CN115561660A - 一种晶闸管电源均流实时测量系统及方法 - Google Patents

一种晶闸管电源均流实时测量系统及方法 Download PDF

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李维斌
姚巨堃
郑雪
吴一
陈俊宏
张潇鹏
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Abstract

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种晶闸管电源均流实时测量系统及方法，该系统包括鳄鱼夹、采样电阻、隔离放大电路、模拟数字AD转换器、均流计算控制器、按键输入指令模块、显示屏和鳄鱼夹；其中两个鳄鱼夹分别和采样电阻的一端连接，采样电阻、隔离放大电路、模拟数字AD转换器、均流计算控制器和显示屏顺次连接，按键输入指令模块连接在均流计算控制器的一侧。本发明有效提高大功率晶闸管整流电源系统桥臂均流测试的便利性和准确性，改善基于电流测量原理的均流仪均流测试精度。

Description

一种晶闸管电源均流实时测量系统及方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种晶闸管电源均流实时测量系统及方法。
背景技术
随着铝电解等电化学工业技术快速发展，以及大电流电源在核聚变和强磁场大科学装置中的应用，使得直流电源的输出功率需求越来越高。虽然目前单个晶闸管容量已有显著提升，但为了满足几十甚至上百千安的大电流输出仍需几个甚至十几个晶闸管并联来满足需求。在多个晶闸管并联时，各并联支路之间会因开通时间差异、正向电压降、支路间的阻抗以及安装位置不同所产生的分布参数差异等引起电流分配不均，这会导致在大电流电源长时间运行期间个别并联支路的晶闸管由于不均流承受较大的电流，长期运行将直接影响电源的输出性能以及电源的系统安全。
目前常用的晶闸管桥臂均流测试方式有两种：一种是采用电压表人工读数的方式经过事后分析得到均流结果；另一种是通过测量并联各个晶闸管支路电流的方式来计算并联均流情况。人工方式存在读数误差和实时性差的问题，会造成均流计算结果不准确。通过测量晶闸管支路电流的方式可以获得并联各个支路的电流值且实时性较高，但电流测量设备大多基于霍尔效应原理设计，晶闸管电源周围复杂的交变磁场的影响会使得电流测量结果受到干扰，导致测量结果不准确，进而影响均流效果判断。均流测试数据的不准确，将无法为整流电源运行和维护提供准确的数据支撑，给晶闸管大电流系统运行带来安全隐患。
因此需要提供一种晶闸管电源均流实时测量系统及方法，以解决现有技术存在的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种晶闸管电源均流实时测量系统及方法，有效提高大功率晶闸管整流电源系统桥臂均流测试的便利性和准确性，改善基于电流测量原理的均流仪均流测试精度。
实现本发明目的的技术方案：
一种晶闸管电源均流实时测量系统，该系统包括2个鳄鱼夹、采样电阻、隔离放大电路、模拟数字AD转换器、均流计算控制器、按键输入指令模块、显示屏；
其中2个鳄鱼夹分别和采样电阻的一端连接，采样电阻、隔离放大电路、模拟数字AD转换器、均流计算控制器和显示屏顺次连接，按键输入指令模块连接在均流计算控制器的一侧。
所述的采样电阻通过2个鳄鱼夹与快速熔断器并联，将晶闸管桥臂并联支路中通过的大电流转换为mV级的电压信号并送到隔离放大电路。
所述的隔离放大电路将获取的电压信号与晶闸管的电源主回路隔离，并输出给模拟数字AD转换器。
所述的模拟数字AD转换器将输入的电压模拟量经过模拟数字AD转换为数字量给均流计算控制器。
所述的按键输入指令模块计算桥臂均流的晶闸管的数量，该数量与快速熔断器数量一致，并将设定的值输出给均流计算控制器。
所述的均流计算控制器根据按键输入指令所输出的模块并联数量N和经过模拟数字AD转换器输入的多路电压信号，代入均流计算公式：
Figure BDA0003826591430000031
其中N为并联的晶闸管数量，Ui为第i个晶闸管桥臂并联支路通过的电流对应的电压值，Umax为第i个晶闸管桥臂并联支路中最大的电压值，K为均流系数；
