基于電流互感器的高比容量低耗電流器控制

基于電流互感器的高比容量低耗電流器控制

0ct供電技術(shù)傳統(tǒng)的電磁式電流控制器受到非線性和磁飽和等因素的限制，測(cè)量范圍較窄。光電式電流互感器(OECT)以其無(wú)磁飽和、測(cè)量范圍寬、抗電磁干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)受到了人們的廣泛關(guān)注[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27]，被公認(rèn)為是電磁式電流互感器的理想替代產(chǎn)品。其中，有源OECT由于采樣精確度較高，性能較穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于工業(yè)化生產(chǎn)，是目前研究和應(yīng)用的重點(diǎn)[9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27]。對(duì)于有源OECT來(lái)說(shuō)，為了確保高壓側(cè)電路的正常工作，解決高壓側(cè)電路的供電問(wèn)題是有源OECT研究中的難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)[9,10,22,23,24,25]。常見(jiàn)的供電方式主要有激光供電、電流互感器(CT)供電、太陽(yáng)能供電、蓄電池供電及超聲波供電等，其中有實(shí)用化前途的有：激光供電、CT供電和太陽(yáng)能供電。在這3種供電方式中，目前較多采用激光供電和CT供電。激光供電的優(yōu)點(diǎn)是電源能量供給穩(wěn)定，不受母線電流大小影響，但受激光輸出功率、光電池轉(zhuǎn)換效率低的影響，該方法提供的能量有限。另外，高功率半導(dǎo)體激光器的光源壽命較短，遠(yuǎn)小于電力系統(tǒng)要求的電流互感器壽命以及溫度對(duì)激光器輸出波長(zhǎng)和光電池的轉(zhuǎn)換效率影響大、高功率激光器的昂貴價(jià)格等，也是目前阻礙該供電方式實(shí)用化進(jìn)程的關(guān)鍵因素。CT供電的優(yōu)點(diǎn)是電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，面臨的困難是適應(yīng)母線電流變化的動(dòng)態(tài)范圍不足：(1)存在供電死區(qū)，當(dāng)母線電流較低時(shí)，難以為高壓側(cè)電路提供穩(wěn)定電壓；(2)供電電源的熱耗隨母線電流增大而增大，難以適應(yīng)母線電流大的情況。但是，如果能在解決CT供電的動(dòng)態(tài)范圍上取得突破，那么其優(yōu)勢(shì)明顯。目前，為了降低CT供電的死區(qū)，人們通過(guò)降低高壓側(cè)電路的功耗、改進(jìn)CT供電用鐵心材料，如采用導(dǎo)磁率高的鐵基納米晶材料構(gòu)造鐵心，已經(jīng)可以在3A以上的母線電流下取得穩(wěn)定的電壓輸出；為了提高CT供電適應(yīng)母線電流的上限，人們?cè)O(shè)計(jì)了CT供電的多種控制電路來(lái)降低電源的熱耗，關(guān)于這方面的技術(shù)細(xì)節(jié)，近幾年國(guó)內(nèi)報(bào)道較多，國(guó)外報(bào)道很少。已報(bào)道的CT供電的控制電路主要采用反饋控制式和斬波控制式，反饋控制式是利用控制磁通的方法，通過(guò)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的分流大小實(shí)現(xiàn)供電電源輸出穩(wěn)定電壓；斬波控制式是直接利用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的開(kāi)通與關(guān)斷的時(shí)間比例來(lái)控制供電電源整流濾波器的平均輸入電流，實(shí)現(xiàn)供電電源輸出穩(wěn)定電壓。