新型高性价比互补开关分调式交流稳压技术

2006-05-07 15:49:47来源: 电源技术应用

从应用角度来看,交流稳压器在许多场合仍为不可缺少的设备。从技术上来说,较稳定的交流电压可以显著地提高用电设备的可靠性与经济性,即使UPS也不例外。现在电力配电趋向于集中监控分布供电的方式,因此功率容量在20kW~60kW的价廉物美的三相交流稳压器有较大市场。

提高交流稳压器使用性能,降低成本,是交流稳压器的使用价值所在。这些性能是:

(1)成本较低(即售价只有市售交流稳压器的一半以下);

(2)稳压范围极宽,源电压的下限能低至额定电压的70%以下,上限能达到额定电压的115%以上;

(3)具有较强的对EMI/RFI的抑制功能;

(4)高可靠性、大功率。

具有与UPS这样鲜明差异的性能要求与使用目的的产品,必有它的市场存在价值。

能达到上述性能要求的交流稳压器是自耦变压器抽头开关分调型与伺服电机驱动接触调压变压器型两类。其中第一类又分为继电器型电磁开关式与电力电子开关型固态开关式两种。这种稳压技术也分为直接抽头分级变比调压式与连续无级补偿调压式。对上述各类稳压技术原理分析可知:继电器开关直接抽头分级变化比补偿调压式成本为低、结构亦较合理。

图1为其电原理图。该电路的突出优点是:价格最低、效率最高、体积最小、重量最轻;此外还具有输入范围宽、波形失真小、电路简单、可靠等优点。缺点是:输出稳压精度差、调压时会发生电压阶跃跳变而产生电磁干扰;此外继电器触点在接通或分断变压器抽头线圈时,不可避免地会发生触点抖动、回跳,从而产生电弧、瞬间断电等电磁干扰和不安全因素;更重要的是继电器的触点容量是以电阻性负载定义的,用于铁磁变压器、电感性负载时要降额使用,一般小于额定值的1/3。因此,这种稳压技术只能用在普通要求不高的小功率交流稳压器上。市面上的“宽限型交流稳压器”就与之类似。小功率UPS也常用此技术做输入电压调整器。

表1 电子开关基本工作模式表

工作模式

接通时与电磁开关触点间的时离逻辑关系 关断时与电磁开关触点间的时序逻辑关系

适用负载

基本模式1(先通后断) 电子开关经串联一个小阻值电阻后与之并联,受通断控制信号控制,与控制信号同步接通(抚于电磁开关通)。 电子开关经串联一个小阻值电阻后与之并联,受触点状态控制,触点断开后,延迟一段时间后再关断。 接通时有很大浪涌冲击电流,如白炽灯、容性负载、非线性易饱和铁磁电器等,由电子开关限流,不出现浪涌。
基本模式2(同步通后断) 电子开关直接与之并联,受触点状态控制,在触点接通瞬间导通,然后延迟一段时间后再关断。 受触点状态控制,触点断开后,延迟一段时间后再关断。 接通时有大电流,触点会振动,断开时有高电压而产生电弧,如电抗器、电动机负载,无触点方式断开防止生弧。
基本模式3(零电压接通) 受触点两端交流电压控制,当该电压过零时立即接通,接通后延迟一段时间再关断。 受触点状态控制,触点断开后,延迟一段时间后再关断。 要求最好是交流零电压(或零压差)时接通,如交流电容器负载,接通时无电流冲击。
基本模式4(零电流断开) 基本模式1、2、3中任意一种。 受触点状态与负载交流电流控制,触点断开后延迟至负载交流电流过零时才关断。 要求最好是在交流零电流时关断,此时电磁干扰几乎为零。
基本模式5(自动限流) 电子开关出现涌流能自动限流并延迟一段时间后再断开。 电子开关出现涌流能自动限流并延迟一段时间后再断开。 要求除能作控制开关外还能自动限流保护并隔离故障,如整流充电电路的蓄电流负载。

采用固态开关固然可以解决上述缺陷,但也带来成本显著提高、散热器体积增大、电路复杂、可靠性不会太高等难以解决的弊病。

表2 三种工作模式下电子开关的控制信号要求

信号电平 与常开触点(NO)并联 与常闭触点(NC)并联
Uc↑ Uc↓ Uk↑ Uk↓ Uc↑ Uc↓ Uk↑ Uk↓
电子开关上的电压Uv 模式1 td2↑ td1↑ td2↑ td1↑
模式2 H td2↑ td1↑ H td2↑ td1↑
模式3 td3↓ td4↑ td1↑ td3↓ td4↑ td1↑

