PSM高壓直流電源預(yù)充電電阻參數(shù)設(shè)計與仿真

陳烘民

摘要：PSM高壓直流電源的直流環(huán)節(jié)有儲能濾波電容，并且容值大，因此需要在PSM電源的輸入端設(shè)計預(yù)充電回路。預(yù)充電回路器件的參數(shù)設(shè)計主要需要考慮充電時間、經(jīng)濟成本、可靠性等因素。本文依照預(yù)充電電阻的工作過程，詳細闡述了預(yù)充電電阻電氣參數(shù)的設(shè)計方法、參數(shù)選擇、冗余設(shè)計以及電氣仿真。

關(guān)鍵詞：PSM高壓直流電源;預(yù)充電電阻;參數(shù)設(shè)計;仿真

1概述

PSM高壓直流電源是由若干數(shù)量的相同拓撲結(jié)構(gòu)的直流電源模塊串聯(lián)組成，經(jīng)過特定的調(diào)制方式，最終獲得高電壓輸出的高壓大功率電源【1】。PSM高壓直流電源模塊的直流環(huán)節(jié)有儲能濾波電容，電容在電路通電瞬間相當于短路狀態(tài)，有很大的充電電流，該電流會對電路器件造成損壞。為了避免電容在充電初期的大電流，需要在電容輸入端設(shè)計預(yù)充電回路來限制充電電流的幅值。

2案例分析

預(yù)充電回路在變頻器、變流器中經(jīng)常用到。對于不同的電源設(shè)備，預(yù)充電回路工作方式不完全相同。一般工作過程是：充電時主回路接入預(yù)充電回路，通過預(yù)充電電阻把電流限制在一個可控的范圍內(nèi)，電容充電完成后再切除預(yù)充電回路，使主回路回到正常工作狀態(tài)。預(yù)充電回路屬于通用配置，但預(yù)充電回路器件的參數(shù)設(shè)計則是電源電氣設(shè)計的重要環(huán)節(jié)之一。

某型PSM高壓直流電源模塊原理圖如圖1所示。其中，QF1為主回路斷路器;QF2為預(yù)充電回路斷路器;Rp為預(yù)充電電阻;VD1、VD2為整流二極管;C1、C2為直流電容;R1、R2為均壓電阻;VT1、VT2為IGBT模塊。主回路QF1合閘上電前，預(yù)充電回路的QF2先合閘，交流輸入通過預(yù)充電電阻Rp給直流電容C1、C2充電。直流電容充電完成后，QF2分閘，預(yù)充電回路從主回路切除;然后QF1合閘，電源模塊進入正常工作狀態(tài)。預(yù)充電回路投切的控制邏輯有兩種，一種是用計算好的充電時間控制QF2的合閘時間;第二種是測量直流電容的電壓值，當直流電容的電壓值達到設(shè)定值后就切除預(yù)充電回路。

直流電容充電計算公式如下，

式中：Uc——直流電容電壓，V;Us——直流源電壓，V;C——直流環(huán)節(jié)總電容，F(xiàn);R——充電電阻阻值，Ω;t ——充電時間s。

乘積RC為時間常數(shù)，用τ表示，單位為s。工程上一般認為電容經(jīng)過5τ時間充電完成【2】。PSM高壓直流電源用戶允許的充電時間最長為5s。值得注意的是，上述公式中是直流源Us給電容充電，而PSM高壓直流電源是交流輸入經(jīng)整流橋整流后給電容充電，充電速度小于直流源，充電時間為5τ的K倍左右，系數(shù)K的具體數(shù)值可以通過仿真對比來確定。由圖2所示，交流輸入經(jīng)過整流橋整流后給電容充電，充電時間大致為直流充電的5倍，系數(shù)K可以取值5。

PSM高壓電源充電時間為5s，因此可以計算出PSM高壓電源充電電阻的阻值：

式中：R——充電電阻阻值，Ω;t ——允許的充電時間，此處為5s;K——交流充電時間換算系數(shù)，此處為5;C——直流環(huán)節(jié)總電容，F(xiàn)。

PSM高壓直流電源是由若干數(shù)量的相同拓撲結(jié)構(gòu)的直流電源模塊串聯(lián)組成。每只電源模塊可以輸出直流電壓2KV，如果PSM高壓直流電源需要輸出直流電壓80KV，就需要至少40只電源模塊串聯(lián)，考慮到電源系統(tǒng)冗余設(shè)計，一般設(shè)計42只電源模塊串聯(lián)。如果預(yù)充電回路按照上述設(shè)計，每只電源模塊內(nèi)有一套預(yù)充電回路，那么整個PSM電源的預(yù)充電回路就有42套，數(shù)量多，器件成本高，而且需要考慮可靠性。因此，需要將42套電源模塊的預(yù)充電回路設(shè)計在PSM電源的總輸入端。輸出電壓80KV的PSM高壓直流電源原理圖如圖3所示。其中，KM1為主回路接觸器;KM2為預(yù)充電回路接觸器;R1-R3為預(yù)充電電阻;U1-U42為PSM直流電源模塊。PSM高壓直流電源前端輸入為10KV交流，經(jīng)過整流變壓器的降壓變換后作為電源模塊的輸入。整流變壓器副邊為42套單相繞組，每套副邊繞組作為電源模塊的輸入。

將預(yù)充電回路從電源模塊換算到PSM電源輸入端的公式如下所示：

式中：R——充電電阻阻值，Ω;Rmod——PSM電源模塊充電電阻阻值，Ω;N——變壓器原邊每相對應(yīng)的副邊繞組數(shù)，此處為14;U2——變壓器副邊每相電壓，V;U1——變壓器原邊每相電壓，V。t ——充電時間，s;p——充電電阻瞬時功率，W。

選用預(yù)充電電阻時，預(yù)充電電阻的關(guān)鍵參數(shù)應(yīng)滿足以下要求：

電阻≤R，沖擊功率>電阻選型功率>平均功率。

實例計算：PSM電源輸入電壓10KV，副邊每相1.5KV，每只電源模塊直流電容1500uF。

預(yù)充電電阻阻值選定為400Ω。

預(yù)充電回路接觸器按此電流選型。

預(yù)充電電阻的功率，按工程經(jīng)驗，取值0.1倍沖擊功率，此處取值25KW。

3結(jié)論

預(yù)充電電阻的可靠性關(guān)系到PSM高壓直流電源的正常運用，本文利用計算公式和電氣仿真軟件對預(yù)充電電阻的參數(shù)模擬計算和量化分析，依據(jù)仿真結(jié)果作為預(yù)充電電阻的技術(shù)規(guī)范和選型依據(jù)，達到了經(jīng)濟性、可靠性的目的。預(yù)充電電阻相關(guān)參數(shù)根據(jù)本文討論的計算方法完成設(shè)計選型，經(jīng)過電源長期運行測試后，已批量使用，性能穩(wěn)定。

參考文獻：

[1]徐偉東，宣偉民，姚列英，等. 基于PSM技術(shù)高壓脈沖電源的模擬試驗[J ]. 電工技術(shù)學(xué)報，2008，23（1）：1102113.

[2]邱關(guān)源，電路[M ]. 北京：高等教育出版社，2010.

[3]王兆安，黃俊. 電力電子技術(shù)[M ]. 北京：機械工業(yè)出版社，2000.