均流计算控制器根据均流计算公式实时计算均流系数K，并通过均流计算控制器的IO口将结果输出给显示屏，完成均流系数K的计算。
所述的2个鳄鱼夹分别通过1.5mm2的阻燃聚氯乙烯屏蔽信号线与快速熔断器的两端相连接。
所述的采样电阻选择高阻值金属氧化物电阻，采样电阻阻值为R2。
一种晶闸管电源均流实时测量系统的测量方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，设置待测晶闸管桥臂并联支路的数量，完成该均流测试系统与待测对象的电气连接；
步骤二，启动该均流测试系统，通过采样电阻、隔离放大电路和模拟数字AD转换器将快速熔断器两端的电压实时输入均流计算控制器中。
所述的步骤一包括以下步骤：
步骤1.1在按键输入指令模块中根据待测桥臂上并联晶闸管的数量设置待测对象的数量；
步骤1.2使用2个鳄鱼夹分别夹在待测晶闸管桥臂上的多个晶闸管并联支路的每个快速熔断器两端，完成电气连接。
所述的步骤二包括以下步骤：
步骤2.1均流计算控制器采集输入的多个电压信号，通过比较多个输入的电压信号得到其中的最大值Umax，并累加输入的多个电压信号
Figure BDA0003826591430000041
步骤2.2均流计算控制器根据按键输入指令输出的模块数量，确定待测的对象数量N，并将输入的电压最大值与N做乘积运算N×Umax；
步骤2.3根据均流计算公式：
Figure BDA0003826591430000042
可求得当前时刻待测晶闸管桥臂上的多个晶闸管桥臂并联支路的均流系数；
步骤2.4均流计算控制器将步骤2.3计算得到的均流系数通过端口输出给显示屏显示；
步骤2.5均流计算控制器重复执行步骤2.1——步骤2.4的计算执行过程，直到均流计算控制器退出运行。
本发明的有益技术效果在于：
(1)本发明通过将晶闸管整流电源单个桥臂上与各个并联晶闸管串联的快速熔断器的电压信号引入便携式均流仪中，通过实时电压采样计算得到各个快速熔断器上的电压瞬时值，能够有效避免基于霍尔效应原理设计的电流传感器受电磁干扰引起的信号精度不高导致均流测试结果不准确的问题；
(2)本发明能够广泛应用于化工电解铝等对晶闸管整流电源均流参数灵活测试的应用中，显著提高晶闸管整流电源的均流测试准确性且具备成本较低。
附图说明
图1为本发明所提供的一种晶闸管电源均流实时测量系统示意图；
图2为本发明所提供的一种晶闸管电源均流实时测量系统使用图；
图中：1-晶闸管；2-快速熔断器；3-鳄鱼夹a；4-采样电阻；5-隔离放大电路；6-模拟数字AD转换器；7-均流计算控制器；8-按键输入指令模块；9-显示屏；10-鳄鱼夹b；11-晶闸管桥臂并联支路。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显而易见的，下面所述的实施例仅仅是本发明实施例中的一部分，而不是全部。基于本发明记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，均在本发明保护的范围内。
如图1所示，本发明所提供的一种晶闸管电源均流实时测量系统，包括鳄鱼夹a3、采样电阻4、隔离放大电路5、模拟数字AD转换器6、均流计算控制器7、按键输入指令模块8、显示屏9、鳄鱼夹b10和待测对象某个晶闸管桥臂并联支路11。
鳄鱼夹a3、鳄鱼夹b10分别和采样电阻4的一端连接，采样电阻4、隔离放大电路5、模拟数字AD转换器6、均流计算控制器7和显示屏9顺次连接，按键输入指令模块8和均流计算控制器7连接。
其中，在晶闸管电源并联桥臂结构中，晶闸管桥臂并联支路11中的每个晶闸管1分别与一支快速熔断器2通过母排串联，其他晶闸管桥臂并联支路11的结构与之完全相同；快速熔断器2的内阻为R1；
鳄鱼夹a3和鳄鱼夹b10分别通过1.5mm2的阻燃聚氯乙烯屏蔽信号线与快速熔断器2的两端相连接；
鳄鱼夹a3和鳄鱼夹b10的另外一端与采样电阻4两端分别连接，采样电阻4选择高阻值金属氧化物电阻，采样电阻4阻值为R2；采样电阻4通过鳄鱼夹a3和鳄鱼夹b10与快速熔断器2并联，将流过晶闸管桥臂并联支路11的大电流转换为mV级的电压信号并送到隔离放大电路5；
