实现逻辑无环流并确保装置的安全，最关键的技术就是欧姆电流的过零检测。

为了检测欧姆的过零情况，可靠地实现逻辑无环流控制，对比实际情况，我们开发研制了晶闸管全关断检测电路板。

2　几种关断检测方法的比较

要实现逻辑无环流的准确稳定运行，最关键的是如何准确判断正组整流器的全关断时刻。因为如果判断关断提前，而实际上正组整流器还没有全关断，这时按设定的逻辑程序就把负组整流器开通，正组整流器和负组整流器之间就会形成大环流，则对电源设备的安全构成严重危害;如果判断关断延后，正组整流器和负组整流器之间切换的死区时间过长，则影响装置放电以至放电失败。

全关断检测对电源系统安全和装置放电的稳定有着重要的影响。通常采用检测整流器的直流输出电流是否过零来判断其是否关断，习惯上就叫做过零检测，下面是对几种检测方法的分析和比较。

2.1 软件过零检测方法

采用直流传感器的信号，经过采集板卡送入计算机，预先设置一个比较值，通过程序来比较，在检测到电流值小于这个值的时候，则认为过零，由于大电流传感器测量精度的局限性和现场干扰严重，容易造成误判，而且过零检测程序与复杂的装置放电控制程序编在一起，只检测第一次过零，在电流出现波动时，它不能判断再过零，如图2所示。


图2　软件检测过零时电流出现波动时过零判断示意图

其中Utk2-OH为软件检测过零信号，I-OH为欧姆电源电流，因为互感器测量方向接反，所以欧姆电流显示为负(下同)。当过零信号反转时，实际上还有一定电流，整流器并没有真正关断，且处于续流状态。如果放电正常，通过软件延时适当时间，可以控制在正组整流器真正关断时再开通负组整流器，其转换死区时间的长短取决于传感器的测量精度和程序速度。但如果放电不正常，正好在过零信号反转，软件延时时，等离子体电流破裂，其能量耦合到欧姆原边，正组电流增加，续流时间增长，软件又只检测出一个过零点，如果在软件延时(固定值)结束后开通负组整流器，此时正组整流器还在续流，将产生环流。

采用直流传感器的信号，经过采集板卡送入计算机，预先设置一个比较值，通过程序来比较，在检测到电流值小于这个值的时候，则认为过零，由于大电流传感器测量精度的局限性和现场干扰严重，容易造成误判，而且过零检测程序与复杂的装置放电控制程序编在一起，只检测第一次过零，在电流出现波动时，它不能判断再过零，如图2所示。其中Utk2-OH为软件检测过零信号，I-OH为欧姆电源电流，因为互感器测量方向接反，所以欧姆电流显示为负(下同)。

当过零信号反转时，实际上还有一定电流，整流器并没有真正关断，且处于续流状态。如果放电正常，通过软件延时适当时间，可以控制在正组整流器真正关断时再开通负组整流器，其转换死区时间的长短取决于传感器的测量精度和程序速度。但如果放电不正常，正好在过零信号反转，软件延时时，等离子体电流破裂，其能量耦合到欧姆原边，正组电流增加，续流时间增长，软件又只检测出一个过零点，如果在软件延时(固定值)结束后开通负组整流器，此时正组整流器还在续流，将产生环流。

2.2　硬件过零检测方法

此方法用硬件来实现，采用霍尔元件测得欧姆整流器正组总电流信号来作为输入信号，在正常工作的时候也可以准确检测出关断时刻，但是在电源出现某些异常情况时，如逆变失败或电流不为零时提前封锁，电流又恰好是在零点附近，则该检测方法会多次显示过零情况。而此方法检测出第一次过零信号时，实际上整流器不一定是全关断的，只是因为电源某两相的电压通过某一对晶闸管加到OH线圈上，在一直流激磁电流的基础上，不断地对其激磁消磁， OH线圈能量并通过回路电阻消耗，直到OH线圈的直流电流衰减到零，整流器真正关断。如图3所示。


图3　硬件过零检测提前封锁时的波形

其中V-OH为欧姆电源电压，Utk1-OH为硬件检测过零信号。

2.3管压降过零检测方法

鉴于以上两种方法各自的缺陷，现在采用一种新的检测方法，通过检测晶闸管两端的管压降来判断是否完全关断。这是一种直接有效的方法，如果所有的管子都关断，则负载中没有电流，管压降为几百伏，如果还有管子导通，则负载中还有电流，管压降则为几伏，通过对管压降的检测来判断是否全关断，即可判断是否有负载电流。针对这种特点，设计了晶闸管全关断检测电路。

