整流效应试验（精选4篇）
整流效应试验 篇1
0 引言
GB7000.1-2007《灯具-第1部分:一般要求与试验》标准于2009年开始实施, 根据IEC62035光源的安全标准, 可能导致镇流器、变压器或者启动装置过载的某些金属卤化物灯和某些高压钠灯变得不安全, 除GB7000.1-2007标准中附录C中图C.3注2的规定以外, 都应用标准中附录C中图C.3所示的试验电路专门的试验方法进行模拟异常电路验证。这些试验方法包括对试验设备的要求, 作为灯具的检测基础的需要, 要引起足够的关注。
1 试验要求
试验电路见图1所示。
(1) 试验电路的部件要求
(1) D (整流二极管) ——100 A, 600 V。
(2) (可变电阻) ——0~200 (电阻的额定功率至少是光源的1/2) 。
(3) A——电流表
(2) 试验对象要求 (附录中图注)
—额定功率不小于1000 W的高压钠灯。
——设计成直接代替汞灯的高压钠灯。
——由IEC62035识别的寿命终了不易发生整流效应的高压钠灯和金属卤化物灯。
——由光源制造商识别的寿命终了无整流效应危险的其他的高压钠灯和金属卤化物灯 (这种灯具可能仅限于适宜于特殊的光源制造者) 。
2 试验电路分析
根据上述标准规定分析:
(1) R可变电阻要求
我们按灯具1 000 W功率计算:
根据标准提出的可变电阻的额定功率至少是光源的1/2, (按1/2功率计算)
(1) 当我们进行异常状态整流效应试验时 (可变电阻取1/2值) , 根据 (1) 、 (2) 和 (3) 式, 可变电阻的额定电流小于灯具的实际电流。
(2) 见试验电路图1, 当我们按试验电路试验开始时, 在电路中虽然有D (整流二极管) 分流, 但是整流二极管有门槛电阻, 在可变电阻起调 (从0起调) , 可变电阻的阻值在小于整流二极管门槛电阻时, 灯具的实际电流全部流经可变电阻, 可变电阻将严重超载。
(3) 在试验开始后, 将电阻调到需要二倍电流或三倍电流时, 整流二极管是半波整流, 最大分流1/2电流值, 在这样状态下, 电阻满载运行, 容易发热, 不安全。
(4) 高压钠灯和金属卤化物灯的灯具的镇流器是带有铁心的电感镇流器温升有一定的迟后, 况且, 异常状态整流效应试验要求温升的温度到达稳定状态, 所以温升稳定有一定的时间, 这样电阻功率显然不够。
(5) 电阻是一个发热元件, 长时间满载运行肯定发热, 影响阻值的稳定。
(6) 一般被试灯具带有热保护装置, 在温升的温度达到设定值时, 有时候会频繁通断, 这样对一个大功率电感元件来讲, 电压、电流冲击相当大。势必影响到已经满载运行的电阻正常工作。
(2) DD整流二极管) 要求
(1) 大电流运行。
(2) 上述第6条被试灯具会频繁通断, 在大功率电感元件作用下, 存在电压、电流冲击。
(3) 电流表要求
从试验电路图1电路中我们可以看到, 整流二极管和电阻并联, 一部分电流从电阻中流过, 另一部分从整流二极管流过, 故电流表中既有交流电流, 又有整流二极管流出的直流电流。
在电阻为零电流时的电流波形见图2所示。
3 电路元件设计
(1) 可变电阻
从上述可变电阻使用的分析中可以看出, 可变电阻取1/2值时存在不足。据经验推断电阻的功率取值在2~3倍使用功率时较为稳定, 而且发热较少, 阻值也不会变化。假如取值2倍。
方法一:在可变电阻的电流达到10 A时满足使用要求, 但是可变电阻功率达到20 k W功率时体积相当大, 价格不菲。在防通风罩的试验室内也存不下如此庞大的可变电阻。
方法二:为达到可变电阻符合使用要求, 减少体积, 降低成本, 购买阻值较小的可变电阻, 串接固定电阻, 来达到符合标准要求的阻值, 但是, 这样无法做到无级调阻值, 不能满足标准要求, 也不尽理想。
方法三:为可变电阻达到10 A电流使用要求, 又因为使用的电压是固定的, 可变电阻采用以250 V电压, 用在25时能承受10 A电流设计, 在电压固定的条件下, 随着电阻增大承受电流减少的方法进行定制。即在同一瓷管上分别0~32时用能承受10 A电流的电阻丝绕制, 在32~42用能承受8 A电流的电阻丝绕制, 在42~63用能承受6 A电流的电阻丝绕制, 在63~200用能承受4 A电流的电阻丝绕制, 满足连续可调的使用要求。
