CN111141984B - 一种基于电弧电压的直流高压大电流合成实验回路及控制方法 - Google Patents

一种基于电弧电压的直流高压大电流合成实验回路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电弧电压的直流高压大电流合成实验回路及控制方法，属于直流开关电器领域。该实验回路包括电流源、电压源、被试直流开关设备K、GTO续流电路、IGBT驱动电路以及控制器。首先利用电流源、电压源及GTO续流电路的充电电路分别对储能电容进行充电。调节电压源的参考电压等于0.95倍的电流源充电电压，控制器驱动被试直流开关设备K处于闭合状态。然后控制器导通GTO，测量被试直流开关设备K两端的电弧电压Varc。电弧电压Varc满足IGBT驱动电路判断逻辑时，将电压源叠加入合成实验系统中。如果被试直流开关设备K完成电路的切断，则结束实验，若未切断，则控制器将GTO关断。本发明有效减少电压源放电时间，降低电压源储能电容的电容容量。

Description

一种基于电弧电压的直流高压大电流合成实验回路及控制 方法
技术领域
本发明属于直流开关电器领域，具体涉及一种基于电弧电压的直流高压大电流合成实验回路及控制方法。
背景技术
高压直流输电网络具有电能功率密度高，线路损耗低及系统稳定性好等诸多优点，近年来得到了迅速的发展及持续的关注。由于直流系统不像交流系统一样存在自然电流过零点，无法使用交流断路器已较为成熟的灭弧方式。其次，直流系统中感性元件存储着巨大的能量，使得高压直流开断容量的考核更为严格。
直流高压大电流开关实验系统是对直流开关电器进行技术性能测试和可靠性测试最简单有效的途径之一，常用的方法有直接实验法和合成实验法。
直接实验法是指实验系统具有较大容量的电源系统，能够同时直接产生符合测试要求的高压、大电流实验条件，但这种实验回路一般需要大容量的短路发电机组来提供电能，其实验回路搭建成本、可操作性及安全性均面临一定的困难及挑战。合成实验法中实验回路采用独立的电流源和电压源，电流源与电压源同时并联在被测直流开关设备两端。电流源提供实验初期的低压大电流实验条件，而电压源则提供实验后期的高压小电流的实验条件。
但是，现有的合成实验回路及控制方法，是通过外部控制器控制电流源及电压源中的可控半导体器件的通断完成整个合成实验，这对控制器控制精度及电压源储能电容的容量有一定的要求。由于电压源投入时刻是固定的，若控制精度较低或电压源放电时间过长，会导致开关设备分断后期耐受电压等级降低，无法满足实验要求。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种基于电弧电压的直流高压大电流合成实验回路及控制方法；利用直流开关设备在实验过程中产生的电弧电压，通过模拟比较电路的方式直接驱动电压源中的可控半导体器件，能够有效减小合成实验回路中电压源储能电容的放电时间，进而降低电压源储能电容的容量，并且控制器仅需对电流源中的可控半导体器件进行单独的控制，减小了控制精度对合成实验的影响，降低了直流高压大电流合成实验的搭建成本及难度。
所述的直流高压大电流合成实验回路，具体包括：电流源、电压源、被试直流开关设备K、GTO续流电路、IGBT驱动电路以及控制器。
所述电流源及电压源均并联在被试直流开关设备K两端，且被试直流开关设备K两端的电压Varc采用高压探头测量，并作为输入信号连接到IGBT驱动电路。
电流源由电流源储能电容C1、GTO、二极管D、放电电阻R1和线路电感L1串联组成，同时要满足电流源电路为过阻尼状态，即满足：
Figure BDA0002361205040000021
在电容C1两端并联电流源充电电路，GTO两端并联GTO续流电路；GTO续流电路包括储能电容C3，放电电阻R3和GTO续流电路充电电路；其中储能电容C3，放电电阻R3串联后并联在GTO两端。GTO续流电路充电电路并联在储能电容C3两端，并且储能电容C3的正极与GTO阳极连接。
同时GTO外接控制器，接收控制信号1；控制器同时发出控制信号2给被试直流开关设备K。
电压源由IGBT、电压源储能电容C2及放电电阻R2串联组成；在电容C2两端并联电压源充电电路；
IGBT驱动电路由高速比较器U1及相关外围电路，光耦驱动器U2及其外围电路组成。