隔离放大电路5将获取的电压信号与晶闸管1的电源主回路隔离，并输出给模拟数字AD转换器6；
模拟数字AD转换器6将输入的电压模拟量经过模拟数字AD转换为数字量给均流计算控制器7；
按键输入指令模块8计算桥臂均流的晶闸管1的数量，该数量与快速熔断器2数量一致，并将设定的值输出给均流计算控制器7；
均流计算控制器7根据按键输入指令模块8输入的并联数量N和经过模拟数字AD转换器6输入的多路电压信号，根据均流计算公式：
Figure BDA0003826591430000061
其中N为并联的晶闸管数量，Ui为第i个晶闸管桥臂并联支路通过的电流对应的电压值，Umax为第i个晶闸管桥臂并联支路中最大的电压值，K为均流系数；
均流计算控制器7根据均流计算公式实时计算均流系数K，并通过均流计算控制器7的IO口将结果输出给显示屏9，完成均流系数K的计算。
该晶闸管电源均流实时测量系统工作时，具体信号传递过程如下：
(1)首先使用按键输入指令模块8中的按键确定需要计算均流系数的并联晶闸管1的数量(数量为N)，并将该数量值(N)通过电路传给均流计算控制器7；
(2)当晶闸管电源工作时，电源桥臂上的晶闸管1导通后将在晶闸管桥臂并联支路11上流过电流Idc；由于采样电阻4(电阻值R2)通过鳄鱼夹a3和鳄鱼夹b10与快速熔断器2(电阻值R1)并联，此时在采样电阻4两端根据欧姆定律可以得到与快速熔断器2电压等效的电压信号Ufuse，信号间关系式为：Idc＝Ufuse/R2；要求采样电阻4的阻值R2远大于快速熔断器2的阻值R1，避免干扰电源主回路线路；
(3)隔离放大电路5用于将采样电阻4上的电压信号Ufuse经过光耦隔离放大成0-5V的信号传送给模拟数字AD转换器6；
(4)模拟数字AD转换器6将电压信号转换为12位的数字信号输出给均流计算控制器7，完成信号输入。
(5)晶闸管电源被测某个桥臂上的其他晶闸管桥臂并联支路11信号采用上述(2)—(4)步骤处理；
(6)均流计算控制器7根据按键输入指令模块8输入的并联数量N和经过模拟数字AD转换器6输入的多路电压信号，均流计算控制器7根据均流计算公式实时计算均流系数，并通过均流计算控制器7的IO口将结果输出给显示屏9，完成均流系数计算。
(7)显示屏9将来自均流计算器7的数据显示供用户判断晶闸管电源的均流系数，并作为判断晶闸管电源性能的重要指标使用。
本发明还提供了一种晶闸管电源均流实时测量方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，设置晶闸管桥臂待测晶闸管桥臂并联支路11的数量，完成该均流测试系统与待测对象的电气连接；
步骤1.1在按键输入指令模块8中根据待测桥臂上并联晶闸管1的数量设置待测对象的数量；
步骤1.2使用多组鳄鱼夹a3和鳄鱼夹b10分别夹在待测晶闸管桥臂并联支路11的每个快速熔断器2的两端，完成电气连接；
步骤二，启动该均流测试系统，通过采样电阻4、隔离放大电路5和模拟数字AD转换器6将快速熔断器2两端的电压实时输入均流计算控制器7中；
步骤2.1均流计算控制器7采集输入的多个电压信号，通过比较多个输入的电压信号得到其中的最大值Umax，并累加输入的多个电压信号
Figure BDA0003826591430000081
步骤2.2均流计算控制器7根据按键输入指令模块8的输出，确定待测的对象数量N，并将输入的电压最大值与N做乘积运算N×Umax；
步骤2.3根据均流计算公式：
Figure BDA0003826591430000082
可求得当前时刻晶闸管桥臂并联支路11的均流系数；
步骤2.4均流计算控制器7将步骤2.3计算得到的均流系数通过端口输出给显示屏9显示；
步骤2.5均流计算控制器7重复执行步骤2.1——步骤2.4的计算执行过程，直到均流计算控制器7退出运行。
该发明的均流测试系统的均流性能显示速率直接与该系统中的模拟数字AD转换器6、均流计算控制器7和显示屏9的器件类型和控制周期相关。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (11)

1.一种晶闸管电源均流实时测量系统，其特征在于：该系统包括鳄鱼夹(3)、采样电阻(4)、隔离放大电路(5)、模拟数字AD转换器(6)、均流计算控制器(7)、按键输入指令模块(8)、显示屏(9)和鳄鱼夹(10)；