电阻功率:3=×3=250×10=2.5 k W
从方法三中可以看到10 A电流时, 电阻功率减少到原来的1/8。满足我们需要的0~200连续可调的使用要求, 又减少电阻功率, 减少了体积, 降低了成本。
(2) 整流二极管
从图1中可以看到整流二极管并联在电路中, 随着可变电阻的阻值的变大, 整流二极管的整流效应逐步增大, 电感镇流器中的磁饱和逐步加深, 感抗随磁饱和逐步加深而减少, 随之电流逐步增大, 流经整流二极管电流加大。
通过大电流的整流二极管极易发热, 整流二极管工作时必须加快散热。确保整流二极管正常工作。
试验电路分析第6条中指出, 灯具热稳定时有些灯具保护元件工作时会频繁通断。在大功率电感元件作用下, 高电压、电流冲击整流二极管。故整流二极管的耐压选用可以略微选高一些, 但不宜过高, 耐压过高的整流二极管内阻大, 我们试验的结果是使用整流二极管之间存在差异。
(3) 电流表
电流表是串接电路中的, 从上述分析我们可以知道, 电路中既存在交流又存在直流, 在不同阶段电流状况也不同。
电源输入时的电流波形后见图3所示。
在三倍电流时的电流波形见图4所示。
从图2中知当电流通过镇流器以后, 已经不是我们所见的正弦波, 谐波成分很大, 当加载三倍电流后, 通过试验装置测得电流波形见图4, 所见也不是完整的半波图而是三角波和少量的正弦波迭加, 所以现有的交流电流表或直流电流表都无法正确反映实际电流的状况。实际使用中需要使用交直流电流表才能完整正确测量电流量。
4 试验操作
(1) 试验电路接线
当有了合适的试验器材, 就可以对金属卤化物灯或高压钠灯整流效应试验电路用专门的试验方法进行模拟异常电路验证试验。按图1接线, 见图5所示。
(2) 调整电阻
接通试验电源, 电阻首先调整在0上, 按以往惯例作为负载电阻从大阻值往小调到需要的电流, 但现在从图1的试验线路中电阻值从小往大调。
线路分析从图5中我们可知:
当电阻0时, 由于二极管存在内阻, 电流基本经电阻流过的, 又由于镇流器存在感抗, 此时线路电阻等于感抗 (相当于光源短路, 电流接近镇流器标称值)
(3) 增加阻值
按试验需要要增加电流, 这时逐步调整电阻, 增加阻值, 见图6所示。
从图6中我们可以看出随着电阻增加, 电流出现分流, 一部分按原路经电阻流出, 另一部分电流经二极管流过。
当电流流过整流二极管时电流经过整流, 变成直流, 对带铁芯的电感而言, 直流成分的增加, 电感的磁通量趋向磁饱和, 电流中的交流分量将不能再引起磁通量的变化, 感抗随之下降, 从而引起电流增加。调整电阻, 改变交流分量, 配合电流表调到我们需要的电流值, 根据标准要求进行异常电路验证试验。
(4) 试验目的
部分金属卤化物灯和高压钠灯光源在寿命终了时, 电极会发生钝化, 这时, 电极发射不对称, 将产生整流效应。即图7所示。光源电极电子单向流通, 如:当交流电正半周时从A→B触发, 负半周时B→A不触发, 形成整流效应, 使镇流器磁通量饱和, 感抗下降, 从而造成电流成倍增加, 引起不安全事件发生, 试验就是验证, 一旦光源发生整流效应, 灯具也是安全的。
5 总结
金属卤化物灯和高压钠灯整流效应试验电路装置虽然简单, 但是在制造过程中走过弯路, 确实碰到不少难点。
首先是电流表。目前市场上一般都是交流数显表或直流数显表, 无法找到数显的交流和直流混合电流表, 最后用交直流功率计来替代电流表。
其次可变电阻。选型时, 市场上0~200可变电阻都是小功率的, 大功率的需要定做。电阻制造厂都按公式 (6) 计算生产的。体积大, 价格高很难承受。最后通过与电阻制造厂设计人员沟通, 得到符合需要的可变电阻。
还有, 随着电子产业发展整流二极管使用范围缩小, 需要的电流100 A, 耐压600 V整流二极管没有, 通过努力采购到电流100 A, 耐压1000 V的理想整流二极管。