除了上述两种不同类型的控制开关外,还有第三种控制开关。就是在电磁开关基础上,利用电力电子开关器件作为无触点开关与电磁开关的触点并联,电子开关的控制电路与电磁开关的励磁线圈并联,由电子开关解决开关的动态过程,电磁开关则承担稳态开关过程,构成二者优势互补的混和型互补式开关。显然,从系统分析来看,对于应用面更广的电磁开关来说,这种以优势互补而非折衷,也非取代的技术补偿方法可能是一种较佳的很有意义的解决电磁开关缺陷的方案。为此,国内早在70年代末就开展了这方面的研发工作,对这种混合型互补式开关进行的实验,证明了可取得成本低、省材料、无弧通断、提高电气寿命等良好效果。然而,实际情况不容乐观。混合型开关,一方面拥有固态开关与电磁开关的优点,另一方面也继承了两者的固有属性。以成本为例,它不得不包含两者的主要成本,这样要使之在价格上与电磁开关竞争很困难。近年来,国内外有关此类混合型开关的技术报道、文献及专利公告为数不少,但是能实用转化为商品的则几乎没有。我们认为其中最主要的原因是由于电磁开关触点的吸动和释放动态过程是在电磁力与机械弹力、吸力与斥力共同作用下进行的,是一个在时间上不可控的状态函数。因此要满足混合型开关中两类不同开关在时序控制上的自适应互补工作要求,就得外加一些时序控制手段,如加接辅助开关或继电器,或要占用接触器上的辅助开关,或要附加工频电流互感器或光电耦合器对状态采样等;或者附加一些不合理的要求,诸如对电磁开关结构更改、接线方式更改等;此外在工频下附加的电子开关电路有较大体积等缺陷,造成不好用、成本偏高或产生新的可靠性问题,因而很多混合型开关技术或多或少在体积重量、成本费用、使用要求、可靠性等方面存在严重缺陷。这是一类有代表性的现实问题,即有优势的技术方案如何实现商品化问题。

2 互补型开关分调式交流稳压技术

本文提出一种新方法,这种新方法的最主要技术特征在于将工频电工技术问题放在高频段处理,毫秒级的电磁开关的不可控开关动态问题放在微秒级的高频电路中解决。这是以电子化手段把电磁开关的触点接通或分断的过渡时间分解为高频时间变量,再加入自适应控制方法使之完全可控而得以解决。这样,不但电磁开关的过渡过程能被高频电子开关互补控制,而且电子开关的工作时间可被控制在最短,由此解决了上述互补使用上的缺陷。电子产品的价格日益下降,为这项新技术推广应用提供了必要的物质基础。所用的高频电力电子技术不但能在解决电磁开关缺陷的同时保证高可靠性、低附加成本以及满足与原有的使用条件完全一致等实际应用要求,而且还能使附加的互补开关组件微型化与轻量化。由于低压小功率电子元器件体积小而且价廉,因此互补式开关组件的成本主要依赖于电力电子开关器件;而采用低成本触点状态实时检测新技术,电子开关的导通时间得到有效的控制,使电子开关的开关容量减少了一半,可以基本上不用散热器,显著地降低了成本,且高频变换器体积小、功耗低。这两项新技术用于互补式组件,解决了混合型技术成本高、体积大的难题。此外,由于电子开关的自适应互补,电磁开关的操作频次可以显著提高。从理论上来说,只要电子开关有足够大的散热器,则操作频次仅受电磁开关的吸合时间与释放时间两个过渡过程时间之和的限制,这样操作时间可以从秒数量级提高到数十毫秒级,这对于需要频繁操作的特殊应用领域,很有意义。由于新技术针对电磁开关不同工作条件与不同负载采用具有自我防护的工作方式,因此保证了电子开关的安全工作与可靠性,使混合型开关的失效率有可能低于电磁开关。由于高压半导体器件的价格仍较高,因此混合型开关只能局限于低压电路,宜作为单极(即SPST-NO、SPST-NC)控制开关电器使用,这点正适合作为以市电为对象的分调开关调压电路使用。

