大电流变流装置过电压智能保护模块设计

引言
    大电流直流电是冶金、化工及有色加工行业必不可少的供电电源，如今在国内比较常用的为以饱和电抗器调压、整流变压器降压整流管整流的方案和以整流变压器直接降压、晶闸管整流的方案，由于这两种方案都属于对工频整流的方案，使用中并联电力电子器件多，系统庞大，其快速有效的保护一直较难，现多用的是分散保护的方案，不便于集成，同时抗干扰性能差，现场调试整定困难。为此本文主要针对大电流直流电力电子变流装置保护模块中具有代表性的过电压保护设计了一种集过压检测和过压动作于一身的智能保护模块，其具有结构简单、响应迅速、保护门限宽和便于集成的优点。
    过压分析
    在大电流直流电力电子变流装置中，电力电子器件对电压非常敏感，一旦外加电压超过器件所允许的最大额定值，器件将立即损坏。整流装置中造成过电压的原因很多，可分为外因和内因两种情况。一般外因包括常见的自然灾害，比如雷电造成的过电压，其都可通过良好的接地避免。但是由内因引起的过电压是不可避免的，其归为四类：合闸时的操作过电压、分闸时的操作过电压、器件换流过电压和逆变器换流失败过电压。
    合闸操作过电压是其一、二次绕组间存在分布电容，一次侧合闸瞬间，高压通过分布电容耦合到二次侧，使二次侧出现过电压。分闸操作过电压是当整流变压器工作时，其励磁电感有储能作用，如果变压器空载或负载阻抗较高，分断一次侧开关，储存的能量无法通过负载释放，只能通过二次侧的分布电容释放，在振荡过程中耗尽储能，且在励磁电流峰值分闸过电压最严重。器件换流过电压主要是指晶闸管换流过电压，晶闸管换流时，器件内各PN结层残存载流子复合产生反电流。此电流在极短时间内降至接近于零的数值，则有较大的Ldi/dt电压足以烧坏晶闸管。逆变器换流失败过电压，即变流装置在AC-DC中未达到预期目标，造成局部或整体过电压。
    这些导致整流装置过电压的因素不可能从根本上消除，但可以有效利用快速感应器件及合理的调理电路通过人工智能模块实现过电压保护的功能。
    过压保护模块的设计
    传统的大电流变流装置过压保护主要采用分离器件的保护，比如排气式避雷器、阀型避雷器或金属熔断丝等，国外已经开发出半导体熔断丝，其具有可恢复性，但是价格昂贵。本文通过综合考虑，选用了目前国内外性价比较高的51系列单片机作为主控制核心，结合具有快速响应的电压互感器和相关调理电路组成整个变流装置的过压保护模块。
    过压检测电路
    过压检测主要是在整流装置中并联电压互感器，通过整流滤波电路对检测到的电压进行处理，其电路图如图1中A部分所示。电压互感器是一个带铁心的变压器，其主要由一、二次线圈、铁心和绝缘组成。当在一次绕组上施加一个变化电压U1时，在铁心中就产生一个磁通φ，根据电磁感应定律，则在二次绕组中就感生出电压U2。改变一次或二次绕组的匝数，可以使一、二次侧电压比发生变化，这样就可组成不同比的电压互感器。文中的电压互感器将输入高电压依匝比降为低电压输出，其一次侧接在一次系统，二次侧接信号处理电路。其工作原理与变压器相同，基本结构也是铁心和原、副绕组。其特点是容量很小且比较恒定，正常运行时接近于空载状态，一次侧电流和二次侧电流都比较小。根据设计，电压互感器的输入端电压U1即为整个保护装置的检测电压，其信号处理后的输出电压U3即为检测到的电压。U3将与保护门限电压UREF进行比较，若U3＜UREF，则输出为高电平；若U3＞UREF，则输出为低电平；以此方便后续单片机进行判断。保护门限电压UREF即为参考电压，其是直流电压，故在U3的整流滤波处理过程中，结合输入输出端电压参数，以及回路中可承受最大输出电流小于10mA，可以选择低于0.3W的整流桥及需要过滤低频谐波的滤波电容C1≥0.144/(f×R1×r)，其中r一般为0.002，过滤高频谐波的电容C2为低值瓷介质电容。
  
