基于电流互感器的高比容量低耗电流器控制

基于电流互感器的高比容量低耗电流器控制

0ct供电技术传统的电磁式电流控制器受到非线性和磁饱和等因素的限制，测量范围较窄。光电式电流互感器(OECT)以其无磁饱和、测量范围宽、抗电磁干扰能力强、传输距离远等优点受到了人们的广泛关注[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27]，被公认为是电磁式电流互感器的理想替代产品。其中，有源OECT由于采样精确度较高，性能较稳，结构简单，便于工业化生产，是目前研究和应用的重点[9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27]。对于有源OECT来说，为了确保高压侧电路的正常工作，解决高压侧电路的供电问题是有源OECT研究中的难点和关键技术[9,10,22,23,24,25]。常见的供电方式主要有激光供电、电流互感器(CT)供电、太阳能供电、蓄电池供电及超声波供电等，其中有实用化前途的有：激光供电、CT供电和太阳能供电。在这3种供电方式中，目前较多采用激光供电和CT供电。激光供电的优点是电源能量供给稳定，不受母线电流大小影响，但受激光输出功率、光电池转换效率低的影响，该方法提供的能量有限。另外，高功率半导体激光器的光源寿命较短，远小于电力系统要求的电流互感器寿命以及温度对激光器输出波长和光电池的转换效率影响大、高功率激光器的昂贵价格等，也是目前阻碍该供电方式实用化进程的关键因素。CT供电的优点是电源结构简单、成本低廉，面临的困难是适应母线电流变化的动态范围不足：(1)存在供电死区，当母线电流较低时，难以为高压侧电路提供稳定电压；(2)供电电源的热耗随母线电流增大而增大，难以适应母线电流大的情况。但是，如果能在解决CT供电的动态范围上取得突破，那么其优势明显。目前，为了降低CT供电的死区，人们通过降低高压侧电路的功耗、改进CT供电用铁心材料，如采用导磁率高的铁基纳米晶材料构造铁心，已经可以在3A以上的母线电流下取得稳定的电压输出；为了提高CT供电适应母线电流的上限，人们设计了CT供电的多种控制电路来降低电源的热耗，关于这方面的技术细节，近几年国内报道较多，国外报道很少。已报道的CT供电的控制电路主要采用反馈控制式和斩波控制式，反馈控制式是利用控制磁通的方法，通过调节半导体开关的分流大小实现供电电源输出稳定电压；斩波控制式是直接利用半导体开关的开通与关断的时间比例来控制供电电源整流滤波器的平均输入电流，实现供电电源输出稳定电压。由于它们都不具有根据电源CT(即“供电用的CT”)次级电流大小调节电源CT变比的功能,使供电电源的热耗始终随母线电流增大而增大,无法兼顾电流动态范围的下限和上限,若要提高上限值,则必须增大电源CT的变比,从而导致下限值提高,所以CT供电适应母线电流的动态范围仍然较小,大约为3～1000A(实际上,电源的热耗在母线电流为几百安时已经相当大,必须有很好的散热措施)。本文将通过电路设计，着重解决现有CT供电存在的电源热耗始终随母线电流增大而增大的问题，扩大CT供电适应母线电流的动态范围，为有源OECT提供稳定可靠的供电电源。1降低电源热耗图1是本文设计的OECT供电电源的原理框图。其中，电源变换与稳压单元由电源CT、固态继电器、整流滤波器、电压取样电路、稳压器、滤波器、基准电压电路I、迟滞比较器I及隔离驱动电路等构成；电源CT变比控制单元由用来测量电源CT次级电流的控制CT、电流/电压转换器、基准电压电路II、迟滞比较器II、继电器J1等构成。在CT供电中，电源的热耗主要来自用于分流的半导体开关，其次是来自整流滤波器和稳压器。为了降低电源的热耗，采取的主要技术措施是：(1)采用固态继电器分流，由迟滞比较器I输出的矩形脉冲控制其工作，使其工作在开关状态，这与工作在线性状态的半导体开关相比，热耗明显降低；(2)整流滤波器中的整流桥采用低管压降的肖特基二极管，并使整流桥的交流输入端与固态继电器并联，由于在固态继电器导通时，整流桥中没有电流通过，因此可明显降低整流桥的热耗；(3)稳压器采用低压差的集成稳压器，并利用迟滞比较器Ⅰ控制它的输入—输出压差在合适的范围内变化，使稳压器的热耗较小。