1引言
從應(yīng)用角度來看,交流穩(wěn)壓器在許多場合仍為不可缺少的設(shè)備。從技術(shù)上來說,較穩(wěn)定的交流電壓可以顯著地提高用電設(shè)備的可靠性與經(jīng)濟(jì)性,即使UPS也不例外?,F(xiàn)在電力配電趨向于集中監(jiān)控分布供電的方式,因此功率容量在20kW~60kW的價(jià)廉物美的三相交流穩(wěn)壓器有較大市場。
提高交流穩(wěn)壓器使用性能,降低成本,是交流穩(wěn)壓器的使用價(jià)值所在。這些性能是:
(1)成本較低(即售價(jià)只有市售交流穩(wěn)壓器的一半以下);
(2)穩(wěn)壓范圍極寬,源電壓的下限能低至額定電壓的70%以下,上限能達(dá)到額定電壓的115%以上;
(3)具有較強(qiáng)的對EMI/RFI的抑制功能;
(4)高可靠性、大功率。
具有與UPS這樣鮮明差異的性能要求與使用目的的產(chǎn)品,必有它的市場存在價(jià)值。
能達(dá)到上述性能要求的交流穩(wěn)壓器是自耦變壓器抽頭開關(guān)分調(diào)型與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)接觸調(diào)壓變壓器型兩類。其中第一類又分為繼電器型電磁開關(guān)式與電力電子開關(guān)型固態(tài)開關(guān)式兩種。這種穩(wěn)壓技術(shù)也分為直接抽頭分級變比調(diào)壓式與連續(xù)無級補(bǔ)償調(diào)壓式。對上述各類穩(wěn)壓技術(shù)原理分析可知:繼電器開關(guān)直接抽頭分級變化比補(bǔ)償調(diào)壓式成本為低、結(jié)構(gòu)亦較合理。
圖1為其電原理圖。該電路的突出優(yōu)點(diǎn)是:價(jià)格最低、效率最高、體積最小、重量最輕;此外還具有輸入范圍寬、波形失真小、電路簡單、可靠等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是:輸出穩(wěn)壓精度差、調(diào)壓時(shí)會(huì)發(fā)生電壓階躍跳變而產(chǎn)生電磁干擾;此外繼電器觸點(diǎn)在接通或分?jǐn)嘧儔浩鞒轭^線圈時(shí),不可避免地會(huì)發(fā)生觸點(diǎn)抖動(dòng)、回跳,從而產(chǎn)生電弧、瞬間斷電等電磁干擾和不安全因素;更重要的是繼電器的觸點(diǎn)容量是以電阻性負(fù)載定義的,用于鐵磁變壓器、電感性負(fù)載時(shí)要降額使用,一般小于額定值的1/3。因此,這種穩(wěn)壓技術(shù)只能用在普通要求不高的小功率交流穩(wěn)壓器上。市面上的“寬限型交流穩(wěn)壓器”就與之類似。小功率UPS也常用此技術(shù)做輸入電壓調(diào)整器。
圖1抽頭分級變比調(diào)壓式電路圖
采用固態(tài)開關(guān)固然可以解決上述缺陷,但也帶來成本顯著提高、散熱器體積增大、電路復(fù)雜、可靠性不會(huì)太高等難以解決的弊病。
除了上述兩種不同類型的控制開關(guān)外,還有第三種控制開關(guān)。就是在電磁開關(guān)基礎(chǔ)上,利用電力電子開關(guān)器件作為無觸點(diǎn)開關(guān)與電磁開關(guān)的觸點(diǎn)并聯(lián),電子開關(guān)的控制電路與電磁開關(guān)的勵(lì)磁線圈并聯(lián),由電子開關(guān)解決開關(guān)的動(dòng)態(tài)過程,電磁開關(guān)則承擔(dān)穩(wěn)態(tài)開關(guān)過程,構(gòu)成二者優(yōu)勢互補(bǔ)的混和型互補(bǔ)式開關(guān)。顯然,從系統(tǒng)分析來看,對于應(yīng)用面更廣的電磁開關(guān)來說,這種以優(yōu)勢互補(bǔ)而非折衷,也非取代的技術(shù)補(bǔ)償方法可能是一種較佳的很有意義的解決電磁開關(guān)缺陷的方案。為此,國內(nèi)早在70年代末就開展了這方面的研發(fā)工作,對這種混合型互補(bǔ)式開關(guān)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn),證明了可取得成本低、省材料、無弧通斷、提高電氣壽命等良好效果。然而,實(shí)際情況不容樂觀。