整流效应试验电路装置制作完成了, 符合标准, 满足了使用, 但是还存在体积较大, 电流表数据显示变化较大的不足。准备在下一次研制中加以改进。
参考文献
[1]GB 7000.1—2007/IEC60598-1∶2003灯具第一部分:一般要求与试验[S]
整流装置工作原理及试验方法分析 篇2
三相桥式整流电路原理主要用于大功率的整流电路。在三相桥式整流电路中共有六个二极管, 其中D1、D3、D5为共阴极形式连接;D2、D4、D6为共阳极形式连接。三相整流电路中各个二极管导电原则为二极管的阳极电位高于阴极电位二极管导电, 反之不导电。如右图, 我们将三相波形按按每30°进行时间段划分, 用1、2、3、4、5、6、7、…表示。在1时间段中A相电位最高, B相电位最低, 因此二极管D1、D4导电, 此段时间内其他四个二极管均承受反向电压而截止;同理时间段2二极管D1、D6导电, 时间段3中D3、D6导电, 时间段4D3、D2导电, 时间段5D5、D2导电, 时间段6D5、D5导电, 时间段7D1、D4导电。如此三相整流电路中周而复始, 电路状态不断重复, 进行着交流变直流的整流工作。
1 整流装置工作原理
主要由整流柜、控制柜、水风冷却系统三部分组成。整流柜是装置的心脏。整流柜担负着交流电流的整流工作, 整流变压器的两组低压绕组之间相位差30°引入整流柜, 整流柜内每个桥臂由6个二极管在汇流铜排上直接并联, 这样每柜共12个桥臂, 有72个元件运行, 可形成等效12脉波。为了获得较好的均流、减少涡流损耗, 主回路采用了三相桥式整流, 阀侧引线为同相逆并联结构。并联支路的整流元件采用压接结构对称分布, 使每条支路都完全对称。同相逆并联结构保证了产生的交变磁通在同相逆并联导体的外部相互抵消, 减少各部分线路电抗, 并增加相间、臂间阻抗的对称性。每只硅元件串有快速熔断器一只, 快速熔断器熔断I²t值与元件相匹配, 保证直流侧短路及阀侧短路时, 在机组断路器跳闸前, 硅元件不损坏, 快熔不熔断;过载150%一分钟, 硅元件不损坏, 快熔不熔断;快熔熔断时, 本支路元件应不爆裂;故障支路快熔熔断时, 臂内硅元件不损坏, 快熔不熔断。为抑制因分合闸引起的过电压, 整流变压器阀侧各相 (整流柜接入侧) 装设一组由快熔、三角形接法的压敏电阻和星形接法的电容器构成的操作过电压保护回路。
整流柜的试验:整流柜试验大致可分为绝缘试验、均流试验和纯水试验。
2 整流柜的绝缘试验
2.1 整流柜内主回路的绝缘试验
用2500伏兆欧表测量主回路对框架的绝缘电阻应不低于10MΩ;用1000伏兆欧表测量框架对地绝缘电阻不低于2MΩ。该项试验通常组装出厂时进行, 组装好的整流柜进行该项试验时应注意要断开或短封相关回路, 以免损坏柜内设备或影响测试数据。整流柜内设有交流回路、单桥臂操作过电压阻容吸收保护, 在摇测绝缘时, 应将该回路与被测回路分离。主回路绝缘摇测时, 要短封硅元件, 以防元件击穿。
2.2 整流柜的均流试验
大功率硅整流器在设计制造中都采用, 在一个桥臂上并联多个元件, 以增大单个整流器直流输出电流, 整流所采用多台整流器并联运行方式向电解生产提供足够的系列大电流。提高整流柜均流系数对提高整流所的供电安全性以及运行效率, 减少整流器的损耗, 节能降耗明显。
整流柜均流试验是在正常运行或电流升高的整流柜上测量各桥臂快熔两端的毫伏压降 (m V) , 通过计算平均值与最大值的比值得到均流系数。在生产运行中各整流所会根据自身的实际情况, 制定检查测试整流柜均流系数的周期, 安排日常维护工作日程, 对各柜的具体情况, 要求的均流也略不相同。我公司制定测试整流柜均流系数的周期为三个月/次, 280KA万铝变电所和科冠变电所由于各所整流柜台数为5台, 均流系数要求为不低于0.50;280KA卧龙变电所整流柜台数为4台, 均流系数要求为不低于0.70。在年度停机组检修对均流系数进行全面调试提高, 从而增加机组的负载能力, 以便在单机组故障停运时仍能保证电解系列正常生产。