为了减小电源工作的死区，采取的主要技术措施是：一是电源CT铁心选用高磁导率、低铁损的纳米晶合金铁心，二是增大铁心截面积。采取上述措施后，可以在一定程度上降低电源的热耗，扩大CT供电适应母线电流的动态范围。但是，由于作为电源热耗主要来源的固态继电器的导通与关断时间比例随着电源CT次级电流I2的增大而增大，所以在电源CT变比N2/N1不变的情况下，固态继电器的单位时间热耗Q将始终随着母线电流I1的增大而增大，使CT供电难以适用母线电流动态范围大的情况，即式中Uon为固态继电器的导通压降。2.2ct供电时间该单元的作用是根据电源CT次级电流I2的大小改变电源CT变比，使电源CT次级电流始终保持在预先设定的范围内，从而将电源热耗始终限制在允许的范围内，扩大CT供电适应母线电流的动态范围。为此，图1中的电源CT次级设有3个引出端，经继电器J1的常开、常闭触点同电源变换与稳压单元的相关电路相连，同时利用控制CT检测电源CT的次级电流，通过电流/电压转换后控制迟滞比较器II的输出状态，进而控制继电器J1触点的位置，改变电源CT的变比，达到将电源热耗始终限制在允许的范围内，扩大CT供电适应母线电流动态范围的目的。3电源ct变比a在图2中，I21、I22分别为电源正常工作时的电源CT次级电流的下限值和上限值，迟滞比较器II输出状态的转换由与I21、I22对应的电流/电压转换器的输出电压控制，并控制电源CT变比N21、N22与I21、I22对应，因为N1通常为1(以下设N1=1)，所以N21、N22分别等于图1中电源CT次级的线圈a-b和线圈a-c的匝数。另外，根据现场母线电流大小，通过合理选择和控制电源CT变比，可将电源CT的次级电流限制在I22以下，所以图2中的I2>I22的部分用虚线画出。为了防止在切换电源CT变比前后电源CT次级电流超出I21～I22范围和因母线电流波动而频繁切换电源CT变比，N22和N21参数的选取应满足：(1)当电源CT变比由N21切换为N22时，电源CT次级电流(图3中的I2′1)应大于I21；(2)当电源CT变比由N22切换为N21时，CT次级电流(图3中的I2′2)应小于I22。即在图3中，曲线0-e-a-b-c为母线电流I1向增大方向变化时I1与I2之间的关系，曲线c-b-d-e-0为母线电流I1向减小方向变化时I1与I2之间的关系；0-a段对应的电源CT变比为N21,d-c段对应的电源CT变比为N22;I11、I12为在电源CT变比为N21时，与I21、I22相对应的母线电流，I2′1、I2′2为电源CT变比切换时对应的电源CT次级电流，I13为在电源CT变比为N22时，与I22相对应的母线电流。结合上面对图3的说明，由图3可以得到而I21/I11=1/N21，代入式(4)得同理，由图3可以得到由式(5)、式(6)得根据在N22/N2=I22/I21的情况下，I2′1=I21，此时，由式(7)得考虑到式(2)要求，实际上因为现有CT供电方式适应母线电流的动态范围——I12至少为I11的50倍以上，即I22至少为I21的几十倍，所以在满足式(2)要求、保证电源CT变比平稳切换的前提下，通过适当选取N22，可使(I13-I11)/(I12-I11)满足亦即，在CT供电方式中采用控制电源CT变比的方法，可使其适应母线电流的动态范围为现有的20倍以上。4电流对热耗的影响按本文提出的CT供电方案研制的电源样机(输出参数为+5V/60mA、±12V/5mA)，在实验室可提供的电流范围内(0～1600A)进行了实验。实验结果表明：电源在母线电流大于3.5A时始终稳定工作，并且在母线电流为1600A时的热耗低于母线电流为15A时的热耗。受实验条件的限制，没有对电源在母线电流为1600A以上时进行实验，但并不影响本文的分析结果和相关结论。5电源ct变比控制原理现有CT供电难以适应母线电流动态范围大的根本原因在于电源的热耗始终随母线电流增大而增大，提出了一种基于电源CT次级电流大小来控制电源CT变比，扩大电源适应母线电流动态范围的方法；通过合理选择电源CT变比和利用迟滞比较器有效地实现了电源CT变比的平稳切换