大功率实验电源的方案设计、分析、以及讨论

时间:2015-01-30 09:17 来源:杰创立作者:杰创立点击:次

九十年代末，某单位需要大型试验用大功率直流电源。直流电源的要求为：最大电流10000A，最大电1000V，连续可调：输出电压纹波因数不大于2%;动态性能好。为此，对设备技术方案进行大量研究。

技术方案初步探讨直流电源的提供通常有三种方式：

a)直流发电机供电

b)蓄电池组供电

c)整流装置供电

这三种供电方式的优点和缺点都很明显。直流发电机的供电方式，优点是输出电流、电压可以连续调节；输出电压品质高；动态性能良好；质量和可靠性高“。缺点是对于大功率直流电机，输出电压1000V不是常用等级，作为大型非标设备，设备的制造和安装费用非常昂贵，高达数千万元。

蓄电池的供电方式并不常用，原因是设备体积巨大，制造费用高达数千万元；而且寿命短，只有2～3年，使用中的维护复杂。优点是输出电压品质极高，对于直流电源的受电设备很适用。整流装置目前正在大量使用，逐步取代直流发电机。它的控制灵敏、反应快；损耗小、效率高，总效率可达97. 5%，而发电机组效率一般为85%;没有旋转部分，无机械磨损；维护方便；设备制造和维护费用相对较小。它的缺点是过载能力弱，可靠性不高：高次谐波对电网的有损害；电路复杂。

综上所述，最后确定以整流装置作为试验用大功率直流电源。

高压大功率整流装置的基本类

高压大功率整流装置依据其使用的电力电子器件可以分为晶闸管型、GTO晶闸管型、IGBT型、IECT型、IGCT;型、SGCT型等。

依据其控制策略可以分为标量控制型和矢量控制型。

依据其拓扑结构，分为器件串联两电平式、三电平式、功率单元串联多电平式等几种。

高压整流技术

高压整流装置大都以晶闸管作为开关器件，构成三相半波或是三相桥式可控整流电路。这种方式由于采用晶闸管作为开关器件，所以其功率可以比较大。但是其输入谐波和功率因数较差。

近年来，也有采用IGBT等全控型器件作为开关器件，但由于全控型器件的耐压较低，串联均压等问题不易解决，所以这种方式在高压大功率整流领域应用还不普遍。

电流源型高压整流技术

电流源型高压整流装置，采用大电感作为滤波器件，所以其输出呈现恒流源性质，故称之为电流源型。

电流源型高压整流装置由于直流环节大电感的电流不能突变，所以当出现负载短路、产品内部局部短路、晶闸管击穿等问题时有充裕的时间进行电流保护，可靠性较高。

两电平电压源型高压整流技术

在高压整流中，白于输入的交流电压幅值较高，而电力电子器件的耐压不足，所以这种方式常常要采用电力电子器件串联的方式，串联器件的动、静态均压是这种方式的关键技术问题。

功率单元串联式多电平高压整流技术高压整流技术

功率单元串联式多电平高压整流装置的输入端设置一台输入隔离变压器，将输入高压交流电变成夺组低压交流电，每组低压交流电分别输入到一个功率单元，经整流滤波后成为直流。为减小输入谐波，变压器的每个二次绕组的相位依次错开一个电角度，形成多脉波、多重化整流方式。这种方式采用低压器件实现高压输出，器件无需串联，输入输出谐波非常小。是一种很优秀的高压整流方案，国内的高压整流厂家大都采用此种技术方案。

高压大功率整流装置的常用器件及其分类数据

大功率整流装置的电子器件，从20世纪50年代以来，已经发展了不同类型的器件，并大致可以按照控制程度、载流子类型、集成度或按芯片材料等方法进行分类。

电力电子器件的分类

开关状态可控型：半控型、控制J可控制性、不控型

高压整流装置中，常用的电力电子器件主要有电力二极管、晶闸管、GTO晶闸管、IGBT、IGCT等。电力二极管没有控制极，属于不控型器件；晶闸管属于半控型器件；而上述其他能用控制信号对器件的导通与关断进行控制的器件称为全控型器件。

大功率直流电源的方案设计是要经过一系列论证、分析、比较和优化后，最终成功完成。