基准电压源Vcc经过电阻R4和R5分压后得到参考电压Vref连接高速比较器U1的正输入端，同时，在高速比较器U1正输入端与输出端之间连接电阻R6，形成滞环比较器。高速比较器U1负输入端连接被试直流开关设备K两端的电压Varc；高速比较器U1输出端连接光耦驱动器U2输入侧发光二极管的阴极，发光二极管的阳极通过电阻R7连接到基准电压源Vcc。光耦驱动器U2输出侧供电由基准电压源Vee提供，光耦驱动器U2信号输出端通过电阻R8连接到三极管VT1的基极(b)。三极管VT1的集电极(c)连接到基准电压源Vee，三极管VT1的发射极(e)通过电阻R9与IGBT连接。
所述的直流高压大电流合成实验回路的控制方法，具体步骤如下：
步骤一、利用电流源充电电路、电压源充电电路及GTO续流电路充电电路分别对储能电容C1、C2和C3进行充电。
步骤二、通过改变R4、R5的阻值，调节电压源投入时刻参考电压Vref，使得参考电压Vref等于0.95倍的电流源充电电压Vcurrent；
调节参考电压Vref计算公式为：
Figure BDA0002361205040000022
步骤三、由控制器驱动被试直流开关设备K处于闭合状态。
步骤四、在t1时刻，控制器给出控制信号1导通GTO，电流源开始放电产生的低压大电流流经被试直流开关设备K。
步骤五、到t2时刻，控制器给出控制信号2驱动被试直流开关设备K分闸，被试直流开关设备K内部产生电弧，同时，测量被试直流开关设备K两端的电弧电压Varc。
步骤六、电弧电压Varc随着电弧的燃烧而提高，IGBT驱动电路实时判断电弧电压Varc与参考电压Vref之间的关系；
步骤七、在t3时刻，电弧电压Varc满足IGBT驱动电路判断逻辑时，IGBT驱动电路给出电压源投入信号，将电压源叠加入合成实验系统中。
满足IGBT驱动电路判断逻辑是指：电弧电压Varc满足Varc＞Vref时，高速比较器U1的输出信号使得光耦驱动器U2的输入端由基准电压源Vcc对电阻R7放电产生驱动电流。
此后，光耦驱动器U2的输出端经电阻R8给三极管VT1的b、e端施加电压，使三极管VT1进入饱和导通状态。与基准电压源Vcc隔离的另一基准电压源Vee经过三极管VT1的c、e端和电阻R9产生IGBT导通信号UGE，驱动电压源中的IGBT器件导通将电压源叠加入合成实验回路中。
步骤八、判断被试直流开关设备K是否完成电路的切断，如果是，则在t4时刻结束实验，否则，则控制器给出控制信号1将GTO关断，完成电路保护功能。
本发明的优点在于：
(1)一种基于电弧电压的直流高压大电流合成实验回路，利用直流开关设备在实验过程中产生的电弧电压，通过模拟比较电路的方式直接驱动电压源中的可控半导体器件，能够实现电压源投入时刻随实验情况动态调整，减少合成实验系统中电压源储能电容的放电时间，降低电压源储能电容的容量。
(2)一种基于电弧电压的直流高压大电流合成实验回路的控制方法，通过调整电流源及电压源中的可控半导体器件的种类，可以实现直流高压大电流合成实验回路的保护功能，及时对直流开关设备开断失败后的实验回路进行保护。
(3)一种基于电弧电压的直流高压大电流合成实验回路的控制方法，电压源导通时刻是根据当前实验情况进行动态调整的，能够有效减少电压源放电时间，从而降低电压源储能电容所需要的电容容量。
(4)一种基于电弧电压的直流高压大电流合成实验回路的控制方法，减少了直流高压大电流合成实验回路中控制器输出信号的数量，降低由于控制精度导致合成实验失败的影响。
附图说明
图1是本发明提出的基于电弧电压的直流高压大电流合成实验回路的结构图；
图2是本发明提出的直流高压大电流合成实验回路中GTO续流电路局部放大图；
图3是本发明提出的直流高压大电流合成实验回路中IGBT驱动电路局部放大图；
图4是本发明提出的基于电弧电压的直流高压大电流合成实验回路的控制方法流程图；
图5是本发明提出的基于电弧电压的直流高压大电流合成实验回路的时序图；
图6是本发明提出的基于电弧电压的直流高压大电流合成实验回路的波形图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细说明。
本发明一种基于电弧电压的直流高压大电流合成实验回路及控制方法，如图1所示，所述直流高压大电流合成实验回路包括电流源、电压源、被试直流开关设备K、GTO续流电路、IGBT驱动电路以及控制器。
