三相交流調(diào)壓模塊在線性調(diào)壓式恒流源中的應(yīng)用

摘要：某大功率恒流源，其負(fù)載為0.05～0.1Ω的感性或電阻性，輸出電流200～500A連續(xù)可調(diào)，并對(duì)穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度、重復(fù)性、紋波等技術(shù)指標(biāo)均有較高要求。由于采用了三相交流調(diào)壓模塊，使調(diào)整管的管壓降被控制在5～10V范圍內(nèi)，從而使調(diào)整管的數(shù)量成倍地減少，既簡(jiǎn)化了散熱措施，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)布局，而且達(dá)到了提高技術(shù)性能指標(biāo)，增加可靠性的目的。

關(guān)鍵詞：交流調(diào)壓模塊；恒流源；串聯(lián)調(diào)壓式

1引言

某項(xiàng)科研任務(wù)需用上百臺(tái)500A恒流源，要求其有極高的可靠性、穩(wěn)定度和低的紋波。其交流電網(wǎng)電壓340～420V，負(fù)載在0.05～0.1Ω的大范圍內(nèi)變化，電流從200～500A連續(xù)可調(diào)，使用工控機(jī)進(jìn)行控制。

從經(jīng)驗(yàn)和可靠性考慮，確定采用線性串聯(lián)電源方案。為了提高輸出電流穩(wěn)定度，降低紋波以及避免開(kāi)機(jī)瞬間對(duì)濾波電容、調(diào)整管的沖擊，可在三相橋式整流輸出端串接扼流圈。但是，針對(duì)本電源，需要制作500A，mH級(jí)的扼流圈，不僅造價(jià)高、體積大、笨重，需占有較大空間，而且影響裝配結(jié)構(gòu)、布局。能否采用別的技術(shù)而不用扼流圈，則是本課題需要解決的一個(gè)問(wèn)題。

已知負(fù)載電壓最低10V（0.05Ω／200A），最高50V（0.1Ω/500A），負(fù)載電壓的變化由調(diào)整管調(diào)節(jié)，再考慮電網(wǎng)電壓的變化，則調(diào)整管最高工作電壓可達(dá)60V。一般調(diào)整管在高的工作電壓下，其極限功率要下降，有的急劇下降，雖然可以采用變壓器電壓分低、中、高三檔的辦法來(lái)解決，但考慮到負(fù)載通電發(fā)熱阻值變大，電網(wǎng)變化及三檔復(fù)蓋等因素，調(diào)整管的工作電壓仍在20V以上。當(dāng)調(diào)整管管壓降20V時(shí)，其耗散功率為10kW，如何將10kW的功率轉(zhuǎn)換的熱量排散出去，亦是很難解決的問(wèn)題。

為了使恒流源安全可靠工作，擬選功率為300W的調(diào)整管降額到l00W使用，則需100只并聯(lián)，這必然使裝配復(fù)雜，成本增加。

要解決上述問(wèn)題可行的技術(shù)方案很多，經(jīng)比較論證確定選用晶閘管交流調(diào)壓式。

2方案及工作原理

選用淄博市臨淄銀河高技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)的捷普三相交流智能控制模塊作為前級(jí)調(diào)壓?jiǎn)卧懔髟垂ぷ髟硪?jiàn)圖1。

三相交流電經(jīng)斷路器、調(diào)壓模塊、變壓器降壓、三相橋式整流濾波后的直流電壓Vo為恒流源供電。

斷路器起著過(guò)流保護(hù)作用，當(dāng)恒流源失控或負(fù)載短路時(shí)，自動(dòng)切斷電源。

交流調(diào)壓模塊是本方案重要部件，只需外加12V直流電，以手動(dòng)或微機(jī)控制給定信號(hào)電壓，即可改變6只晶閘管的觸發(fā)角，從而改變交流輸出電壓，達(dá)到控制直流電壓Vo的目的。