  
  
     图1 过压智能保护模块电路图

    过压比较电路
    电压互感器检测到的电压信号必须经过比较电路转化为单片机能够识别的信号，而且快速准确的判断过压与否关系到整个保护模块实际存在的必要性，是过压保护模块的关键。
    这里选择LM339电压比较器，其具体电路如图1中B部分所示。图中同相端接参考电压UREF，异相端接检测到电压U3，其中R2和R3串联提供UREF电压，且R3是一个可变电位器可以改变UREF的大小。在1/4LM339的输出端用三极管M5构成了一个正反馈回路，这样就形成了一个反相输入迟滞比较器，其上门限电压UT+和下门限电压UT-分别如公式1-1和公式1-2所示：
    和 （1-2）
    故回差电压为： （1-2）
    其中r为三极管处于放大区的内阻可以忽略，UOH为LM339输出高电平5V，UOL为输出低电平0V，根据设计要求R3调为3KΩ，由此可得 =5V。假设整流装置输入交流有效电压U1为209V，且上下波动10%都为安全电压，此时电压互感器检测到的电压U3小于2.6V，且小于参考电压UREF，输出开路，过电压保护模块不动作，作为正反馈的射极跟随器三极管M5导通UREF=2.8V。当U1增加到230V时，U3大于2.8V，输出为低电平，过电压保护模块动作，单片机输出封锁脉冲，且M5截止UREF=2.7V，促使U3更大于UREF，这时翻转后的状态极为稳定，避免了过电压附近电压波动而引起的不稳定现象。由于产生了一定的回差，过电压保护动作后，整流装置的输入电压U1必须降到230-5=225V时，即U3＜UREF，整流装置才能恢复正常。
    脉冲输出控制
    大电流整流装置主要是通过晶闸管整流，而晶闸管的导通是需要触发脉冲的，这里对触发脉冲的控制是基于单片机产生晶闸管触发脉冲。因此，控制了晶闸管触发脉冲的产生就控制住了整个整流装置的输出，也就达到了过压保护的目的。
   
  

  
     图2 脉冲输出控制程序流程图
   
   单片机是一种微型计算机，可以通过编程实现相应的功能。文中通过51系列单片机的P1.0口控制晶闸管触发脉冲输出的P0口，可以将电压比较器的输出端U4与单片机的P1.0口相接，中间用一个PNP型三极管进行电平转换如图1中C部分所示。当U4为高电平时，单片机P1.0口有内置高阻上拉电阻，复位后P1.0口为高电平，三极管M6截止；当U4为低电平时，三极管M6导通，并将P1.0口拉为低电平，此时P0口被强行复位。其脉冲输出控制程序流程图如图2所示，确保了整流装置过电压时晶闸管触发脉冲能够及时关断，当电压恢复到安全值后能够自动运行。

    实验结果
    通过电压比较电路实验波形的观察发现其输出高低电平的转换时间为微秒级，达到保护模块设计要求的响应时间。
    由图3实验波形可以发现，当输入电压有效值低于U1=209V，晶闸管输出脉冲正常，整流设备正常工作；当输入电压有效值U1=212V，晶闸管输出脉冲被关断，整流设备停止工作；当输入电压有效值降为U1=204V，晶闸管输出脉冲正常，整流设备重新正常工作。
  
  
  
     图3 过压前后控制触发脉冲输出波形

    结论
    本文设计了一种大电流变流装置的过电压智能保护模块，分析了导致过电压的原因，结合整流装置过压特性提出利用性价比较高的51系列单片机作为控制核心，实现了智能保护的目的。通过实验发现整个过压保护模块的响应时间为微秒级，满足过压保护响应时间的要求。通过实验波形的比较，验证了电压比较电路的回差电压为5V，达到了预期保护迟滞的设定。通过改变R3的阻值可以实现不同门限的过压保护，而且实验证明了该智能保护模块是可行的。