所述被试直流开关设备K采用同极性端子并联连接，电流源及电压源均并联在被试直流开关设备K两端，且电流源与电压源的高电位侧在被试直流开关设备K的同一端。被试直流开关设备K两端的电压Varc采用高压探头测量，并作为输入信号连接到IGBT驱动电路。
电流源由电流源储能电容C1、GTO、二极管D、放电电阻R1和线路电感L1串联组成，同时要满足电流源电路为过阻尼状态，即满足：
Figure BDA0002361205040000041
在电容C1两端并联电流源充电电路，由于GTO器件在小电流条件下存在截流现象，使得电流源放电后期由于电流过小导致GTO截流关断影响合成实验等价性，提出了GTO续流电路；如图2所示，GTO续流电路并联在GTO两端；GTO续流电路包括储能电容C3，放电电阻R3和GTO续流电路充电电路；其中储能电容C3，放电电阻R3串联后并联在GTO两端。GTO续流电路充电电路并联在储能电容C3两端，并且储能电容C3的正极与GTO阳极连接；GTO导通后，储能电容C3对放电电阻R3放电产生续流电流i3。
同时GTO外接控制器，接收控制信号1；控制器同时发出控制信号2给被试直流开关设备K。
电压源由IGBT、电压源储能电容C2及放电电阻R2串联组成；在电容C2两端并联电压源充电电路；
如图3所示，IGBT驱动电路由高速比较器U1及相关外围电路，光耦驱动器U2及其外围电路组成。当被试直流开关设备K两端的电压满足比较器判断逻辑时，给出IGBT导通驱动信号。
基准电压源Vcc经过电阻R4和R5分压后得到参考电压Vref连接高速比较器U1的正输入端，同时，在高速比较器U1正输入端与输出端之间连接电阻R6，形成滞环比较器。高速比较器U1负输入端连接被试直流开关设备K两端的电压Varc；高速比较器U1输出端连接光耦驱动器U2输入侧发光二极管的阴极，发光二极管的阳极通过电阻R7连接到基准电压源Vcc。光耦驱动器U2输出侧供电由基准电压源Vee提供，光耦驱动器U2信号输出端通过电阻R8连接到三极管VT1的基极(b)。三极管VT1的集电极(c)连接到基准电压源Vee，三极管VT1的发射极(e)通过电阻R9与IGBT的门极(G)连接。
所述的直流高压大电流合成实验回路的控制方法，如图4所示，具体步骤如下：
步骤一、利用电流源充电电路、电压源充电电路及GTO续流电路充电电路分别对储能电容C1、C2和C3进行充电。
步骤二、通过改变R4、R5的阻值，调节电压源投入时刻参考电压Vref，使得参考电压Vref等于0.95倍的电流源充电电压Vcurrent；
调节参考电压Vref计算公式为：
Figure BDA0002361205040000051
步骤三、由控制器驱动被试直流开关设备K合闸线圈通电，使其处于闭合状态。
步骤四、控制器给出导通GTO的控制信号1，即t1时刻，电流源开始放电产生的低压大电流流经被试直流开关设备K，考核耐受电流能力。
基于电弧电压的直流高压大电流合成实验时序图如图5所示，波形图如图6所示。
步骤五、控制器给出驱动被试直流开关设备K合闸线圈断电的控制信号2，使直流开关设备K分闸，即t2时刻，被试直流开关设备K内部产生电弧。
通过高压探头测量被试直流开关设备K，1、2两端的电压即可获得电弧电压Varc。
步骤六、电弧电压Varc随着电弧的燃烧而提高，IGBT驱动电路实时判断电弧电压Varc与参考电压Vref之间的关系；
步骤七、电弧电压Varc满足IGBT驱动电路判断逻辑时，即t3时刻，IGBT驱动电路给出电压源投入信号，将电压源叠加入合成实验系统中。
满足IGBT驱动电路判断逻辑是指：电弧电压Varc满足Varc＞Vref时，高速比较器U1的输出信号使得光耦驱动器U2的输入端由基准电压源Vcc对电阻R7放电产生驱动电流。
此后，光耦驱动器U2的输出端经电阻R8给三极管VT1的b、e端施加电压，使三极管VT1进入饱和导通状态。与基准电压源Vcc隔离的另一基准电压源Vee经过三极管VT1的c、e端和电阻R9产生IGBT导通信号UGE，驱动电压源中的IGBT器件导通将电压源叠加入合成实验回路中。
电压源导通时刻t3是根据当前实验情况进行动态调整的，能够有效减少电压源放电时间，从而降低电压源储能电容所需要的电容容量。
步骤八、判断被试直流开关设备K是否完成电路的切断，如果是，则在t4时刻结束实验，被试直流开关设备K两端的电压为电压源电容电压Vvoltage。否则，则控制器给出控制信号1将GTO关断，即t5时刻，完成电路保护功能。

