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一种脉冲电流工况下晶闸管缓冲电路的优化方法

仝玮 李华 傅鹏 王琨 MahmoodUl Hassan 宋执权

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一种脉冲电流工况下晶闸管缓冲电路的优化方法

    作者简介: 仝 玮(1993-),男,博士研究生,从事聚变电源失超保护系统研究;tongwei@ipp.ac.cn.
    通讯作者: 宋执权, zhquansong@ipp.ac.cn
  • 中图分类号: TM135

A parameter optimization method of snubber circuit of thyristor under pulse current working condition

    Corresponding author: Song Zhiquan, zhquansong@ipp.ac.cn
  • CLC number: TM135

  • 摘要: 对脉冲工况下超导磁体失超保护系统的晶闸管阀组缓冲回路参数进行设计和优化。基于晶闸管反向恢复电流的指数衰减模型建立了晶闸管关断时刻的电流数学模型。通过测试实验获得关键参数之间的关系并结合晶闸管性能及系统要求在Matlab中建立晶闸管电流反向恢复模型。考虑关断时刻电流下降率、反向恢复电压峰值等性能指标要求及回路研制费用,提出了一种脉冲工况下晶闸管缓冲回路的参数设计及优化方法。在Matlab中搭建失超保护系统模型,对比优化前后缓冲回路对系统在晶闸管关断时刻电气性能的影响,仿真结果显示,相比于原参数,最优参数下,反向恢复电压峰值降低了11%,反向恢复电压变化率峰值降低了43%。同时,回路制造成本降低为原先的1/7。
  • 图 1  人工过零型失超保护系统换流过程

    Fig. 1  Simplified commutation diagram of quench protection system (QPS)

    图 2  指数型模型波形图

    Fig. 2  Exponential function model

    图 3  脉冲工况下晶闸管测试实验电路图

    Fig. 3  Test circuit for thyristor reverse recovery characteristic

    图 4  等效电路图

    Fig. 4  Equivalent circuit diagram of snubber circuit during the reverse recovery process

    图 5  反向恢复电压峰值随CsRs变化趋势

    Fig. 5  Peak value of Vdmax under various set of Rs and Cs.

    图 6  反向恢复电压变化率峰值随CsRs变化趋势

    Fig. 6  Peak value of dVd/dt under various set of Rs and Cs

    图 7  dVd/dtmaxRs的变化趋势

    Fig. 7  Peak value of dVd/dt as a function of Rs

    图 8  反向恢复电压变化率峰值随CsRs变化趋势

    Fig. 8  Peak value of Vd as a function of Rs and Cs

    图 9  反向恢复电流电压波形对比

    Fig. 9  Comparison of reverse recovery current and voltage waveforms

    表 4  电气参数对比

    Table 4  Comparison of electrical parameters

    optimum parametersPractical parameters
    IRM /A)1 8151 835
    (di/dt)0/(A·s-1)309×106307×106
    vdmax/V6 1686 960
    (dVd/dt)max /(V·µs-1)3 5986 285
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    表 1  晶闸管反向恢复过程中电气参数数据

    Table 1  Specific characteristics of thyristor during reverse recovery process

    charge voltage/VIp/AIRM/Adi/dt/ (A·µs−1)Qrr/µC
    1 000 6 622 895 37.10 8 057.3
    1 500 9 935 967 50.96 8 412.8
    2 000 13 250 1 100 76.54 9 049.2
    2 500 16 560 1 206 97.41 9 568.7
    3 000 19 880 1 330 121.22 10 153.0
    3 500 23 190 1 402 135.97 10 505.4
    4 000 26 500 1 523 160.26 11 076.2
    4 500 29 810 1 627 179.44 11 517.1
    5 000 33 160 1 738 198.98 11 962.4
    5 500 36 480 1 846 221.88 12 471.5
    6 000 39 790 1 915 238.76 12 849.6
    6 500 43 090 2 014 256.90 13 244.7
    7 000 46 380 2 132 279.01 13 715.9
    7 500 49 880 2 230 298.37 14 122.1
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    表 2  RC缓冲回路设计要求

