高壓晶閘管閥觸發(fā)系統(tǒng)隔離技術(shù)

高壓晶閘管閥觸發(fā)系統(tǒng)隔離技術(shù)

0恢復(fù)通氣的可能性鐵路電氣化引入的電源的接觸網(wǎng)應(yīng)分段交換相，并通過空氣或絕緣物將每個相分為分離，以避免相短路。因此在接觸網(wǎng)上每隔20km～25km左右就有一個供電死區(qū)(分相區(qū))。當(dāng)電力機(jī)車通過時需要退級、斷電、隋行通過后,再逐步恢復(fù)通電。這樣不僅影響行車速度,增加司機(jī)的勞動強(qiáng)度,也影響安全運(yùn)行;對于準(zhǔn)高速、高速線路,機(jī)車每小時要過十幾個分相區(qū),司機(jī)操作很困難;在高坡重載區(qū)段,斷電過分相區(qū)會引起列車大幅度地減速,延長通過時間,降低運(yùn)能;同時在運(yùn)行中間斷電對機(jī)車損害也很大。70年代末我國開始研究牽引自動過分相方案,但都要使用能開斷29kV電壓的機(jī)械式開關(guān)。這種開關(guān)在操作過程中的過電壓、過電流容易造成損壞,影響壽命,有時還造成事故。所以設(shè)想使用29kV高壓晶閘管閥代替機(jī)械式開關(guān)。晶閘管閥能實(shí)現(xiàn)電壓過零或者電流過零時可控開斷,克服系統(tǒng)中的過電壓和過電流。我們已經(jīng)開發(fā)了29kV高壓晶閘管閥。本文著重介紹其觸發(fā)系統(tǒng)隔離技術(shù)和過電壓保護(hù)方法。129間接光觸發(fā)高等溫度電路觸發(fā)系統(tǒng)的主要任務(wù)是將低電位的觸發(fā)控制信號傳送到高電位的晶閘管的門極。一般可采用3種方法;(1)電磁觸發(fā)方式,即將低位觸發(fā)信號經(jīng)脈沖變壓器隔離后送到高位晶閘管門極。這種方式電磁干擾嚴(yán)重,而且制造幾萬伏耐壓的脈沖變壓器技術(shù)上很困難。(2)直接光觸發(fā)方式,即將觸發(fā)脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣饷}沖,直接觸發(fā)高位光控晶閘管。由于光控晶閘管國內(nèi)基本無定型產(chǎn)品,而國外產(chǎn)品價格昂貴,所以目前無法采用這種方式。(3)間接光觸發(fā)方式,即利用光纖通信的方法,將低位觸發(fā)脈沖信號送到高位,經(jīng)處理后耦合到晶閘管門極。這種方式既可以克服電磁干擾,又可以采用普通晶閘管,降低系統(tǒng)成本。我們采用了這種方式,其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。觸發(fā)系統(tǒng)主要由編碼電路、光發(fā)送電路、高位電子單元電路、光接收電路等構(gòu)成。觸發(fā)系統(tǒng)工作時,微機(jī)檢測晶閘管閥的外部環(huán)境參數(shù)及閥狀態(tài),判斷是關(guān)斷還是開通晶閘管閥。如果是關(guān)斷,則送出Poff信號,封鎖脈沖;如果是開通,則選擇適當(dāng)?shù)臅r刻送出Pon信號。編碼電路根據(jù)高低壓光纖通信的約定產(chǎn)生握手信號,由光發(fā)送電路轉(zhuǎn)換為光信號,傳送到高位電子單元,將光脈沖信號轉(zhuǎn)換為晶閘管的門極觸發(fā)信號,觸發(fā)晶閘管,并向低位電路發(fā)送脈沖通道檢測結(jié)果報(bào)告信號。光接收電路將收到的高位電子單元的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査徒o微機(jī)系統(tǒng)以便判斷系統(tǒng)狀態(tài)。下面分別介紹各單元電路的功能和構(gòu)成。2.1晶閘管門極觸發(fā)與測試編碼電路的功能是將微機(jī)送來的Pon脈沖轉(zhuǎn)變成高低壓電路光纖通信約定的脈沖信號。通信脈沖由設(shè)計(jì)者根據(jù)需要自行約定。我們采用三脈沖制,如圖2所示。圖中A、B雙脈沖用于晶閘管門極觸發(fā),C脈沖用于檢測脈沖通道是否正常。在B和C脈沖之間時間段T內(nèi),如果檢測到晶閘管閥沒有正常開通,還可以再補(bǔ)發(fā)脈沖。編碼電路的構(gòu)成可以有2種方案:(1)在微機(jī)內(nèi)設(shè)計(jì)一段編碼程序;(2)采用數(shù)字邏輯電路。2.2驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)光纖發(fā)送電路的功能是將編碼電路送來的電脈沖信號轉(zhuǎn)化為光脈沖信號,主要由光源和驅(qū)動電路構(gòu)成。由于在晶閘管閥系統(tǒng)中光纖通信系統(tǒng)主要用于克服電磁干擾和實(shí)現(xiàn)高低壓電隔離,可選用適合中低速率和短距離傳輸?shù)陌l(fā)光二極管(LED)作為光源。這將有利于降低成本,延長使用壽命。在設(shè)計(jì)驅(qū)動電路時主要應(yīng)該考慮:(1)保持輸出光功率恒定;(2)提高響應(yīng)速度(即減小脈沖上升時間、下降時間和延遲時間)。