Claims (4)

1.一种基于电弧电压的直流高压大电流合成实验回路，其特征在于，具体包括：电流源、电压源、被试直流开关设备K、GTO续流电路、IGBT驱动电路以及控制器；
所述电流源及电压源均并联在被试直流开关设备K两端，且被试直流开关设备K两端的电压Varc采用高压探头测量，并作为输入信号连接到IGBT驱动电路；
电流源由电流源储能电容C1、GTO、二极管D、放电电阻R1和线路电感L1串联组成，同时要满足电流源电路为过阻尼状态，即满足：
Figure FDA0002678160440000011
在电容C1两端并联电流源充电电路，GTO两端并联GTO续流电路；GTO续流电路包括储能电容C3，放电电阻R3和GTO续流电路充电电路；其中储能电容C3，放电电阻R3串联后并联在GTO两端；GTO续流电路充电电路并联在储能电容C3两端，并且储能电容C3的正极与GTO阳极连接；
同时GTO外接控制器，接收控制信号1；控制器同时发出控制信号2给被试直流开关设备K；
电压源由IGBT、电压源储能电容C2及放电电阻R2串联组成，其中IGBT的集电极和发射极与电压源储能电容C2连接；在电容C2两端并联电压源充电电路；
IGBT驱动电路由高速比较器U1及相关外围电路，光耦驱动器U2及其外围电路组成；
基准电压源Vcc经过电阻R4和R5分压后得到参考电压Vref连接高速比较器U1的正输入端，同时，在高速比较器U1正输入端与输出端之间连接电阻R6，形成滞环比较器；高速比较器U1负输入端连接被试直流开关设备K两端的电压Varc；高速比较器U1输出端连接光耦驱动器U2输入侧发光二极管的阴极，发光二极管的阳极通过电阻R7连接到基准电压源Vcc；光耦驱动器U2输出侧供电由基准电压源Vee提供，光耦驱动器U2信号输出端通过电阻R8连接到三极管VT1的基极(b)；三极管VT1的集电极(c)连接到基准电压源Vee，三极管VT1的发射极(e)通过电阻R9与IGBT的门极(G)连接。
2.如权利要求1所述的一种基于电弧电压的直流高压大电流合成实验回路的控制方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一、利用电流源充电电路、电压源充电电路及GTO续流电路充电电路分别对储能电容C1、C2和C3进行充电；
步骤二、通过改变R4、R5的阻值，调节电压源投入时刻参考电压Vref，使得参考电压Vref等于0.95倍的电流源充电电压Vcurrent；
步骤三、由控制器驱动被试直流开关设备K处于闭合状态；
步骤四、在t1时刻，控制器给出控制信号1导通GTO，电流源开始放电产生的低压大电流流经被试直流开关设备K；
步骤五、到t2时刻，控制器给出控制信号2驱动被试直流开关设备K分闸，被试直流开关设备K内部产生电弧，同时，测量被试直流开关设备K两端的电弧电压Varc；
步骤六、电弧电压Varc随着电弧的燃烧而提高，IGBT驱动电路实时判断电弧电压Varc与参考电压Vref之间的关系；
步骤七、在t3时刻，电弧电压Varc满足IGBT驱动电路判断逻辑时，IGBT驱动电路给出电压源投入信号，将电压源叠加入合成实验系统中；
步骤八、判断被试直流开关设备K是否完成电路的切断，如果是，则在t4时刻结束实验，否则，则控制器给出控制信号1将GTO关断，完成电路保护功能。
3.如权利要求2所述的一种基于电弧电压的直流高压大电流合成实验回路的控制方法，其特征在于，所述的步骤二中调节参考电压Vref计算公式为：
Figure FDA0002678160440000021
4.如权利要求2所述的一种基于电弧电压的直流高压大电流合成实验回路的控制方法，其特征在于，步骤七中所述的满足IGBT驱动电路判断逻辑是指：
电弧电压Varc满足Varc＞Vref时，高速比较器U1的输出信号使得光耦驱动器U2的输入端由基准电压源Vcc对电阻R7放电产生驱动电流；
此后，光耦驱动器U2的输出端经电阻R8给三极管VT1的b、e端施加电压，使三极管VT1进入饱和导通状态；与基准电压源Vcc隔离的另一基准电压源Vee经过三极管VT1的c、e端和电阻R9产生IGBT导通信号UGE，驱动电压源中的IGBT器件导通将电压源叠加入合成实验回路中。
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