    Table 2  Design specification of RC snubber circuit for QPS in LSTF

    symbolparametervalue
    L/µHexternal inductance25
    VdRM, VRRM/Vmax. repetitive peak forward and reverse blocking voltage of chosen thyristor5 200
    dVd/dtcrit/(V·µs-1)critical rate of rise of commutating voltage of chosen thyristor(di/dt=500 A/µs, Tvj=125 ℃)3 000
    IRM/Apeak value of reverse recovery current (di/dt=500 A/µs, Tvj=125 ℃)1 825.7
    NSthyristor series number2
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    表 3  RC的最优参数及对应的电压特性

    Table 3  The optimum Rs, Cs and corresponding circuit parameters

    symbolparametervalue
    RsSnubber Resistance11.3
    Cs/μFSnubber Capacitance0.8
    Vdmax/VMaximum Reverse Recovery Voltage6 210
    (dVd/dt)max/(V·μs−1)Maximum Vd change rate3 600
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-31
  • 录用日期:  2019-10-29
  • 网络出版日期:  2019-11-07
  • 刊出日期:  2020-02-01

一种脉冲电流工况下晶闸管缓冲电路的优化方法

    通讯作者: 宋执权, zhquansong@ipp.ac.cn
    作者简介: 仝 玮(1993-),男,博士研究生,从事聚变电源失超保护系统研究;tongwei@ipp.ac.cn
  • 1. 中国科学院 等离子体物理研究所,合肥 230031
  • 2. 中国科学技术大学 科学岛分院,合肥 230026

摘要: 对脉冲工况下超导磁体失超保护系统的晶闸管阀组缓冲回路参数进行设计和优化。基于晶闸管反向恢复电流的指数衰减模型建立了晶闸管关断时刻的电流数学模型。通过测试实验获得关键参数之间的关系并结合晶闸管性能及系统要求在Matlab中建立晶闸管电流反向恢复模型。考虑关断时刻电流下降率、反向恢复电压峰值等性能指标要求及回路研制费用,提出了一种脉冲工况下晶闸管缓冲回路的参数设计及优化方法。在Matlab中搭建失超保护系统模型,对比优化前后缓冲回路对系统在晶闸管关断时刻电气性能的影响,仿真结果显示,相比于原参数,最优参数下,反向恢复电压峰值降低了11%,反向恢复电压变化率峰值降低了43%。同时,回路制造成本降低为原先的1/7。

English Abstract

  • 当超导磁体由层间摩擦等原因使得导体电阻值的上升时,磁体电流将在导体内产生大量的焦耳热,从而导致磁体温度急剧上升,对超导磁体造成不可逆的破坏[1]。这种超导磁体由超导态向阻态转变的过程被定义为超导磁体的失超。失超保护系统的作用是当磁体发生失超时,利用大电流直流断路器、换流技术及大功率移能电阻将磁体中的能量迅速转移并释放。这对超导磁体的保护有着极其重要的意义[2-3]。中国科学院等离子体物理研究所计划建设的大功率超导测试平台中的失超保护系统应用了先进的人工过零换流技术[4]。其换流支路中的晶闸管阀组控制脉冲电流的导通,决定了直流断路器关断的可靠性和成功率。由于整个系统及线路的杂散参数的存在,在晶闸管关断的瞬间将在其两端产生很高的关断过电压。一旦晶闸管阀组无法正常工作,整个失超保护系统运行的稳定性会受到严重的影响[5-7]

    目前降低晶闸管关断时反向过电压最有效的方法是在其两端并联RC缓冲电路降低过电压。然而,参数的不匹配不仅会大大增加回路的研制成本,还将使其过电压保护能力大打折扣,甚至会增加晶闸管关断失败的概率。本文首先对失超保护系统的动作过程及晶闸管的运行工况进行了描述和分析。为了建立有效的晶闸管模型以对其关断过程进行仿真,对中车时代MKPE 330-052晶闸管进行了脉冲放电测试实验,得到电流下降率、反向恢复电荷及反向恢复电流峰值与通态脉冲电流峰值之间的关系。基于实验结果,在Matlab仿真平台上搭建了系统电路模型,根据晶闸管的性能手册及系统要求提出了一套缓冲回路参数的优化方法。仿真结果表明:对比原缓冲回路参数,通过该优化方法得到的参数可使晶闸管反向过电压降低11%,反向电压变化率降低43%,同时造价降低为原造价的1/7。