混合型開關(guān),一方面擁有固態(tài)開關(guān)與電磁開關(guān)的優(yōu)點(diǎn),另一方面也繼承了兩者的固有屬性。以成本為例,它不得不包含兩者的主要成本,這樣要使之在價(jià)格上與電磁開關(guān)競爭很困難。近年來,國內(nèi)外有關(guān)此類混合型開關(guān)的技術(shù)報(bào)道、文獻(xiàn)及專利公告為數(shù)不少,但是能實(shí)用轉(zhuǎn)化為商品的則幾乎沒有。我們認(rèn)為其中最主要的原因是由于電磁開關(guān)觸點(diǎn)的吸動(dòng)和釋放動(dòng)態(tài)過程是在電磁力與機(jī)械彈力、吸力與斥力共同作用下進(jìn)行的,是一個(gè)在時(shí)間上不可控的狀態(tài)函數(shù)。因此要滿足混合型開關(guān)中兩類不同開關(guān)在時(shí)序控制上的自適應(yīng)互補(bǔ)工作要求,就得外加一些時(shí)序控制手段,如加接輔助開關(guān)或繼電器,或要占用接觸器上的輔助開關(guān),或要附加工頻電流互感器或光電耦合器對狀態(tài)采樣等;或者附加一些不合理的要求,諸如對電磁開關(guān)結(jié)構(gòu)更改、接線方式更改等;此外在工頻下附加的電子開關(guān)電路有較大體積等缺陷,造成不好用、成本偏高或產(chǎn)生新的可靠性問題,因而很多混合型開關(guān)技術(shù)或多或少在體積重量、成本費(fèi)用、使用要求、可靠性等方面存在嚴(yán)重缺陷。這是一類有代表性的現(xiàn)實(shí)問題,即有優(yōu)勢的技術(shù)方案如何實(shí)現(xiàn)商品化問題。
圖2 電子開關(guān)電路原事框圖
2互補(bǔ)型開關(guān)分調(diào)式交流穩(wěn)壓技術(shù)
本文提出一種新方法,這種新方法的最主要技術(shù)特征在于將工頻電工技術(shù)問題放在高頻段處理,毫秒級的電磁開關(guān)的不可控開關(guān)動(dòng)態(tài)問題放在微秒級的高頻電路中解決。這是以電子化手段把電磁開關(guān)的觸點(diǎn)接通或分?jǐn)嗟倪^渡時(shí)間分解為高頻時(shí)間變量,再加入自適應(yīng)控制方法使之完全可控而得以解決。這樣,不但電磁開關(guān)的過渡過程能被高頻電子開關(guān)互補(bǔ)控制,而且電子開關(guān)的工作時(shí)間可被控制在最短,由此解決了上述互補(bǔ)使用上的缺陷。電子產(chǎn)品的價(jià)格日益下降,為這項(xiàng)新技術(shù)推廣應(yīng)用提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。所用的高頻電力電子技術(shù)不但能在解決電磁開關(guān)缺陷的同時(shí)保證高可靠性、低附加成本以及滿足與原有的使用條件完全一致等實(shí)際應(yīng)用要求,而且還能使附加的互補(bǔ)開關(guān)組件微型化與輕量化。由于低壓小功率電子元器件體積小而且價(jià)廉,因此互補(bǔ)式開關(guān)組件的成本主要依賴于電力電子開關(guān)器件;而采用低成本觸點(diǎn)狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測新技術(shù),電子開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間得到有效的控制,使電子開關(guān)的開關(guān)容量減少了一半,可以基本上不用散熱器,顯著地降低了成本,且高頻變換器體積小、功耗低。這兩項(xiàng)新技術(shù)用于互補(bǔ)式組件,解決了混合型技術(shù)成本高、體積大的難題。此外,由于電子開關(guān)的自適應(yīng)互補(bǔ),電磁開關(guān)的操作頻次可以顯著提高。從理論上來說,只要電子開關(guān)有足夠大的散熱器,則操作頻次僅受電磁開關(guān)的吸合時(shí)間與釋放時(shí)間兩個(gè)過渡過程時(shí)間之和的限制,這樣操作時(shí)間可以從秒數(shù)量級提高到數(shù)十毫秒級,這對于需要頻繁操作的特殊應(yīng)用領(lǐng)域,很有意義。由于新技術(shù)針對電磁開關(guān)不同工作條件與不同負(fù)載采用具有自我防護(hù)的工作方式,因此保證了電子開關(guān)的安全工作與可靠性,使混合型開關(guān)的失效率有可能低于電磁開關(guān)。由于高壓半導(dǎo)體器件的價(jià)格仍較高,因此混合型開關(guān)只能局限于低壓電路,宜作為單極(即SPST-NO、SPST-NC)控制開關(guān)電器使用,這點(diǎn)正適合作為以市電為對象的分調(diào)開關(guān)調(diào)壓電路使用。