按此原理,我们研制开发成功一种高频电力电子互补式开关新技术。以此新方法研发的新型混合式开关(其核心高频电力电子互补式开关组件的电原理框图见图2,该组件简称CS)含两大新技术。其一是采用廉价的高频直流变换器与场控型电力电子开关器件作为CS的核心电路。高频直流变换器为成本最低的经改进的FLYBACK型变换器。场控型电力电子开关器件,如功率场效应管(MOSFET)驱动功率最小,保证了组件的微型化。高频开关变换器为电力电子开关器件提供可控的驱动电压源,开关变换器工作频率超过20kHz,即可控制的脉宽低于50μs;此外它具有工作效率高、体积小、重量轻、强弱电间电气隔离良好(使用高频变压器)、能适应接触器或继电器线圈工作电压不同条件且能加入稳压功能,保证电力电子开关器件有最合适的驱动信号。其二是电磁开关触点状态低成本实时采样新电路,该电路特点是不需外接电流互感器、光耦合器等零部件,在高频变压器上就可以实现对触点状态的实时快速采样。触点状态的实时快速检测就为控制电力电子开关的最佳互补工作创造了条件。这意味着在满足互补工作要求下,可以使电子开关的工作时间最短。控制电路由电子电路构成,它对电磁开关的激磁线圈电压及触点状态检测,自适应地确定电子开关的导通时间长短及电路接通或关断的时序关系,使得仅在电磁开关吸合接通或释放断开过渡期间才让电子开关导通,以保证电力电子开关器件有较短的导通时间,其余时间则处于待机节电状态。这一方面降低了电力电子开关损耗和该组件的功耗,提高了工作可靠性;另一方面降低了对电力电子开关器件功率容量与电流容量(I2t)的要求,这不但提高了器件的可靠性,而且也是降低成本之关键。电力电子开关的开关容量与I2t直接相关。对于以20ms定义开关容量的电力电子开关器件,当导通时间设定为4ms时,其耐浪涌电流能力将提高一倍以上。这意味着可以使用低一个档级的功率器件,而且可以不用或只用小容量的散热器。这是新型互补技术的独特优势,亦是该新技术有别于其它混合型互补式技术的一大特色;正是此特性才能使之有别于固态开关,从而确定了其应用领域。由于采用电子技术与高频电力电子技术使得组件功耗极小,工作电流亦很小,使得在励磁电压断开时为供给电力电子开关电能而要预先储能的问题易于解决,CS全部由电子元器件构成,除电力电子开关器件和极少数元件外,其它元器件均为小功率且在较低直流电压下工作,这就为CS组件的集成化奠定了基础,集成化将使该组件成本更低、体积更小。因此,高频处理方式具备了实现互补式技术商品化的条件。表1为电子开关基本工作模式表,表2为三种工作模式下电子开关的控制信号要求,图3为电力电子开关器件的电路图,图4为其开关状态图。

3 实验结果

以表1的控制方式,对CS组件进行严酷条件下

(a)电磁开关为常开触点NO时(b)电磁开关为常闭触点NC时图中UC为控制电压,Uk为电磁开关触点上的电压,UV1、UV2、UV3为与电磁开关互补工作三种模式中的电子开关上的电压。

表2中H表示UV为高电平时开关断开。

的实验。实验电路如图5所示。图中Ue为幅度等于12V的矩形波发生器,用于对电磁开关的励磁供电和控制;K为JQX15F继电器,其参数为:励磁电压为12V,触点负载为220VAC(或28VDC),30A,阻性。电力电子开关器件为IRF840,其参数为:U(BR)DS=500V,IDM=8A,RDS(ON)=0.85Ω。T为TDGC-5型5kW调压器,RL为滑线电阻器,Ri为0.1Ω电阻,用于电流采样,IS=URi/Ri。以电磁开关的两类严酷工作条件为实验条件分别进行如下实验:

(1)直流感性负载通断实验:设置UO=30VDC。

①只用继电器进行试验,调整RL,负载电流为6A时,此时继电器触点电压、电流波形见图6,触点发生明亮的电弧,触点断开时的电压尖峰超过1kV。

②将CS组件按图3(b)控制方式与继电器互补使用,调整RL,负载电流约为16A,为电子开关电流IDM的两倍,并使励磁电压的频率提高一倍,此时继电器触点电压、电流波形见图7,触点没有发出火星(打开继电器外壳观察),从图可明显看到电子开关在通断过渡过程中的作用(波形中存在一个台阶)。

(2)接通浪涌冲击负载实验,设置UO=220VAC。

①只用继电器进行试验,由于负载为铁磁可饱和变压器,继电器触点电压、电流波形见图8,触点发生火花,浪涌电流达52A。

②将CS组件以图1交流开关方式接线,按图3接入实验电路,以本文所述控制方式与继电器互补使用,在电子开关上串联一个小阻值电阻(R=3Ω),此时继电器触点电压、电流波形见图9,触点不产生火花,图中可明显看出由于电子限流作用,变压器不致进入深饱和,接通电流减小一半,大大降低了接通涌流。

此外,对CS组件的输入电流测量得到:工作时为13mA,待机时为5mA.

4 结语

应用高频互补技术,提高了电磁开关的性能,拓宽了电磁开关的应用场所,缩小了与固态开关的性能差异。由于该混合型开关的价格远低于固态开关,将此技术用于继电器开关连接抽头分级变比调压式交流稳压器,就可实现高性价比。因此本项新技术具有很好的应用前景。

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