    • 图1为人工过零型失超保护系统换流过程简化图。其中:C为脉冲电容;L为脉冲电抗器;T为晶闸管阀组;BPS为机械开关;VCB为真空开关;DR为泄能电阻。磁体正常运行时,主回路BPS处于闭合状态并长期流过数十kA的超导磁体电流,此时TCL支路处于断开状态。当超导磁体发生失超时,BPS开关断开,换晶闸管阀组T闭合,磁体电流从BPS支路转移至TCL支路中。当BPS恢复阻断性能后,晶闸管阀组T断开,磁体电流最终转移至泄能支路中,并将其中的能量在泄能电阻DR中消耗[8-9]

      图  1  人工过零型失超保护系统换流过程

      Figure 1.  Simplified commutation diagram of quench protection system (QPS)

      晶闸管阀组的工作可靠性对失超保护系统有着重要的地位。一旦阀组关断失败,VCB将无法使磁体电流换流至泄能电阻。这将导致磁体因焦耳热累积使其温度过高,遭受不可逆的损坏。晶闸管的反向恢复特性是导致其关断失败甚至永久失效的主要原因。缓冲电路用于降低晶闸管两端的过电压。因此对缓冲回路的参数进行合理的设计和优化是非常有必要的。

    • 晶闸管的基区具有低掺杂、大注入的特点,在导通过程中,其内部充斥着大量的载流子。当晶闸管被施加反向电压被强制关断时,正向电流逐渐衰减到零。但残余的载流子并不能立即消失,晶闸管短时间内仍然保持导通,电流过零后继续反向流通。随后,晶闸管恢复阻断能力,反向电流迅速下降,从最大值衰减至稳定的漏电流[10]。在此过程中由于di/dt极大,在系统杂散电感上将会产生极高的过电压。这个过程就是晶闸管的反向恢复过程。

      目前,对于晶闸管反向恢复过程最常用的分析模型有以下三种:突然截止型模型、指数型模型和双曲模型[11]。突然截止模型是反向假定恢复电流达到峰值时,晶闸管突然完全截止,相当于开路。这种分析方法对于求解等效电路的微分方程十分便利。然而,大多数晶闸管的恢复过程都是“软恢复”,反向恢复电流不会突然截止。因此,对于反向恢复过程的描述必须有时间参数的考虑。其简化电流波形如图2所示,反向恢复电流表达式为

      图  2  指数型模型波形图

      Figure 2.  Exponential function model

      ${i_r}(t) = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} { - t\dfrac{{{\rm{d}}i}}{{{\rm{d}}t}},}&{{t_0} < t < {t_1}}\\ { - {I_{{\rm{RM}}}}{{\rm{e}}^{ - \frac{{t - {t_1}}}{\tau }}},}&{{t_1} \le t \le {t_2}} \end{array}} \right.$

      (1)

      式中:IRM为反向恢复电流峰值;τ为时间常数。指数函数很好地模拟反向恢复电流,相比于突然截止模型,指数函数模型所描述的反向恢复电流更加准确。同时,利用计算机进行数值计算可以很好地解决微分方程组求解繁琐的问题。

    • 公式(1)中,di/dt取决于外电路的杂散参数。一旦IRM已知,反向电流峰值时间t1就可以求得。因此,求解反向恢复电流的关键在于IRM与时间常数τ。反向恢复电荷Qrr与时间常数的关系如下

      ${Q_{{\rm{rr}}}} = {Q_{\rm{d}}} + {Q_{\rm{j}}} = \frac{{{I_{{\rm{RM}}}^2}}}{{2\dfrac{{{\rm{d}}i}}{{{\rm{d}}t}}}} + {I_{{\rm{RM}}}}\tau $

      (2)

      式中:QdQj分别为定义的两部分电荷。求解方程(2)可得

      $\tau = \frac{{{Q_{{\rm{rr}}}}}}{{{I_{{\rm{RM}}}}}} - \frac{{{I_{{\rm{RM}}}}}}{{2{\rm{d}}i/{\rm{d}}t}}$