按此原理,我們研制開發(fā)成功一種高頻電力電子互補(bǔ)式開關(guān)新技術(shù)。以此新方法研發(fā)的新型混合式開關(guān)(其核心高頻電力電子互補(bǔ)式開關(guān)組件的電原理框圖見圖2,該組件簡稱CS)含兩大新技術(shù)。其一是采用廉價(jià)的高頻直流變換器與場控型電力電子開關(guān)器件作為CS的核心電路。高頻直流變換器為成本最低的經(jīng)改進(jìn)的FLYBACK型變換器。場控型電力電子開關(guān)器件,如功率場效應(yīng)管(MOSFET)驅(qū)動(dòng)功率最小,保證了組件的微型化。高頻開關(guān)變換器為電力電子開關(guān)器件提供可控的驅(qū)動(dòng)電壓源,開關(guān)變換器工作頻率超過20kHz,即可控制的脈寬低于50μs;此外它具有工作效率高、體積小、重量輕、強(qiáng)弱電間電氣隔離良好(使用高頻變壓器)、能適應(yīng)接觸器或繼電器線圈工作電壓不同條件且能加入穩(wěn)壓功能,保證電力電子開關(guān)器件有最合適的驅(qū)動(dòng)信號。其二是電磁開關(guān)觸點(diǎn)狀態(tài)低成本實(shí)時(shí)采樣新電路,該電路特點(diǎn)是不需外接電流互感器、光耦合器等零部件,在高頻變壓器上就可以實(shí)現(xiàn)對觸點(diǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)快速采樣。觸點(diǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)快速檢測就為控制電力電子開關(guān)的最佳互補(bǔ)工作創(chuàng)造了條件。這意味著在滿足互補(bǔ)工作要求下,可以使電子開關(guān)的工作時(shí)間最短??刂齐娐酚呻娮与娐窐?gòu)成,它對電磁開關(guān)的激磁線圈電壓及觸點(diǎn)狀態(tài)檢測,自適應(yīng)地確定電子開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間長短及電路接通或關(guān)斷的時(shí)序關(guān)系,使得僅在電磁開關(guān)吸合接通或釋放斷開過渡期間才讓電子開關(guān)導(dǎo)通,以保證電力電子開關(guān)器件有較短的導(dǎo)通時(shí)間,其余時(shí)間則處于待機(jī)節(jié)電狀態(tài)。這一方面降低了電力電子開關(guān)損耗和該組件的功耗,提高了工作可靠性;另一方面降低了對電力電子開關(guān)器件功率容量與電流容量(I2t)的要求,這不但提高了器件的可靠性,而且也是降低成本之關(guān)鍵。電力電子開關(guān)的開關(guān)容量與I2t直接相關(guān)。對于以20ms定義開關(guān)容量的電力電子開關(guān)器件,當(dāng)導(dǎo)通時(shí)間設(shè)定為4ms時(shí),其耐浪涌電流能力將提高一倍以上。這意味著可以使用低一個(gè)檔級的功率器件,而且可以不用或只用小容量的散熱器。這是新型互補(bǔ)技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢,亦是該新技術(shù)有別于其它混合型互補(bǔ)式技術(shù)的一大特色;正是此特性才能使之有別于固態(tài)開關(guān),從而確定了其應(yīng)用領(lǐng)域。由于采用電子技術(shù)與高頻電力電子技術(shù)使得組件功耗極小,工作電流亦很小,使得在勵(lì)磁電壓斷開時(shí)為供給電力電子開關(guān)電能而要預(yù)先儲(chǔ)能的問題易于解決,CS全部由電子元器件構(gòu)成,除電力電子開關(guān)器件和極少數(shù)元件外,其它元器件均為小功率且在較低直流電壓下工作,這就為CS組件的集成化奠定了基礎(chǔ),集成化將使該組件成本更低、體積更小。