为了可靠判断晶闸管关断，取相电压的15度时为判断的时刻=700×0.25=175V，即当管子两端电压高于175V时，判断管子为关断状态;当管子两端电压小于175V时，判断管子为导通状态，如图4。



图4　全关断检测原理分析

(a)分别是A、B、C三相电压，(b)、(c)、(d)分别是共阴极组的三个晶闸管的状态信号，它包括正向电压和反向电压，中间有30度的低电平，将b、c、d三个信号相与，得到一个脉冲系列信号e，表示管子已全部关断。经此信号用一个单稳整形为电平信号，用来表示关断信号。

3　晶闸管全关断检测电路

图5即为晶闸管全管断电路原理图。


图5 全关断检测电路原理图

每个晶闸管两端分别分压，按正反方向接两个光耦，当管子两端为正电压时，其中一个光耦导通，如果管子两端为负电压时，另一个光耦导通，光耦导通时输出信号都为1，否则为0。将这两个信号进行“或”处理，得到一个信号，如果“或”之后的信号(即一个晶闸管的信号)仍然为1时，则可判断此晶闸管为关断状态，反之则为导通状态。

六个晶闸管的信号“与”之后的信号为1时，判断此时为晶闸管全关断状态。通过调节单稳态触发器RC与C的电阻及电容，使其输出高电平保持60 ，这样能保证准确反映脉冲状态，所有管子关断时就为高电平，当60 后无脉冲，则无高电平输出。也就是说，只要有晶闸管导通，则输出的状态信号就为0。因而在等离子体破裂时，导致正组续流时间增长，就会有低电平输出。

在此电路中，光耦工作在线性区，至少是在正弦波的下部是工作在线性区，即在正弦波底部电压很低的情况下，光耦也能导通，真实反映晶闸管两端承受的电压。而正弦波电压较高的那部分更能使光耦导通。现在以一个光耦的输出为例来介绍板子的工作原理。

先假设一个光耦导通，其输出的信号经过三极管放大，分成三路分别通过三个比较器，其中一个同相比较器，两个反相比较器。同相比较器是用来得到脉冲的前沿，当正弦波电压达到比较电平时，比较器翻转产生一个上升沿，它的输出接到一个D触发器的时钟端，Q端开始为“1”;当正弦波电压达到反相比较器比较电平时;也产生一个上升沿，这个上升沿经过一个单稳后送到D触发器的复位端使Q端变为“0”，也就是确定了脉冲的后沿。经过这个环节，正弦波已经被整形为方波。

另外一个反相比较器的作用是确保能找到一个能使D触发器复位的一个信号，这是因为如果后沿比较电平比前沿比较电平高，就有可能出现在检测到前沿以后晶闸管导通，晶闸管两端电压只有几伏，就找不到后沿，D触发器的输出就一直为“1”，错误的反映了管子状态。所以这个比较器的比较电平必须设置在前沿比较器的比较电平之下，它的输出和另外一个反相比较器的输出相“或”，连接到单稳的输入端;对应正、反向光耦最终的输出信号相“或”后，再与其他六路信号相“与”，得到全关断信号。

4　调试结果

首先用标准的正弦波信号源对高隔离电压光电耦合器的工作点进行调整，尽量在要检测的电压范围内使其延时时间短，且光耦的性能基本一致，再能过比较器调节各路输出的一致性。

由于欧姆电源工作在脉冲运行方式，现场调试比较困难，通过每一次放电记录的数据，把每一路的信号再进行优化调整，使其能正常工作，能够准确检测到正组整流器电流过零时刻，如图6，其中Utk3-OH为晶闸管全关断检测过零信号。


图6　全关断过零检测示意图

该晶闸管全关断检测电路不仅在理论上能够真实反映管子全关断时刻，并且在实验运行中得到了良好地应用，在OH电源假负载的条件下，进行的逻辑无环流实验中，全关断信号与其它过零信号(软件过零检测信号、硬件过零检测信号和等离子体存在信号)综合作为整流器是否关断的判据，起到了较好的效果。实验中是在全关断信号出现后，延时6ms, 如果上述三个信号同时存在，则负组打开的条件满足，这为实验装置的安全提供了保证，实验参数得到很大提高。

参考文献

[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.