其中鳄鱼夹(3)、鳄鱼夹(10)分别和采样电阻(4)的一端连接，采样电阻(4)、隔离放大电路(5)、模拟数字AD转换器(6)、均流计算控制器(7)和显示屏(9)顺次连接，按键输入指令模块(8)连接在均流计算控制器(7)的一侧。
2.根据权利要求1所述的一种晶闸管电源均流实时测量系统，其特征在于：所述的采样电阻(4)通过鳄鱼夹(3)和鳄鱼夹(10)与快速熔断器(2)并联，将晶闸管桥臂并联支路(11)中通过的大电流转换为mV级的电压信号并送到隔离放大电路(5)。
3.根据权利要求2所述的一种晶闸管电源均流实时测量系统，其特征在于：所述的隔离放大电路(5)将获取的电压信号与晶闸管(1)的电源主回路隔离，并输出给模拟数字AD转换器(6)。
4.根据权利要求3所述的一种晶闸管电源均流实时测量系统，其特征在于：所述的模拟数字AD转换器(6)将输入的电压模拟量经过模拟数字AD转换为数字量给均流计算控制器(7)。
5.根据权利要求4所述的一种晶闸管电源均流实时测量系统，其特征在于：所述的按键输入指令模块(8)计算桥臂均流的晶闸管1的数量，该数量与快速熔断器(2)数量一致，并将设定的值输出给均流计算控制器(7)。
6.根据权利要求5所述的一种晶闸管电源均流实时测量系统，其特征在于：所述的均流计算控制器(7)根据按键输入指令模块(8)输入的并联数量N和经过模拟数字AD转换器(6)输入的多路电压信号，根据均流计算公式：
Figure FDA0003826591420000021
其中N为并联的晶闸管数量，Ui为第i个晶闸管桥臂并联支路(11)通过的电流对应的电压值，Umax为第i个晶闸管桥臂并联支路(11)中最大的电压值，K为均流系数；
均流计算控制器(7)根据均流计算公式实时计算均流系数K，并通过均流计算控制器(7)的IO口将结果输出给显示屏(9)，完成均流系数K的计算。
7.根据权利要求6所述的一种晶闸管电源均流实时测量系统，其特征在于：所述的鳄鱼夹(3)和鳄鱼夹(10)分别通过1.5mm2的阻燃聚氯乙烯屏蔽信号线与快速熔断器(2)的两端相连接。
8.根据权利要求7所述的一种晶闸管电源均流实时测量系统，其特征在于：所述的采样电阻(4)选择高阻值金属氧化物电阻，采样电阻(4)阻值为R2。
9.根据权利要求8所述的一种晶闸管电源均流实时测量系统的测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一，设置待测晶闸管桥臂并联支路(11)的数量，完成该均流测试系统与待测对象的电气连接；
步骤二，启动该均流测试系统，通过采样电阻(4)、隔离放大电路(5)和模拟数字AD转换器(6)将快速熔断器(2)两端的电压实时输入均流计算控制器(7)中。
10.根据权利要求9所述的一种晶闸管电源均流实时测量方法，其特征在于：所述的步骤一包括以下步骤：
步骤1.1在按键输入指令模块(8)中根据待测桥臂上并联晶闸管1的数量设置待测对象的数量；
步骤1.2使用鳄鱼夹(3)和鳄鱼夹(10)分别夹在待测晶闸管桥臂上的多个晶闸管桥臂并联支路(11)的每个快速熔断器(2)两端，完成电气连接。
11.根据权利要求10所述的一种晶闸管电源均流实时测量方法，其特征在于：所述的步骤二包括以下步骤：
步骤2.1均流计算控制器(7)采集输入的多个电压信号，通过比较多个输入的电压信号得到其中的最大值Umax，并累加输入的多个电压信号
Figure FDA0003826591420000031
步骤2.2均流计算控制器(7)根据按键输入指令模块(8)的输出，确定待测的对象数量N，并将输入的电压最大值与N做乘积运算N×Umax；
步骤2.3根据均流计算公式：
Figure FDA0003826591420000032
可求得当前时刻待测晶闸管桥臂上的多个晶闸管并联支路(11)的均流系数；
步骤2.4均流计算控制器(7)将步骤2.3计算得到的均流系数通过端口输出给显示屏(9)显示；
步骤2.5均流计算控制器(7)重复执行步骤2.1——步骤2.4的计算执行过程，直到均流计算控制器(7)退出运行。
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