因此,高頻處理方式具備了實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)式技術(shù)商品化的條件。表1為電子開關(guān)基本工作模式表,表2為三種工作模式下電子開關(guān)的控制信號要求,圖3為電力電子開關(guān)器件的電路圖,圖4為其開關(guān)狀態(tài)圖。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖2電子開關(guān)電路原理框圖
以表1的控制方式,對CS組件進(jìn)行嚴(yán)酷條件下
表1電子開關(guān)基本工作模式表
工作模式 | 接通時(shí)與電磁開關(guān)觸點(diǎn)間的時(shí)序邏輯關(guān)系 | 關(guān)斷時(shí)與電磁開關(guān)觸點(diǎn)間的時(shí)序邏輯關(guān)系 | 適用負(fù)載 |
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基本模式1(先通后斷) | 電子開關(guān)經(jīng)串聯(lián)一個(gè)小阻值電阻后與之并聯(lián),受通斷控制信號控制,與控制信號同步接通(先于電磁開關(guān)接通)。 | 電子開關(guān)經(jīng)串聯(lián)一個(gè)小阻值電阻后與之并聯(lián),受觸點(diǎn)狀態(tài)控制,觸點(diǎn)斷開后,延遲一段時(shí)間后再關(guān)斷。 | 接通時(shí)有很大浪涌沖擊電流,如白熾燈、容性負(fù)載、非線性易飽和鐵磁電器等,由電子開關(guān)限流,不出現(xiàn)浪涌。 |
基本模式2(同步通后斷) | 電子開關(guān)直接與之并聯(lián),受觸點(diǎn)狀態(tài)控制,在觸點(diǎn)接通瞬間導(dǎo)通,然后延遲一段時(shí)間后再關(guān)斷。 | 受觸點(diǎn)狀態(tài)控制,觸點(diǎn)斷開后,延遲一段時(shí)間后再關(guān)斷。 | 接通時(shí)有大電流,觸點(diǎn)會(huì)振動(dòng),斷開時(shí)有高電壓而產(chǎn)生電弧,如電抗器、電動(dòng)機(jī)負(fù)載,無觸點(diǎn)方式斷開防止生弧。 |
基本模式3(零電壓接通) | 受觸點(diǎn)兩端交流電壓控制,當(dāng)該電壓過零時(shí)立即接通,接通后延遲一段時(shí)間再關(guān)斷。 | 受觸點(diǎn)狀態(tài)控制,觸點(diǎn)斷開后,延遲一段時(shí)間后再關(guān)斷。 | 要求最好是在交流零電壓(或零壓差)時(shí)接通,如交流電容器負(fù)載,接通時(shí)無電流沖擊。 |
基本模式4(零電流斷開) | 基本模式1、2、3中任意一種。 | 受觸點(diǎn)狀態(tài)與負(fù)載交流電流控制,觸點(diǎn)斷開后延遲至負(fù)載交流電流過零時(shí)才關(guān)斷。 | 要求最好是在交流零電流時(shí)關(guān)斷,此時(shí)電磁干擾幾乎為零。 |
基本模式5(自動(dòng)限流) | 電子開關(guān)出現(xiàn)涌流能自動(dòng)限流并延遲一段時(shí)間后再斷開。 | 電子開關(guān)出現(xiàn)涌流能自動(dòng)限流并延遲一段時(shí)間后再斷開。 | 要求除能作控制開關(guān)外還能自動(dòng)限流保護(hù)并隔離故障,如整流充電電路的蓄電池負(fù)載。 |
表2三種工作模式下電子開關(guān)的控制信號要求
信號電平 | 與常開觸點(diǎn)(NO)并聯(lián) | 與常閉觸點(diǎn)(NC)并聯(lián) | |||||||
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UC | UC | UK | UK | UC | UC | UK | UK | ||
電子開關(guān)上的電壓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 |
表2中H表示UV為高電平時(shí)開關(guān)斷開。
圖3電力電子開關(guān)器件的電路圖