      (3)

      在反向恢复过程中,Qrr不仅仅与脉冲电流的峰值Ip有关,还与电流过零点的di/dt有关。通过晶闸管脉冲工况测试结果可知,di/dtIp存在线性关系。实验电路、实验结果及di/dtIp关系曲线见图3表4图3C=1.11 mF,L=25 µH,Rdc=1 mΩ。

      图  3  脉冲工况下晶闸管测试实验电路图

      Figure 3.  Test circuit for thyristor reverse recovery characteristic

      表 4  电气参数对比

      Table 4.  Comparison of electrical parameters

      optimum parametersPractical parameters
      IRM /A)1 8151 835
      (di/dt)0/(A·s-1)309×106307×106
      vdmax/V6 1686 960
      (dVd/dt)max /(V·µs-1)3 5986 285

      表 1  晶闸管反向恢复过程中电气参数数据

      Table 1.  Specific characteristics of thyristor during reverse recovery process

      charge voltage/VIp/AIRM/Adi/dt/ (A·µs−1)Qrr/µC
      1 000 6 622 895 37.10 8 057.3
      1 500 9 935 967 50.96 8 412.8
      2 000 13 250 1 100 76.54 9 049.2
      2 500 16 560 1 206 97.41 9 568.7
      3 000 19 880 1 330 121.22 10 153.0
      3 500 23 190 1 402 135.97 10 505.4
      4 000 26 500 1 523 160.26 11 076.2
      4 500 29 810 1 627 179.44 11 517.1
      5 000 33 160 1 738 198.98 11 962.4
      5 500 36 480 1 846 221.88 12 471.5
      6 000 39 790 1 915 238.76 12 849.6
      6 500 43 090 2 014 256.90 13 244.7
      7 000 46 380 2 132 279.01 13 715.9
      7 500 49 880 2 230 298.37 14 122.1

      因此,Qrr关于di/dtIp的关系式可以被简化为仅与di/dt有关,其表达式如下

      ${Q_{{\rm{rr}}}} = {a_0} + {a_1}\Bigg(\frac{{{\rm{d}}i}}{{{\rm{d}}t}}\Bigg) + {a_2}{\Bigg(\frac{{{\rm{d}}i}}{{{\rm{d}}t}}\Bigg)^2} + \cdot \cdot \cdot $

      (4)
    • 为了更好地理解缓冲电路的工作原理,在失超保护系统中,对缓冲电路工作的瞬态进行了一系列的推导和研究。其推导结果同时也对后续参数的优化起到了很大的帮助[12]。在磁体电流换流开始前,充电电容预充电7500 V。考虑到充电电压相对较高且换流时间极短,充电电容可用7500 V直流电压源进行等效。另外,由于超导磁体电感高达H级,因此可将其等效为100 kA直流电流源。对于晶闸管反向恢复过程中流过的电流用受控电流源进行等效。等效后的电路如图4所示。

      图  4  等效电路图

      Figure 4.  Equivalent circuit diagram of snubber circuit during the reverse recovery process

      根据第2.2节分析,当得到脉冲电流峰值Ip及di/dt的值后,Qrr就可以根据表达式(4)求出。此时,电流表达式的微分方程如下,其中,U为系统两端电压。

      $L\frac{{{\rm{d}}i}}{{{\rm{d}}t}} + {R_{{\rm{dc}}}}i + (i - {i_{\rm{r}}}){R_{\rm{s}}} + \frac{1}{{{C_{\rm{s}}}}}\int {(i - {i_{\rm{r}}})} {\rm{d}}t = U$

      (5)

      将反向恢复电流指数模型代入公式(5),可得

      $\frac{{{\rm{d}}^{2}}i}{{\rm{d}}{{t}^{2}}}+\frac{{{R}_{{\rm{dc}}}}+{{R}_{{\rm{s}}}}}{L}\frac{{\rm{d}}i}{{\rm{d}}t}+\frac{1}{L{{C}_{{\rm{s}}}}}i=\Bigg(\frac{1}{L{{C}_{{\rm{s}}}}}-\frac{{{R}_{{\rm{s}}}}}{L\tau }\Bigg){{I}_{{\rm{RM}}}}{{{\rm{e}}}^{-{}^{t}\!\!\diagup\!\!{}_{\tau }\;}}$