我們使用的電路其原理簡圖見圖3。圖中V3為光源(LED);R1、C1有利于提高響應(yīng)速度;R2、V2構(gòu)成光源過電流保護(hù)電路;光耦合器V4、脈沖展寬電路ZK、發(fā)光二極管V5構(gòu)成發(fā)光指示電路。2.3門極脈沖前門極觸發(fā)脈沖高位電子單元電路主要功能是接收觸發(fā)光脈沖信號,完成晶閘管的觸發(fā),同時將脈沖通道檢測結(jié)果回送低位電路。為了更好地設(shè)計(jì)高位電子單元,我們首先要了解:(1)所采用晶閘管的門極特性;(2)具體應(yīng)用場合的特殊要求。我們使用的500-65型晶閘管其門極特性參數(shù)見表1。因?yàn)?9kV高壓晶閘管閥中晶閘管為串聯(lián)應(yīng)用,而且系統(tǒng)電壓為牽引供電網(wǎng)壓,電壓的波動和畸變很大,所以在觸發(fā)時要求:(1)為了可靠觸發(fā),陽極對于陰極電位必須足夠高。我們設(shè)定其電壓VAK≥100V。(2)門極觸發(fā)脈沖必須有高的前沿陡度和幅值,幅值應(yīng)為(4～6)IGT。(3)門極觸發(fā)脈沖應(yīng)取合適的寬度。(4)各晶閘管門極脈沖應(yīng)有很好的同時性,要求各晶閘管門極脈沖前沿時刻相差小于0.5μs。(5)應(yīng)能在允許的電網(wǎng)電壓波動和畸變的條件下正常觸發(fā)。(6)門極脈沖通道正常與否應(yīng)傳送到低位電路。我們采用的門極脈沖波形見圖4,其參數(shù)如表2所示。根據(jù)上述技術(shù)要求構(gòu)成高位電子單元電路,其電路原理如圖5所示。圖中邏輯單元電路用于:(1)監(jiān)測晶閘管陽極和陰極間的電壓VAK。當(dāng)VAK≤100V時,不允許脈沖加到晶閘管門極上去。(2)監(jiān)測高位電子單元工作電壓。當(dāng)VAK<25V時,不允許脈沖加到晶閘管門極。(3)當(dāng)檢測到脈沖通道正常時,給光發(fā)送電路送一個脈沖,給低位電路發(fā)出觸發(fā)脈沖通道正常的報(bào)告信號。圖中光發(fā)送電路用于將上述報(bào)告信號轉(zhuǎn)換為光信號;脈沖放大電路用于將脈沖放大至門極觸發(fā)所需幅值。2.3.1前置放大器和光過濾器光接收電路將低位傳送上來的光脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖。它主要由光檢測器和前置放大器構(gòu)成,如圖6所示。圖中V為光電檢測器,采用pin光電二極管,N1及其外圍電路構(gòu)成前置放大器,C1為耦合電容。2.3.2過濾帶工作電源高位晶閘管觸發(fā)時需要有工作電源,采用高耐壓等級的隔離變壓器,不僅制造困難,而且成本高。我們采用了耦合取能的辦法。電路原理如圖7所示,圖中V1為主晶閘管,Rg、Cg為主電路動態(tài)均壓電阻、電容,XF為限幅電路。當(dāng)晶閘管V1處于正向阻斷時,電流Ig為正向,向電容Cg,CS充電。當(dāng)電容CS的端電壓超過限幅值(40V)時,限幅電路動作,V3二極管截止,停止給CS充電。電容CS的端電壓保持為限幅值,把電容CS的儲能用作高位電子單元工作電源;觸發(fā)晶閘管V1時,電容CS通過V1的門極放電;晶閘管V1處于反向阻斷時,Ig為負(fù)向,V2構(gòu)成旁通支路,電容Cg被反向充電;當(dāng)晶閘管V1再次處于正向阻斷時,電容Cg已帶有下正上負(fù)的電荷,有助于電容CS被更快地充電。如此循環(huán)往復(fù)。由于取能電路的等效阻抗為容性,并且遠(yuǎn)小于均壓電路阻抗Zg(Rg+jXg),這樣既不影響均壓,又能耦合取能。2.3.3bod保護(hù)電路設(shè)計(jì)高壓閥內(nèi)串聯(lián)的晶閘管中,由于某種原因在某個晶閘管兩端產(chǎn)生過電壓時,若不加保護(hù),可能被擊穿,從而惡化其他晶閘管的工作條件,因此在高位電子單元內(nèi)加有BOD過電壓保護(hù)電路。BOD器件為4層結(jié)構(gòu)(PNPN),又名轉(zhuǎn)折二極管。其特點(diǎn)是正向有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn),轉(zhuǎn)折之后管壓降變得很低,電流迅速增大,并且允許頻繁使用,不易損壞。高位電子單元內(nèi)的BOD保護(hù)電路的原理簡圖見圖8。圖中R1為限流電阻;R2、C1為防止干擾觸發(fā)的濾波器;V為齊納二極管,抑制干擾信號;V3、V4為快速恢復(fù)二極管。正常工作時,脈沖經(jīng)二極管V3加到門極;當(dāng)晶閘管兩端電壓超過BOD器件轉(zhuǎn)折電壓時,BOD導(dǎo)通,電壓經(jīng)R1、BOD、V、V4直接加到晶閘管門極,觸發(fā)晶閘管V1導(dǎo)通,可以防止晶閘管因過電壓而損壞。4靜態(tài)均壓特性試驗(yàn)結(jié)果示于圖9。試驗(yàn)時,平均對每個晶閘管加交流200V(峰值)電壓,