在实际检测中均流不好的情况要具体对待, 元件快熔性能、元件配置、外部特性都会引起均流系数不高。在保证均流系数测试数据准确的情况下, 对压降低的元件进行压紧以改善元件的导通性能, 如果元件压力 (力矩扳扭矩设置为100N.M) 达标, 应参照均流系数测试数据对桥臂中压降低的元件进行位置调整;查明元件无故障时应对快熔进行检查, 熔体长期运行或高温影响可导致其内阻向坏的方面发展, 应将快熔在正常负荷下测出的两端毫伏压降值与相邻支路快熔进行参照分析, 判断快熔性能。
3 纯水水阻试验
整流柜在运行中产生大量热量, 依靠水风冷装置进行散热冷却。对于作为冷却介质的纯水水质有着明确的要求。当整流机组水质低时, 整流器水路部分的水嘴将受到严重腐蚀, 缩短水嘴的使用寿命, 引起水路渗漏, 甚至引起水管脱落, 发生事故。因此水阻至少要达到1000KΩ以上。当低于要求的水阻时应能发出报警信号上传上位机。我公司对纯水水质的监测采用在线水阻测试仪和定期采集试验两种方式。在线水阻测试仪在线监测水阻值, 由运行人员巡视监测;试验班纯水测试周期为1次/3月, 对纯水水阻和在线水阻测试仪进行监测:在水阻高于1000KΩ时通知点检站安排该机组水路检修;在在线水阻测试仪显示误差大时, 仪表组对该测试仪进行检修处理。
4 结语
以上是针对我厂整流柜检修的一些经验和总结, 通过对整流柜原理分析及试验验证, 可及时有效发现整流柜异常问题, 保证设备长期稳定运行。
摘要：对整流装置的配置、工作原理、保护进行了简要介绍, 对试验种类进行分析, 提出了改进建议。
关键词：整流装置,原理,保护,故障,试验
参考文献
整流效应试验 篇3
随着铁路跨越式发展的不断推进,我国交流传动机车和动车组得到了大范围的普及,其中采用交—直—交传动系统的电力机车和动车组是此次发展中重要的标志,完全符合客运的高速、快速以及货运快捷、重载对牵引系统的要求。交—直—交传动系统的核心部件就是牵引变流器,它主要分为网侧变流器和电机侧逆变器。网侧变流器作为整个交—直—交传动系统变流器的输入环节,它一侧通过变压器与供电接触网相连,另一侧则通过中间直流环节与电机侧逆变器相连,因此其性能直接影响供电接触网的利用率和电机侧逆变器的工作性能。通常网侧变流器采用四象限整流器,其主要原因在于它较好地解决了电力牵引设备对于功率因数、等效干扰电流和再生制动能力等方面的特殊而苛刻的要求。
变流器的功率试验是交—直—交传动系统开发和检验的重要环节之一。本文对四象限整流器的功率试验方法进行了介绍,比较了各种方法的优缺点,提出采用直流能量互馈的方法进行四象限整流器功率试验的方法。对提出的方法进行了计算机仿真,仿真结果采用互馈方法进行四象限整流器功率试验是可行的,整个试验系统性能良好。
2 四象限整流器功率试验方法
目前可进行四象限整流器功率试验的方法主要有系统试验法、电阻消耗法、直流环节逆变法和直流回馈法,下面对各种方法的实现和特点进行说明。
2.1 系统试验法
所谓系统试验法就是将整个交—直—交传动系统运转起来,当电机功率达到满功率时,四象限整流器的功率自然会相应达到满功率。如图1所示。
采用该方法进行四象限整流器功率试验会导致占用设备较多,交流传动系统的逆变部分亦需要起动,试验系统复杂。尤其当电机工作时会发出巨大的噪声,并且系统由于逆变器、电机的投入使得试验时的损耗增加。仅进行四象限的试验采用该方法显然是不合适的。另外如果电机的负载部分不能工作在牵引状态则无法对四象限整流器的再生工况进行试验。
2.2 电阻消耗法
电阻消耗法是在四象限整流器的输出环节,即中间直流环节,接入电阻,从而使能量消耗在电阻上,通过改变电阻的投切可以调节四象限整流器的功率。如图2所示为电阻消耗法原理图。
这种方法最大的优点就是简单、可靠,但是其缺点也是显而易见的,那就是由于电阻消耗了大量的能量,该能量完全转换为热能,必须考虑如何对阻性负载进行散热处理,会增加设备以及所占用试验室的面积。最主要的是,对于牵引传动这种大功率系统该方法的能量浪费极其严重,并且无法对四象限整流器的再生制动工况进行试验。
2.3 直流环节逆变法
