三相交流調(diào)壓模塊在線性調(diào)壓式恒流源中的應(yīng)用

摘要：某大功率恒流源，其負載為0.05～0.1Ω的感性或電阻性，輸出電流200～500A連續(xù)可調(diào)，并對穩(wěn)定度、準確度、重復(fù)性、紋波等技術(shù)指標均有較高要求。由于采用了三相交流調(diào)壓模塊，使調(diào)整管的管壓降被控制在5～10V范圍內(nèi)，從而使調(diào)整管的數(shù)量成倍地減少，既簡化了散熱措施，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)布局，而且達到了提高技術(shù)性能指標，增加可靠性的目的。

關(guān)鍵詞：交流調(diào)壓模塊；恒流源；串聯(lián)調(diào)壓式

1引言

某項科研任務(wù)需用上百臺500A恒流源，要求其有極高的可靠性、穩(wěn)定度和低的紋波。其交流電網(wǎng)電壓340～420V，負載在0.05～0.1Ω的大范圍內(nèi)變化，電流從200～500A連續(xù)可調(diào)，使用工控機進行控制。

從經(jīng)驗和可靠性考慮，確定采用線性串聯(lián)電源方案。為了提高輸出電流穩(wěn)定度，降低紋波以及避免開機瞬間對濾波電容、調(diào)整管的沖擊，可在三相橋式整流輸出端串接扼流圈。但是，針對本電源，需要制作500A，mH級的扼流圈，不僅造價高、體積大、笨重，需占有較大空間，而且影響裝配結(jié)構(gòu)、布局。能否采用別的技術(shù)而不用扼流圈，則是本課題需要解決的一個問題。

已知負載電壓最低10V（0.05Ω／200A），最高50V（0.1Ω/500A），負載電壓的變化由調(diào)整管調(diào)節(jié)，再考慮電網(wǎng)電壓的變化，則調(diào)整管最高工作電壓可達60V。一般調(diào)整管在高的工作電壓下，其極限功率要下降，有的急劇下降，雖然可以采用變壓器電壓分低、中、高三檔的辦法來解決，但考慮到負載通電發(fā)熱阻值變大，電網(wǎng)變化及三檔復(fù)蓋等因素，調(diào)整管的工作電壓仍在20V以上。當(dāng)調(diào)整管管壓降20V時，其耗散功率為10kW，如何將10kW的功率轉(zhuǎn)換的熱量排散出去，亦是很難解決的問題。

為了使恒流源安全可靠工作，擬選功率為300W的調(diào)整管降額到l00W使用，則需100只并聯(lián)，這必然使裝配復(fù)雜，成本增加。

要解決上述問題可行的技術(shù)方案很多，經(jīng)比較論證確定選用晶閘管交流調(diào)壓式。

2方案及工作原理

選用淄博市臨淄銀河高技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的捷普三相交流智能控制模塊作為前級調(diào)壓單元，恒流源工作原理見圖1。

三相交流電經(jīng)斷路器、調(diào)壓模塊、變壓器降壓、三相橋式整流濾波后的直流電壓Vo為恒流源供電。

斷路器起著過流保護作用，當(dāng)恒流源失控或負載短路時，自動切斷電源。

交流調(diào)壓模塊是本方案重要部件，只需外加12V直流電，以手動或微機控制給定信號電壓，即可改變6只晶閘管的觸發(fā)角，從而改變交流輸出電壓，達到控制直流電壓Vo的目的。

直流電壓經(jīng)電流取樣，比較放大調(diào)整后輸出穩(wěn)定的電流Io，從線性串聯(lián)電源原理可得：

Vo=Vce＋Vs＋VLVs=IoRsVL=IoRL式中：Vce為調(diào)整管的壓降；

圖1恒流源主電路

Vs為取樣電阻的電壓；

VL為負載電阻的電壓。

由于Rs<Vo≈Vce＋VL根據(jù)給定的輸出電流Io和負載RL，調(diào)節(jié)交流模塊控制信號電壓，使Vce在5～10V范圍內(nèi)變化，則可以成倍地減少調(diào)整管的數(shù)量和耗散功率。

3方案效果分析

用變壓器分檔辦法，調(diào)整管管壓降仍在20V以上，如何將調(diào)整管耗散10kW的熱量排散出去，以往采用水冷或風(fēng)冷散熱器，而且以水冷為主。

采用水冷須另加水冷裝置，不僅裝配工作量大，而且特別是上百臺恒流源，要用上千根連接水管，易發(fā)生漏水問題，如有一處漏水，實驗就無法進行。

采用晶閘管交流調(diào)壓式，使調(diào)整管在較低的電壓下工作，管耗在3.5kW左右，從而使調(diào)整管數(shù)量成倍減少，不僅降低成本，減少工作量，而且管耗成倍降低，只要選擇熱容量大的金屬作為散熱器，并適當(dāng)增加厚度和散熱面積，加強風(fēng)冷，則可以去掉水冷，這是對恒流源最大的改進。

雖然用串聯(lián)扼流圈方式可降低紋波，提高穩(wěn)定度和減輕啟動瞬間對調(diào)整管和濾波電容的沖擊損傷，但500A，mH級的扼流圈占據(jù)較大空間，影響裝配結(jié)構(gòu)。實踐證明裝配工藝、布局對恒流源技術(shù)指標有較大影響。采用晶閘管交流調(diào)壓式，可以使裝配結(jié)構(gòu)布局更加合理，從而有利于改進和提高恒流源性能指標；采用調(diào)壓式可以使移相控制器的控制信號電壓緩啟動，避免啟動瞬間對調(diào)整管和濾波電容的沖擊損傷。因此，采用晶閘管交流調(diào)壓式可以去掉體積大、笨重、造價高的扼流圈。

采用晶閘管交流調(diào)壓式，變壓器不用分檔，只要改變交流模塊控制信號電壓就能達到控制恒流源直流輸出電壓的目的，使調(diào)整管工作在5～10V范圍內(nèi)。

4結(jié)語

采用晶閘管交流調(diào)壓式，去掉水冷和扼流圈，使結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理、工藝規(guī)范，調(diào)試方便，一致性好。同時對原取樣電阻也作了較大改進，從而使恒流源的性能指標有了較大提高，在30s內(nèi)穩(wěn)定度優(yōu)于0.01％，紋波優(yōu)于0.1％(峰值)，重復(fù)性優(yōu)于0.1％。

采用調(diào)壓式，由于調(diào)整管工作在較低的電壓下，性能穩(wěn)定可靠，兩臺樣機均做10000次可靠性實驗，無失誤。

采用調(diào)壓式，優(yōu)化裝配結(jié)構(gòu)布局，裝配維修簡便，省工省時。

采用調(diào)壓式，省掉500A，mH級扼流圈，成倍地減少了大功率調(diào)整管，并去掉了水冷系統(tǒng)，減小了體積，減輕了重量，降低了成本。

不足之處是，三相交流模塊是通過改變晶閘管的觸發(fā)角進行調(diào)壓，再加之變壓器二次又有三相橋式整流，都是諧波源，因此對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染。