      (6)

      ξ=(Rdc+Rs)/2L${{\omega }_{0}}=1/\sqrt{L{{C}_{{\rm{s}}}}}$p=ξ/ω后,将式(6)简化后,可得

      $\frac{{{{\rm{d}}^2}i}}{{{\rm{d}}{t^2}}} + 2\xi \frac{{{\rm{d}}i}}{{{\rm{d}}t}} + \omega _0^2i = \Bigg(\omega _0^2 - \frac{{{R_{\rm{s}}}}}{{L\tau }}\Bigg){I_{{\rm{RM}}}}{{\rm{e}}^{-{}^{t}\!\!\diagup\!\!{}_{\tau }\;}}$

      (7)

      根据电路中缓冲电阻、缓冲电容的不同,电路的震荡可分为欠阻尼、过阻尼和临界阻尼三种震荡形式。三种不同形式对应的电流i、反向恢复电压电压Vd及反向恢复电压电压变化率dVd/dt如下,其中iUn为欠阻尼震荡电流,iOv过阻尼震荡电流,iCri临界阻尼震荡电流。

      (1)欠阻尼震荡(${{\xi }} < {{\omega }_{0}}$

      ${i_{Un}}(t) = ({A_1}\cos {\omega _{r1}}t + {A_2}\sin {\omega _{r1}}t){{\rm{e}}^{ - \xi t}} + K{{\rm{e}}^{ - t/\tau }}$

      (8)

      其中

      $K = \frac{{\tau (\tau - {R_{\rm{s}}}{C_{\rm{s}}})}}{{L{C_{\rm{s}}} - \tau {C_{\rm{s}}}({R_{{\rm{dc}}}} + {R_{\rm{s}}}) + {\tau^2 }}}{I_{RM}}$

      (9)

      ${\omega _{r_1}} = \sqrt {{\omega_0 } - {\xi^2 }} $

      (10)

      $\left\{ \begin{array}{l} {A_1} = {I_{{\rm{RM}}}} - K \\ {A_2} = \dfrac{{{U / L} + {K /\tau } + \xi ({I_{{\rm{RM}}}} - K)}}{{{\omega _{\rm{r}}}}} \\ \end{array} \right.$

      (11)

      $ \begin{array}{l} {V_{{\rm{d}}\_Un}} = U - L\dfrac{{{\rm{d}}i}}{{{\rm{d}}t}} - {R_{{\rm{dc}}}}i = U + \left\{ {[(L\xi - {R_{{\rm{dc}}}}){A_1} - L{\omega _{\rm{r}}}{A_2}]\cos {\omega _{{\rm{r}}1}}t + } \right.\\ \quad \quad \quad\left. {[L{\omega _{{\rm{r}}1}}{A_1} + (L\xi - {R_{{\rm{dc}}}}){A_2}]\sin {\omega _{r1}}t} \right\}{{\rm{e}}^{ - \xi t}} + K\Bigg(\dfrac{L}{\tau } - {R_{{\rm{dc}}}}\Bigg){{\rm{e}}^{ - t/\tau }} \end{array} $

      (12)

      (2)过阻尼震荡(${{\xi }} > {{\omega }_{0}}$

      ${i_{Ov}}(t) = ({B_1}{{\rm{e}}^{{\omega _{\rm{r}}}t}} + {B_2}{{\rm{e}}^{ - {\omega _{\rm{r}}}t}}){{\rm{e}}^{ - \xi t}} + K{{\rm{e}}^{ - t/\tau }}$

      (13)

      其中

      ${\omega _{{\rm{r}}2}} = \sqrt {{\xi ^2} - {\omega _0}^2} $

      (14)

      $\left\{ \begin{array}{l} {B_1} = \dfrac{{(\xi + {\omega _{{\rm{r}}2}})({I_{RM}} - K) + {U / L} + {K /\tau }}}{{2{\omega _{{\rm{r}}2}}}} \\ {B_2} = - \dfrac{{{{(\xi - {\omega _{\rm{r}}})({I_{RM}} - K) + U} / L} + {K / \tau }}}{{2{\omega _{{\rm{r}}2}}}} \\ \end{array} \right.$

