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具有快速短路保护的1140伏90千瓦中频电源

具有快速短路保护的1140伏90千瓦中频电源

摘要:本文介绍了1140伏90千瓦中频电源的研制,该电源输出电压在200--1500V之间连续可调,频率在250--1000HZ之间连续可调。样机已转化成产品,该产品经受过多次短路试验的考验。 引 言 油田采油时由于某些井的原油粘稠,难于吸抽,现有一种解决方案,将发热元件安于井下,选一种合适的电源为其供电,油层被加热,原油变稀,使采油效率大大提高。经过多次试验,油田提出了该电源的技术参数: 功率 90KW 输入电压 1140V,50 HZ,三相 输出电压 200V ~ 1140V(有效值),单相、连续可调 频率 250 ~ 1000HZ 连续可调 波形 正负半周对称的方波,占空比连续可调 研 制 主回路如图1.所示。逆变桥采用三电平结构,这样不但降低了器件的耐压的要求,而且对减少谐波成分、改善波形大有好处。八个开关功率器件用的是西门子产的BSM150GB170DL 型IGBT管,额定电压和电流分别为 1700V、150A 。在本电源中,设其工作额定电流为I0=65A 。
控制系统的方块示意图如图2所示。
控制功能由51单片机来实现,其作用有: 1.产生250 ~ 1000HZ 的驱动信号,控制8支IGBT 管有序导通,在输出端产生脉宽可调的方波电压。 2.用脉宽调制的方法实现输出电压的连续可调。输出波形如图3 所示。
3.检测和显示功能 样机研制成功后,在油田运行良好,但另一问题突现出来,由于工作环境和条件的原因,该电源的输出端常有被短路的危险,为此用户又提出了新的要求:“设备不怕短路”,用户要求合理,“额定电压下不怕短路”要求保护电路快速而有效。 快速短路保护电路 一般保护方案就是关断所有IGBT管。但对600v以上的电源由于短路电流上升太快,关断信号还未起作用,IGBT管已经被烧坏了。要想确保IGBT管安然无恙,必须另外采取措施。本文的思路是在输出端串联适当的电感,用电感降低短路电流的上升速度,争取时间让IGBT的电流在到达极限值之前,管子能够来得及关断。可是引入电感后,由于巨大的di/dt,又会感应出尖峰电压,此尖峰电压又会给IGBT 造成巨大威胁。 为了确保短路保护的可靠,本文采取了如下措施: 1.加装尖峰抑制器(TVTE1。5KE400CA)。此器件工作原理与稳压管差不多,当电压低于击穿电压时,管中无电流,不消耗能量。当电压高于击穿电压时,管子击穿,起钳位作用。由于管子的耐压不够,经过适当串联后,并联于逆变桥的上下母线上。这样可以保证母线电压±E上不会出现危及IGBT 安全的尖峰电压。 2.在输出端串联限流电感,此电感的作用是防止di/dt 过大,以免IGBT 被完全关断之前电流超过极限值。以下是电感量的计算: IGBT手册上的额定电流为I0=150A 本电源的额定输出电流为IL=65A IGBT手册上给出的最大脉冲电流为额定的2倍 IMAX = 2* I0 =2*150=300A 上下母线之间的电压为2E≈1140*1.4≈1600V 通常允许2E有20%的波动,所以 EMAX=1.2*2E≈2000V 短路发生后,检测信号请求中断约2μs; 转移指令约2μs; 关断信号的产生与传输约2μs; 关断信号在IGBT 栅极上的建立时间约2μs. 总计约8μs,用示波器观测IGBT 上的关断信号的确比短路发生时刻延迟了8μs 左右,这证明上面的分析是正确的。产生这段延迟的主要原因是51单片机速度慢、工作周期长。依据上面的估算和实测为依据,关断信号的建立时间为 Δt=8μs 在Δt的这段时间内电流由IS上升到了,所以最大电流变化率di/dt为: di/dt =( IMAX --- IX )/ Δt=(300—117)/8≈23 (A/μs) 限流电感值应为: L=EMAX/(di/dt)=2000/23≈90(μH) 此电感实际绕制值控制在90--120μH之间。为了减少电感上的功率损耗,该电感在保证安全的情况下应尽量小。其铁芯应留有气隙,要确保在大脉冲电流的作用下也不会饱和。 电感的接入确实为关断信号的到来赢得了时间,但又招来了下一个难题,即如何把电感限流过程中积累的磁能释放掉,尖峰抑制器是个体积很小的器件,虽有泻放磁能的作用,但不能全依靠它。本文提出两个选择方法: 方法1: 在电感上并联一支快速双向晶闸管。 方法2: 8个IGBT 同时关闭4μs之后,让内四支管子轮番导通,以便泻放电感L上的能量,方法1原理简单,不必细说。本文用方法2取得了满意结果,现简述如下: 内四管指K2、K3、K6、K7,外四管指K1、K4、K5、K8 管。八管同时关闭4μs之后,外四管继续关闭,内四管中,K2、K7 导通,如图4.所示。
电感L 的泻放回路为 地—D2—K2—L—K7—D7—地。2μs之后,K2、K7 关断,K3、K6 导通,如图5所示。 电感L 的泻放回路为 地—D6—K6—L—K3—D3—地。2μs之后,两个放电回路进行交换,经过十几次的反复,L上的能量可以泻放无遗。整个短路保护过程大约在40~50 μs之内完成。 试验结果 整机运行良好,调压范围、调频范围都满足用户要求。在额定电压下,突然将负载短路,设备安然无恙。几分钟后,重新开机,一切正常。要想进一步提高短路保护的速度并不难,只要把51单片机替换成高速单片机即可。 这种不怕短路的中频中压电源已经有十多台在油田使用,经受住了恶劣环境和短路的考验。
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