(a)作為直流開關(guān)使用時(shí)(b)作為交流開關(guān)使用時(shí)
圖4電子開關(guān)三種工作模式及其開關(guān)狀態(tài)示意圖
(a)電磁開關(guān)為常開觸點(diǎn)NO時(shí)
(b)電磁開關(guān)為常閉觸點(diǎn)NC時(shí)
圖中UC為控制電壓,Uk為電磁開關(guān)觸點(diǎn)上的電壓,UV1、UV2、UV3為與電磁開關(guān)互補(bǔ)工作三種模式中的電子開關(guān)上的電壓。
的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)電路如圖5所示。圖中Ue為幅度等于12V的矩形波發(fā)生器,用于對電磁開關(guān)的勵(lì)磁供電和控制;K為JQX15F繼電器,其參數(shù)為:勵(lì)磁電壓為12V,觸點(diǎn)負(fù)載為220VAC(或28VDC),30A,阻性。電力電子開關(guān)器件為IRF840,其參數(shù)為:U(BR)DS=500V,IDM=8A,RDS(ON)=0.85Ω。T為TDGC-5型5kW調(diào)壓器,RL為滑線電阻器,Ri為0.1Ω電阻,用于電流采樣,IS=URi/Ri。以電磁開關(guān)的兩類嚴(yán)酷工作條件為實(shí)驗(yàn)條件分別進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn):
(1)直流感性負(fù)載通斷實(shí)驗(yàn):設(shè)置UO=30VDC。
①只用繼電器進(jìn)行試驗(yàn),調(diào)整RL,負(fù)載電流為6A時(shí),此時(shí)繼電器觸點(diǎn)電壓、電流波形見圖6,觸點(diǎn)發(fā)生明亮的電弧,觸點(diǎn)斷開時(shí)的電壓尖峰超過1kV。
②將CS組件按圖3(b)控制方式與繼電器互補(bǔ)使用,調(diào)整RL,負(fù)載電流約為16A,為電子開關(guān)電流IDM的兩倍,并使勵(lì)磁電壓的頻率提高一倍,此時(shí)繼電器觸點(diǎn)電壓、電流波形見圖7,觸點(diǎn)沒有發(fā)出火星(打開繼電器外殼觀察),從圖可明顯看到電子開關(guān)在通斷過渡過程中的作用(波形中存在一個(gè)臺階)。
(2)接通浪涌沖擊負(fù)載實(shí)驗(yàn),設(shè)置UO=220VAC。
①只用繼電器進(jìn)行試驗(yàn),由于負(fù)載為鐵磁可飽和變壓器,繼電器觸點(diǎn)電壓、電流波形見圖8,觸點(diǎn)發(fā)生火花,浪涌電流達(dá)52A。
②將CS組件以圖1交流開關(guān)方式接線,按圖
圖5實(shí)驗(yàn)電路圖
圖6電磁繼電器的直流感性負(fù)載通斷試驗(yàn)波形圖
圖7混合型開關(guān)的直流感性負(fù)載通斷試驗(yàn)波形圖
圖8電磁繼電器的接通浪涌沖擊負(fù)載試驗(yàn)波形圖
圖9混合型開關(guān)的接通浪涌沖擊負(fù)載試驗(yàn)波形圖
3接入實(shí)驗(yàn)電路,以本文所述控制方式與繼電器互補(bǔ)使用,在電子開關(guān)上串聯(lián)一個(gè)小阻值電阻(R=3Ω),此時(shí)繼電器觸點(diǎn)電壓、電流波形見圖9,觸點(diǎn)不產(chǎn)生火花,圖中可明顯看出由于電子限流作用,變壓器不致進(jìn)入深飽和,接通電流減小一半,大大降低了接通涌流。
此外,對CS組件的輸入電流測量得到:工作時(shí)為13mA,待機(jī)時(shí)為5mA.
4結(jié)語
應(yīng)用高頻互補(bǔ)技術(shù),提高了電磁開關(guān)的性能,拓寬了電磁開關(guān)的應(yīng)用場所,縮小了與固態(tài)開關(guān)的性能差異。由于該混合型開關(guān)的價(jià)格遠(yuǎn)低于固態(tài)開關(guān),將此技術(shù)用于繼電器開關(guān)連接抽頭分級變比調(diào)壓式交流穩(wěn)壓器,就可實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比。因此本項(xiàng)新技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景。