直流電壓經(jīng)電流取樣，比較放大調(diào)整后輸出穩(wěn)定的電流Io，從線性串聯(lián)電源原理可得：

Vo=Vce＋Vs＋VLVs=IoRsVL=IoRL式中：Vce為調(diào)整管的壓降；

圖1恒流源主電路

Vs為取樣電阻的電壓；

VL為負(fù)載電阻的電壓。

由于Rs<Vo≈Vce＋VL根據(jù)給定的輸出電流Io和負(fù)載RL，調(diào)節(jié)交流模塊控制信號(hào)電壓，使Vce在5～10V范圍內(nèi)變化，則可以成倍地減少調(diào)整管的數(shù)量和耗散功率。

3方案效果分析

用變壓器分檔辦法，調(diào)整管管壓降仍在20V以上，如何將調(diào)整管耗散10kW的熱量排散出去，以往采用水冷或風(fēng)冷散熱器，而且以水冷為主。

采用水冷須另加水冷裝置，不僅裝配工作量大，而且特別是上百臺(tái)恒流源，要用上千根連接水管，易發(fā)生漏水問(wèn)題，如有一處漏水，實(shí)驗(yàn)就無(wú)法進(jìn)行。

采用晶閘管交流調(diào)壓式，使調(diào)整管在較低的電壓下工作，管耗在3.5kW左右，從而使調(diào)整管數(shù)量成倍減少，不僅降低成本，減少工作量，而且管耗成倍降低，只要選擇熱容量大的金屬作為散熱器，并適當(dāng)增加厚度和散熱面積，加強(qiáng)風(fēng)冷，則可以去掉水冷，這是對(duì)恒流源最大的改進(jìn)。

雖然用串聯(lián)扼流圈方式可降低紋波，提高穩(wěn)定度和減輕啟動(dòng)瞬間對(duì)調(diào)整管和濾波電容的沖擊損傷，但500A，mH級(jí)的扼流圈占據(jù)較大空間，影響裝配結(jié)構(gòu)。實(shí)踐證明裝配工藝、布局對(duì)恒流源技術(shù)指標(biāo)有較大影響。采用晶閘管交流調(diào)壓式，可以使裝配結(jié)構(gòu)布局更加合理，從而有利于改進(jìn)和提高恒流源性能指標(biāo)；采用調(diào)壓式可以使移相控制器的控制信號(hào)電壓緩啟動(dòng)，避免啟動(dòng)瞬間對(duì)調(diào)整管和濾波電容的沖擊損傷。因此，采用晶閘管交流調(diào)壓式可以去掉體積大、笨重、造價(jià)高的扼流圈。

采用晶閘管交流調(diào)壓式，變壓器不用分檔，只要改變交流模塊控制信號(hào)電壓就能達(dá)到控制恒流源直流輸出電壓的目的，使調(diào)整管工作在5～10V范圍內(nèi)。

4結(jié)語(yǔ)

采用晶閘管交流調(diào)壓式，去掉水冷和扼流圈，使結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理、工藝規(guī)范，調(diào)試方便，一致性好。同時(shí)對(duì)原取樣電阻也作了較大改進(jìn)，從而使恒流源的性能指標(biāo)有了較大提高，在30s內(nèi)穩(wěn)定度優(yōu)于0.01％，紋波優(yōu)于0.1％(峰值)，重復(fù)性優(yōu)于0.1％。

采用調(diào)壓式，由于調(diào)整管工作在較低的電壓下，性能穩(wěn)定可靠，兩臺(tái)樣機(jī)均做10000次可靠性實(shí)驗(yàn)，無(wú)失誤。

采用調(diào)壓式，優(yōu)化裝配結(jié)構(gòu)布局，裝配維修簡(jiǎn)便，省工省時(shí)。

采用調(diào)壓式，省掉500A，mH級(jí)扼流圈，成倍地減少了大功率調(diào)整管，并去掉了水冷系統(tǒng)，減小了體積，減輕了重量，降低了成本。

不足之處是，三相交流模塊是通過(guò)改變晶閘管的觸發(fā)角進(jìn)行調(diào)壓，再加之變壓器二次又有三相橋式整流，都是諧波源，因此對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染。