      (15)

      $\begin{array}{l} {V_{{\rm{d}}\_{\rm{Ov}}}} = U - [{B_1}(L{\omega _{{\rm{r}}2}} - L\xi + {R_{{\rm{dc}}}}){{\rm{e}}^{{\omega _{{\rm{r}}2}}t}} - {B_2}(L{\omega _{{\rm{r}}2}} + L\xi - {R_{{\rm{dc}}}}){{\rm{e}}^{ - {\omega _{{\rm{r}}2}}t}}]{{\rm{e}}^{ - \xi t}} + K\Bigg(\dfrac{L}{\tau } - {R_{{\rm{dc}}}}\Bigg){{\rm{e}}^{ - t/\tau }} \\ \end{array} $

      (16)

      (3)临界阻尼震荡(${{\xi }} ={{\omega }_{0}}$)

      ${i_{Cri}}(t) = ({C_1} + {C_2}t){{\rm{e}}^{ - \xi t}} + K{{\rm{e}}^{ - t/\tau }}$

      (17)

      其中

      $\left\{ \begin{array}{l} {C_1} = {I_{RM}} - K \\ {C_2} = \dfrac{U}{L} + \dfrac{K}{\tau } + \xi ({I_{RM}} - K) \\ \end{array} \right.$

      (18)

      $ {V_{{\rm{d\_Cri}}}} = U - [L{A_2} + ({R_{{\rm{dc}}}} - L\xi )({A_1} + {A_2}t)]{{\rm{e}}^{ - \xi t}} + K\Bigg(\frac{L}{\tau } - {R_{{\rm{dc}}}}\Bigg){{\rm{e}}^{ - t/\tau }}$

      (19)
    • 缓冲回路的参数设计与优化取决于其晶闸管的工作环境(包括反向恢复过程中的外部电感、电压和关断瞬间的电流变化率)和晶闸管本身的性能。根据超导测试平台失超保护系统的设计要求以及晶闸管性能参数表,可以确定RC缓冲回路的参数设计要求,见表2,其中Tvj为晶闸管结温。

      表 2  RC缓冲回路设计要求

      Table 2.  Design specification of RC snubber circuit for QPS in LSTF

      symbolparametervalue
      L/µHexternal inductance25
      VdRM, VRRM/Vmax. repetitive peak forward and reverse blocking voltage of chosen thyristor5 200
      dVd/dtcrit/(V·µs-1)critical rate of rise of commutating voltage of chosen thyristor(di/dt=500 A/µs, Tvj=125 ℃)3 000
      IRM/Apeak value of reverse recovery current (di/dt=500 A/µs, Tvj=125 ℃)1 825.7
      NSthyristor series number2

      优化方法如下:

      第一步:根据晶闸管阀组反向恢复过程实验数据,利用公式(4)和(5)求出IRMτ的值。

      第二步:根据第3节的瞬态分析结果,利用Matlab仿真软件对反向恢复电压峰值Vdmax和反向恢复电压变化率dVd/dt的表达式进行处理,得到不同缓冲电容Cs和缓冲电阻Rs组合下Vdmax和dVd/dt的最大值。在本失超保护系统工况下,晶闸管选用株洲中车MKPE 330-052型晶闸管。失超保护系统回路中V=7500 V, L=25 µH,Rdc=0.05 Ω,将第一步计算结果IRM=1825.7 A,τ=7.9×10-6代入公式(3)中可得QrrIRM的表达式为

      ${Q_{{\rm{rr}}}}(\mu C) = - 0.0062 \times {({\rm{d}}i/{\rm{d}}t)^2} + 41.532 \times ({\rm{d}}i/{\rm{d}}t) + 7564.3$

      (20)

      ${I_{{\rm{RM}}}}(kA) = 0.0045 \times ({\rm{d}}i/{\rm{d}}t) + 0.42$

      (21)

      Matlab仿真计算结果如图5图6所示,图5中,随缓冲电容和缓冲电阻值的增大,反向恢复电压峰值Vdmax持续下降。同时,由图6可以看出反向恢复电压变化率与缓冲电容值无关,仅随缓冲电阻值的增大而增大。

      图  5  反向恢复电压峰值随CsRs变化趋势

      Figure 5.  Peak value of Vdmax under various set of Rs and Cs.