由于它們都不具有根據(jù)電源CT(即“供電用的CT”)次級(jí)電流大小調(diào)節(jié)電源CT變比的功能,使供電電源的熱耗始終隨母線電流增大而增大,無(wú)法兼顧電流動(dòng)態(tài)范圍的下限和上限,若要提高上限值,則必須增大電源CT的變比,從而導(dǎo)致下限值提高,所以CT供電適應(yīng)母線電流的動(dòng)態(tài)范圍仍然較小,大約為3～1000A(實(shí)際上,電源的熱耗在母線電流為幾百安時(shí)已經(jīng)相當(dāng)大,必須有很好的散熱措施)。本文將通過(guò)電路設(shè)計(jì)，著重解決現(xiàn)有CT供電存在的電源熱耗始終隨母線電流增大而增大的問(wèn)題，擴(kuò)大CT供電適應(yīng)母線電流的動(dòng)態(tài)范圍，為有源OECT提供穩(wěn)定可靠的供電電源。1降低電源熱耗圖1是本文設(shè)計(jì)的OECT供電電源的原理框圖。其中，電源變換與穩(wěn)壓?jiǎn)卧呻娫碈T、固態(tài)繼電器、整流濾波器、電壓取樣電路、穩(wěn)壓器、濾波器、基準(zhǔn)電壓電路I、遲滯比較器I及隔離驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成；電源CT變比控制單元由用來(lái)測(cè)量電源CT次級(jí)電流的控制CT、電流/電壓轉(zhuǎn)換器、基準(zhǔn)電壓電路II、遲滯比較器II、繼電器J1等構(gòu)成。在CT供電中，電源的熱耗主要來(lái)自用于分流的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，其次是來(lái)自整流濾波器和穩(wěn)壓器。為了降低電源的熱耗，采取的主要技術(shù)措施是：(1)采用固態(tài)繼電器分流，由遲滯比較器I輸出的矩形脈沖控制其工作，使其工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，這與工作在線性狀態(tài)的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)相比，熱耗明顯降低；(2)整流濾波器中的整流橋采用低管壓降的肖特基二極管，并使整流橋的交流輸入端與固態(tài)繼電器并聯(lián)，由于在固態(tài)繼電器導(dǎo)通時(shí)，整流橋中沒(méi)有電流通過(guò)，因此可明顯降低整流橋的熱耗；(3)穩(wěn)壓器采用低壓差的集成穩(wěn)壓器，并利用遲滯比較器Ⅰ控制它的輸入—輸出壓差在合適的范圍內(nèi)變化，使穩(wěn)壓器的熱耗較小。為了減小電源工作的死區(qū)，采取的主要技術(shù)措施是：一是電源CT鐵心選用高磁導(dǎo)率、低鐵損的納米晶合金鐵心，二是增大鐵心截面積。采取上述措施后，可以在一定程度上降低電源的熱耗，擴(kuò)大CT供電適應(yīng)母線電流的動(dòng)態(tài)范圍。但是，由于作為電源熱耗主要來(lái)源的固態(tài)繼電器的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間比例隨著電源CT次級(jí)電流I2的增大而增大，所以在電源CT變比N2/N1不變的情況下，固態(tài)繼電器的單位時(shí)間熱耗Q將始終隨著母線電流I1的增大而增大，使CT供電難以適用母線電流動(dòng)態(tài)范圍大的情況，即式中Uon為固態(tài)繼電器的導(dǎo)通壓降。2.2ct供電時(shí)間該單元的作用是根據(jù)電源CT次級(jí)電流I2的大小改變電源CT變比，使電源CT次級(jí)電流始終保持在預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)，從而將電源熱耗始終限制在允許的范圍內(nèi)，擴(kuò)大CT供電適應(yīng)母線電流的動(dòng)態(tài)范圍。為此，圖1中的電源CT次級(jí)設(shè)有3個(gè)引出端，經(jīng)繼電器J1的常開(kāi)、常閉觸點(diǎn)同電源變換與穩(wěn)壓?jiǎn)卧南嚓P(guān)電路相連，同時(shí)利用控制CT檢測(cè)電源CT的次級(jí)電流，通過(guò)電流/電壓轉(zhuǎn)換后控制遲滯比較器II的輸出狀態(tài)，進(jìn)而控制繼電器J1觸點(diǎn)的位置，改變電源CT的變比，達(dá)到將電源熱耗始終限制在允許的范圍內(nèi)，擴(kuò)大CT供電適應(yīng)母線電流動(dòng)態(tài)范圍的目的。