一種晶閘管整流器全關斷檢測電路的設計

1　引 言

中國環(huán)流器2號A(HL—2A)是中國第一個具有偏濾器位形的大型受控核聚變研究裝置，其主機由德國ASDEX裝置主機主要部件經適當改造而成，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驗中起著非常重要的作用。歐姆電源如圖1所示,有正負各兩組共計四組電源。

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號整流柜為負組，正組輸出電壓1600V，負組800V，兩組的輸出電流都是30kA。

隨著實驗的深入，實驗需求參數的不斷提高，就要求實現歐姆電源正負組的無環(huán)流運行。歐姆電源的邏輯無環(huán)流運行可分為以下幾個階段，正組整流階段為歐姆線圈充磁，開始放電時正組整流器快速進入逆變段，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，緊接著負組以整流狀態(tài)投入工作，繼續(xù)推動等離子體電流上升并維持平頂，平頂結束后負組以逆變方式控制等離子體電流下降，電流過零后封鎖負組，完成一次放電。對實驗來講，要實現邏輯無環(huán)流并確保裝置的安全，最關鍵的技術就是歐姆電流的過零檢測。

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

2　幾種關斷檢測方法的比較

要實現邏輯無環(huán)流的準確穩(wěn)定運行，最關鍵的是如何準確判斷正組整流器的全關斷時刻。因為如果判斷關斷提前，而實際上正組整流器還沒有全關斷，這時按設定的邏輯程序就把負組整流器開通，正組整流器和負組整流器之間就會形成大環(huán)流，則對電源設備的安全構成嚴重危害;如果判斷關斷延后，正組整流器和負組整流器之間切換的死區(qū)時間過長，則影響裝置放電以至放電失敗。

全關斷檢測對電源系統(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斷，習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，經過采集板卡送入計算機，預先設置一個比較值，通過程序來比較，在檢測到電流值小于這個值的時候，則認為過零，由于大電流傳感器測量精度的局限性和現場干擾嚴重，容易造成誤判，而且過零檢測程序與復雜的裝置放電控制程序編在一起，只檢測第一次過零，在電流出現波動時，它不能判斷再過零，如圖2所示。

圖2　軟件檢測過零時電流出現波動時過零判斷示意圖

其中Utk2-OH為軟件檢測過零信號，I-OH為歐姆電源電流，因為互感器測量方向接反，所以歐姆電流顯示為負(下同)。當過零信號反轉時，實際上還有一定電流，整流器并沒有真正關斷，且處于續(xù)流狀態(tài)。如果放電正常，通過軟件延時適當時間，可以控制在正組整流器真正關斷時再開通負組整流器，其轉換死區(qū)時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，軟件延時時，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)流時間增長，軟件又只檢測出一個過零點，如果在軟件延時(固定值)結束后開通負組整流器，此時正組整流器還在續(xù)流，將產生環(huán)流。
　　采用直流傳感器的信號，經過采集板卡送入計算機，預先設置一個比較值，通過程序來比較，在檢測到電流值小于這個值的時候，則認為過零，由于大電流傳感器測量精度的局限性和現場干擾嚴重，容易造成誤判，而且過零檢測程序與復雜的裝置放電控制程序編在一起，只檢測第一次過零，在電流出現波動時，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，因為互感器測量方向接反，所以歐姆電流顯示為負(下同)。

當過零信號反轉時，實際上還有一定電流，整流器并沒有真正關斷，且處于續(xù)流狀態(tài)。如果放電正常，通過軟件延時適當時間，可以控制在正組整流器真正關斷時再開通負組整流器，其轉換死區(qū)時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，軟件延時時，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)流時間增長，軟件又只檢測出一個過零點，如果在軟件延時(固定值)結束后開通負組整流器，此時正組整流器還在續(xù)流，將產生環(huán)流。