      图  6  反向恢复电压变化率峰值随CsRs变化趋势

      Figure 6.  Peak value of dVd/dt under various set of Rs and Cs

      根据表2要求及MKPE330-052性能参数表可知,晶闸管临界反向恢复电压为5200 V, 临界电压变化率为2500 V/µs。考虑到安全裕度,选用4只晶闸管并联方式组成阀组。图7为(dVd/dtmaxRs的变化趋势图,由图可知,Cs的变化对Vd的峰值有显著的影响。然而,当Cs的值逐渐增大,影响开始减弱。此外,存在一个Rs的值,使得在该阻值下Vd的峰值最小。根据图8可知,dVd/dt的峰值与Rs的值成正比关系,同时受Cs的影响较小。

      图  7  dVd/dtmaxRs的变化趋势

      Figure 7.  Peak value of dVd/dt as a function of Rs

      图  8  反向恢复电压变化率峰值随CsRs变化趋势

      Figure 8.  Peak value of Vd as a function of Rs and Cs

      第三步:为了满足dVd/dt的要求,首先应计算出满足要求条件下最大Rs图7为dVd/dtmaxRs的变化趋势。再根据Vd的要求计算出符合条件的Cs值。图8中红色框区域内为可应用参数。最后,在可应用参数中得到RsCs的最小组合即为最优参数。RC的最优参数及对应的电压特性如表3所示。

      表 3  RC的最优参数及对应的电压特性

      Table 3.  The optimum Rs, Cs and corresponding circuit parameters

      symbolparametervalue
      RsSnubber Resistance11.3
      Cs/μFSnubber Capacitance0.8
      Vdmax/VMaximum Reverse Recovery Voltage6 210
      (dVd/dt)max/(V·μs−1)Maximum Vd change rate3 600
    • 对比原利用回路电容电感所储存的能量守恒进行缓冲回路参数的设计方法相比,本文所描述的优化方法使缓冲回路的工作效率大大提升。为了验证本文所述优化方法所获得的缓冲回路参数的优越性,在Matlab仿真软件中建立了基于指数模型的晶闸管反向恢复模型,并将其集成与失超保护系统中。将优化后缓冲回路参数与原计划使用参数Rs=20 Ω,Cs=5 µF进行对比。其电流与电压波形如图9所示。关键参数值见表4。通过对比可知,采用优化参数的缓冲回路大大提高了晶闸管阀组运行的可靠性和经济性,相比于原参数,采用最优参数后反向恢复电压峰值Vdmax降低了11%,反向恢复电压变化率峰值(dVd/dtmax降低了43%。同时,对比于原采用的Rs=20 Ω,Cs=5 µF缓冲回路参数,优化后参数Rs=11.3 Ω,Cs=0.8 µF将回路制造成本降低为原先的1/7。

      图  9  反向恢复电流电压波形对比

      Figure 9.  Comparison of reverse recovery current and voltage waveforms

    • 本文提出了一种脉冲工况下晶闸管阀组缓冲电路参数的优化方法。首先对失超保护系统的动作过程及晶闸管的运行工况进行了描述和分析。并建立有效的晶闸管模型来对其关断过程进行建模分析。之后,基于脉冲工况下晶闸管测试实验结果在Matlab仿真平台上搭建了系统电路模型,最后根据晶闸管的性能手册及系统要求提出了缓冲回路参数的优化方法。该优化方法以较低的制造成本满足了晶闸管阀组最高的性能要求,大幅提高了失超保护系统运行的可靠性。仿真对比结果验证了该参数优化方法的可行性和优越性。计划后续将搭建完整的晶闸管阀组反向恢复测试平台,对比不同缓冲回路参数对晶闸管反向恢复过程的影响。并将整体晶闸管阀组加入失超保护系统中进行实验,对比不同缓冲回路参数对系统各部分造成的影响,以进一步验证本脉冲工况下晶闸管阀组缓冲回路参数优化方法的正确性。

参考文献 (12)

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