3電源ct變比a在圖2中，I21、I22分別為電源正常工作時(shí)的電源CT次級(jí)電流的下限值和上限值，遲滯比較器II輸出狀態(tài)的轉(zhuǎn)換由與I21、I22對(duì)應(yīng)的電流/電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓控制，并控制電源CT變比N21、N22與I21、I22對(duì)應(yīng)，因?yàn)镹1通常為1(以下設(shè)N1=1)，所以N21、N22分別等于圖1中電源CT次級(jí)的線圈a-b和線圈a-c的匝數(shù)。另外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)母線電流大小，通過(guò)合理選擇和控制電源CT變比，可將電源CT的次級(jí)電流限制在I22以下，所以圖2中的I2>I22的部分用虛線畫出。為了防止在切換電源CT變比前后電源CT次級(jí)電流超出I21～I(xiàn)22范圍和因母線電流波動(dòng)而頻繁切換電源CT變比，N22和N21參數(shù)的選取應(yīng)滿足：(1)當(dāng)電源CT變比由N21切換為N22時(shí)，電源CT次級(jí)電流(圖3中的I2′1)應(yīng)大于I21；(2)當(dāng)電源CT變比由N22切換為N21時(shí)，CT次級(jí)電流(圖3中的I2′2)應(yīng)小于I22。即在圖3中，曲線0-e-a-b-c為母線電流I1向增大方向變化時(shí)I1與I2之間的關(guān)系，曲線c-b-d-e-0為母線電流I1向減小方向變化時(shí)I1與I2之間的關(guān)系；0-a段對(duì)應(yīng)的電源CT變比為N21,d-c段對(duì)應(yīng)的電源CT變比為N22;I11、I12為在電源CT變比為N21時(shí)，與I21、I22相對(duì)應(yīng)的母線電流，I2′1、I2′2為電源CT變比切換時(shí)對(duì)應(yīng)的電源CT次級(jí)電流，I13為在電源CT變比為N22時(shí)，與I22相對(duì)應(yīng)的母線電流。結(jié)合上面對(duì)圖3的說(shuō)明，由圖3可以得到而I21/I11=1/N21，代入式(4)得同理，由圖3可以得到由式(5)、式(6)得根據(jù)在N22/N2=I22/I21的情況下，I2′1=I21，此時(shí)，由式(7)得考慮到式(2)要求，實(shí)際上因?yàn)楝F(xiàn)有CT供電方式適應(yīng)母線電流的動(dòng)態(tài)范圍——I12至少為I11的50倍以上，即I22至少為I21的幾十倍，所以在滿足式(2)要求、保證電源CT變比平穩(wěn)切換的前提下，通過(guò)適當(dāng)選取N22，可使(I13-I11)/(I12-I11)滿足亦即，在CT供電方式中采用控制電源CT變比的方法，可使其適應(yīng)母線電流的動(dòng)態(tài)范圍為現(xiàn)有的20倍以上。4電流對(duì)熱耗的影響按本文提出的CT供電方案研制的電源樣機(jī)(輸出參數(shù)為+5V/60mA、±12V/5mA)，在實(shí)驗(yàn)室可提供的電流范圍內(nèi)(0～1600A)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：電源在母線電流大于3.5A時(shí)始終穩(wěn)定工作，并且在母線電流為1600A時(shí)的熱耗低于母線電流為15A時(shí)的熱耗。受實(shí)驗(yàn)條件的限制，沒(méi)有對(duì)電源在母線電流為1600A以上時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但并不影響本文的分析結(jié)果和相關(guān)結(jié)論。5電源ct變比控制原理現(xiàn)有CT供電難以適應(yīng)母線電流動(dòng)態(tài)范圍大的根本原因在于電源的熱耗始終隨母線電流增大而增大，提出了一種基于電源CT次級(jí)電流大小來(lái)控制電源CT變比，擴(kuò)大電源適應(yīng)母線電流動(dòng)態(tài)范圍的方法；通過(guò)合理選擇電源CT變比和利用遲滯比較器有效地實(shí)現(xiàn)了電源CT變比的平穩(wěn)切換