2.2　硬件過零檢測方法

此方法用硬件來實現，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，在正常工作的時候也可以準確檢測出關斷時刻，但是在電源出現某些異常情況時，如逆變失敗或電流不為零時提前封鎖，電流又恰好是在零點附近，則該檢測方法會多次顯示過零情況。而此方法檢測出第一次過零信號時，實際上整流器不一定是全關斷的，只是因為電源某兩相的電壓通過某一對晶閘管加到OH線圈上，在一直流激磁電流的基礎上，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，整流器真正關斷。如圖3所示。

圖3　硬件過零檢測提前封鎖時的波形
　　
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斷。這是一種直接有效的方法，如果所有的管子都關斷，則負載中沒有電流，管壓降為幾百伏，如果還有管子導通，則負載中還有電流，管壓降則為幾伏，通過對管壓降的檢測來判斷是否全關斷，即可判斷是否有負載電流。針對這種特點，設計了晶閘管全關斷檢測電路。

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

圖4　全關斷檢測原理分析

(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三個信號相與，得到一個脈沖系列信號e，表示管子已全部關斷。經此信號用一個單穩(wěn)整形為電平信號，用來表示關斷信號。

3　晶閘管全關斷檢測電路

圖5即為晶閘管全管斷電路原理圖。

圖5 全關斷檢測電路原理圖

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

六個晶閘管的信號“與”之后的信號為1時，判斷此時為晶閘管全關斷狀態(tài)。通過調節(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 ，這樣能保證準確反映脈沖狀態(tài)，所有管子關斷時就為高電平，當60 后無脈沖，則無高電平輸出。也就是說，只要有晶閘管導通，則輸出的狀態(tài)信號就為0。因而在等離子體破裂時，導致正組續(xù)流時間增長，就會有低電平輸出。

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，光耦也能導通，真實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通?，F在以一個光耦的輸出為例來介紹板子的工作原理。

先假設一個光耦導通，其輸出的信號經過三極管放大，分成三路分別通過三個比較器，其中一個同相比較器，兩個反相比較器。同相比較器是用來得到脈沖的前沿，當正弦波電壓達到比較電平時，比較器翻轉產生一個上升沿，它的輸出接到一個D觸發(fā)器的時鐘端，Q端開始為“1”;當正弦波電壓達到反相比較器比較電平時;也產生一個上升沿，這個上升沿經過一個單穩(wěn)后送到D觸發(fā)器的復位端使Q端變?yōu)?ldquo;0”，也就是確定了脈沖的后沿。經過這個環(huán)節(jié)，正弦波已經被整形為方波。

另外一個反相比較器的作用是確保能找到一個能使D觸發(fā)器復位的一個信號，這是因為如果后沿比較電平比前沿比較電平高，就有可能出現在檢測到前沿以后晶閘管導通，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”，錯誤的反映了管子狀態(tài)。所以這個比較器的比較電平必須設置在前沿比較器的比較電平之下，它的輸出和另外一個反相比較器的輸出相“或”，連接到單穩(wěn)的輸入端;對應正、反向光耦最終的輸出信號相“或”后，再與其他六路信號相“與”，得到全關斷信號。

4　調試結果

首先用標準的正弦波信號源對高隔離電壓光電耦合器的工作點進行調整，盡量在要檢測的電壓范圍內使其延時時間短，且光耦的性能基本一致，再能過比較器調節(jié)各路輸出的一致性。

由于歐姆電源工作在脈沖運行方式，現場調試比較困難，通過每一次放電記錄的數據，把每一路的信號再進行優(yōu)化調整，使其能正常工作，能夠準確檢測到正組整流器電流過零時刻，如圖6，其中Utk3-OH為晶閘管全關斷檢測過零信號。

圖6　全關斷過零檢測示意圖


該晶閘管全關斷檢測電路不僅在理論上能夠真實反映管子全關斷時刻，并且在實驗運行中得到了良好地應用，在OH電源假負載的條件下，進行的邏輯無環(huán)流實驗中，全關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斷的判據，起到了較好的效果。實驗中是在全關斷信號出現后，延時6ms, 如果上述三個信號同時存在，則負組打開的條件滿足，這為實驗裝置的安全提供了保證，實驗參數得到很大提高。

參考文獻

[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(第3版)　　機械工業(yè)出版社　 1997年