姚 波 董紀(jì)圣 王國忠

（浙江方圓電氣設(shè)備檢測有限公司）

0 引言

直流低壓電器產(chǎn)品目前廣泛使用于光伏系統(tǒng)、軌道交通以及各種新型的輸配電系統(tǒng)。其發(fā)展從早期的小型直流斷路器，到小電流塑料外殼式斷路器，再到如今的直流萬能式斷路器，已經(jīng)衍生出各類大電流的直流產(chǎn)品。目前，IEC標(biāo)準(zhǔn)及國標(biāo)，針對直流電器的試驗要求和測試方法近年也在不斷改進(jìn)和完善。

直流斷路器的直流保護(hù)特性試驗及其溫升試驗，是驗證產(chǎn)品能否滿足需要的關(guān)鍵指標(biāo)。直流特性測試一般采用低壓大電流的試驗方法進(jìn)行，主要包含瞬時特性、延時特性及溫升試驗。早期直流產(chǎn)品應(yīng)用的領(lǐng)域較小，產(chǎn)品的額定電流較小，一般僅為額定電流125A及以下。但是由于近些年來直流技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用范圍的越來越廣泛，產(chǎn)品的額定電流已經(jīng)增長非常迅速，塑料外殼式斷路器的額定電流已經(jīng)達(dá)到直流800A，直流萬能式斷路器和直流隔離開關(guān)甚至已經(jīng)達(dá)到了直流4000A。這些對直流試驗設(shè)備提出了更大的要求。

本課題通過采用十二相整流原理，獲得一種紋波系數(shù)小的低壓直流可調(diào)穩(wěn)流電流（注：IEC60947-2：2016的條款8.3.2.2.7規(guī)定電流紋波系數(shù)小于7%）；采用人機(jī)交換的PLC控制方式，采用水冷卻系統(tǒng)，實現(xiàn)了400A～10kA的直流電流的高精度可調(diào)，可滿足直流低壓電器的溫升與特性測試。

1 原國內(nèi)實驗室直流設(shè)備情況

現(xiàn)在國內(nèi)的低壓電器試驗室都比較難以解決直流特性的大電流試驗。國內(nèi)雖然幾家實驗室也有直流大電流的特性設(shè)備，大多數(shù)采用三相橋式整流或高頻整流型式，整流管采用自冷方式和風(fēng)冷方式。由于三相橋式整流方式電流紋波系數(shù)約在5%左右，而高頻整流存在諧波電流問題，因此，本次設(shè)計方案采用十二相整流電路，為提高設(shè)備長時間載流能力，采用獨立的水冷卻系統(tǒng)，用來冷卻大功率整流管。

2 現(xiàn)設(shè)計水冷卻穩(wěn)流電源的特點

目前設(shè)計的設(shè)備，利用水冷的方式降溫，不采用傳統(tǒng)的自然風(fēng)冷或者加裝風(fēng)扇的方案，可以有效節(jié)約體積，有效保護(hù)設(shè)備運行安全；現(xiàn)設(shè)計還規(guī)避了一般實驗室用采用的三相整流或者6相整流的方式，而采用12相整流的方式，輸出波形紋波系數(shù)較小，能夠有效地滿足目前市場上客戶的產(chǎn)品試驗需要；不僅如此，現(xiàn)設(shè)計的水冷電源產(chǎn)品采用了PLC控制技術(shù)及觸摸屏顯示技術(shù)，實現(xiàn)了人機(jī)交換；采用自編軟件的便利性，可實現(xiàn)電流的微調(diào)，電流精度高，從而改變了傳統(tǒng)設(shè)備采用機(jī)械控制和調(diào)節(jié)裝置后，操作不便利且電流精度調(diào)節(jié)不能實現(xiàn)高精度的情況。

3 設(shè)計方案

本設(shè)計實現(xiàn)技術(shù)參數(shù)要求如下。測量電流范圍：400A～10kA；電流精度：±2.5%；穩(wěn)流相對誤差要求：≤1.0%；紋波系數(shù)：≤2.5%。

400A～10kA水冷卻低壓直流可調(diào)節(jié)穩(wěn)流電源，其主電路主要由主控制開關(guān)、兩個交流接觸器、起動限流電阻、一個電動柱式調(diào)壓器、一個電動三相調(diào)壓器、兩個整流變壓器、十二相整流電路、三組直流分流器組成；控制電路由PLC控制器及其外圍繼電器電路組成；通過對直流電流、溫度等信號采集、處理、分析，基于一個穩(wěn)流控制算法，向電動柱式調(diào)壓器和電動三相調(diào)壓器輸出升壓或降壓的控制信號，從而實現(xiàn)直流電流從400A～10kA可隨意設(shè)定，并電流保持恒定輸出一個穩(wěn)流電源。整流管的冷卻系統(tǒng)采用水系統(tǒng)，并對整流管的溫度進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)設(shè)置，當(dāng)整流管的實際溫度超過設(shè)定值，設(shè)備自動切斷電源，實現(xiàn)過溫保護(hù)。主電路電氣原理圖如圖1所示。

圖1中，QF為主控制開關(guān)；KM1、KM2為交流接觸器；R1、R2、R3為起動限流電阻；TP1為電動柱式調(diào)壓器；TP2為電動三相調(diào)壓器；TD、TY為整流變壓器；VD1～VD12為十二相整流電路；FL1、FL2、FL3為直流分流器。

圖1 主電路電氣原理圖

QF控制開關(guān)，為250A塑料外殼式斷路器，起到總電路的保護(hù)和隔離用。KM1、KM2交流接觸器，主要是設(shè)備起動時，防止沖擊電流引起QF跳閘。設(shè)備起動時，通過先接通KM2，KM1斷開，三相交流輸入電源通過限流電阻R1、R2、R3，向電動柱式調(diào)壓器（TP1）和電動三相調(diào)壓器（TP2）供電，限制了起動電流，程控器緊接著輸出斷開KM2，接通KM1的信號，向TP1、TP2全電壓供電，避免設(shè)備起動時的沖擊電流引起QF（250A塑料外殼式斷路器）的跳閘。

電動柱式調(diào)壓器（TP1）和電動三相調(diào)壓器（TP2）；輸出端與兩個整流變壓器（TD、TY）相連接。TP1主要用于粗調(diào)直流輸出電流；TP2主要用于細(xì)調(diào)直流輸出電流。兩個電動調(diào)壓器的電壓調(diào)節(jié)指令，由PLC輸出控制兩個電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)動角位移。

兩個整流變壓器（TD、TY），TD輸入端為三角形接法，TY輸入端為星形接法，TD和TY兩個變壓器，其輸出電壓相同，相位角相差300°，為十二相整流電路提供相位角互差300°的低壓交流電壓。

十二相整流電路（VD1～VD12），由12個大容量整流二極管組成。通過12相整流電路，獲得紋波系數(shù)小于2.5%的直流電流。整流二極管的冷卻，通過水塔自動循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行。設(shè)備開機(jī)時，先自動運行整流二極管的冷卻系統(tǒng)。

三組直流分流器（FL1、FL2、FL3）；其量程分別為2000A、5000A和10000A。分流器FL1、FL2、FL3向PLC輸入模擬信號，通過AD轉(zhuǎn)換器，向PLC控制器輸入電流數(shù)字信號，與設(shè)定值進(jìn)行比較、分析和運算。

控制電路由PLC控制器、控制繼電器電路及人機(jī)界面的顯示屏等組成?？刂评^電器電氣原理圖如圖2所示。

圖2 控制繼電器電氣原理圖

4 設(shè)備校準(zhǔn)測量與獲得的電流波形

研制的直流電源設(shè)備，通過對不同電流量程的校準(zhǔn)，其檢測結(jié)果如表所示。

表 檢測結(jié)果

通過用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對直流電流波形采集，獲得的電流波形如圖3所示。

圖3 電流波形圖

5 結(jié)束語

目前國內(nèi)外直流產(chǎn)品普遍額定電流都已經(jīng)達(dá)到了800A以上，對特性中的過載保護(hù)及溫升保護(hù)的測試要求越來越高，對設(shè)備要求也是與日遞增。本文研制的直流可調(diào)節(jié)穩(wěn)流電源，通過采用水冷卻的方式，具有試驗電流大、精度高電流可調(diào)、紋波系數(shù)低、穩(wěn)定性高特性，該直流電源的研制成功，為大容量直流電器的試驗提供可靠保障。