该方法是在四象限整流器的中间直流环节接入直流电源,在其输入端接入电抗器,使四象限工作的逆变状态,只要电抗器的参数合适,通过对开关器件的控制即可使四象限整流器工作在额定功率下。如图3所示为直流环节变法原理图。
这种方法的优点同样是简单、可靠,但是显然四象限整流器并非工作在实际应用的状态,对于四象限整流器控制方法的研究是无法实现的。该方法仅适用于产品已经定型、批量生产时的出厂例行试验。
2.4 直流互馈法
直流能量互馈是将两个四象限整流器的输出直接连在一起,其中一个四象限按照正常运行模式工作,另外一个四象限通过修改控制方法强行使其工作在牵引或再生工况,从而对前面的四象限进行性能测试。如图4所示为直流互馈法原理图。
该方法可以克服其它方法的不足,相比于系统试验法和电阻消耗法,该试验台具有总体效率高、能耗少、设备占用少、控制环节少等优越性。而相比于直流环节逆变法,可对四象限控制方法进行研究,满足研发要求。另外该方法可以采用两组相同的四象限整流器进行试验,不需要单独的陪试负载设备,其区别主要在于两个整流器的控制方法不同。本文主要对该方法的四象限整流器功率试验进行研究。
3 四象限整流器互馈控制
如图4所示的互馈系统,其目的就是通过调节整流器B的工作状态并模拟整流器A所需要的负载。因此整流器A的控制方法为四象限正常工作时所采用的控制方法,即通过中间电压调节器保证中间直流电压的稳定,通过输入电流调节器保证网压与网流相位相同。而整流器B则不需要对中间直流环节电压进行调整,只需保证网压与网流相位相同即可,因此其控制系统不包括电压调节器。如图5所示为两个控制系统的原理框图。具体四象限整流器的控制方法很多,这里就不再赘述,本文采用的控制方法为预测电流控制。
4 系统仿真
4.1 仿真系统概述
计算机仿真采用软件Saber。如图6所示,整个仿真系统由两个四象限整流器构成,采用理想电压源模拟实际接触网的25 kV供电,通过变压器降压之后接入网侧的四象限整流器,其中上面为被试整流器A,下面为陪试整流器B。与图4不同的是仿真中将两个整流器的输入接在同一个变压器上,由于两个四象限工作在相反的状态,因此变压器原边的输入功率仅提供系统的损耗,本文的试验系统具有能耗少的优点,下面的仿真结果将证明这一点。主电路中的电阻、电容、电感、电压源等均采用SABER提供的模型。仿真的控制电路部分在图6中没有标出,详细构成可参考文献[5],控制模块基本使用MAST语言建立。
4.2 仿真参数及方法
仿真系统采用的参数如下:
(1)电网电压:25 k V;(2)变压器二次侧输出电压:1800 V;(3)开关器件的开关频率:750 Hz;(4)直流中间电压给定值Ud:3600 V;(5)系统最大传递功率:900 kW。
在仿真过程中,通过改变陪试整流器控制系统中整流器输入电流幅值给定来模拟被试整流器负载状态,使得被试整流器与陪试整流器在中间直流回路进行能量的互馈。该给定值共变化三次:第一次使被试整流器再生功率达到450 kW;第二次使被试整流器再生功率达到900 kW;第三次则使被试整流器从再生工况转换为牵引工况,即由再生满功率转换为牵引满功率。通过这些操作,可以观察四象限整流器互馈系统的动态响应和整个互馈系统的工作状态,从而进行相关的分析。
4.3 仿真结果
4.3.1 负载变化过程
如图7所示为整个仿真过程中四象限整流器中间直流电压Ud和被试牵引整流器A输入电流的变化波形。从图7中可以看出中间直流电压能随陪试四象限整流器调节,被试整流器可对中间电压进行调节并保持其稳定,由于对陪试整流器的电流给定值变化进行了限制,因此电压的波动范围不大,这与实际整流器的应用相符,因为作为整流器负载的电机逆变器,其输出功率变化同样受到限制,另外本文主要对整体的试验系统进行考察,没有过多考虑中间电压的动态调节特性。
4.3.2 四象限整流器输入电流
图8为被试整流器再生工况下满载时两个四象限整流器输入电流波形,图9为被试整流器牵引工况下满载时两个四象限整流器输入电流波形,其中第一个波形为网压,第二个为被试整流器A输入电流,第三个为陪试整流器B输入电流。从图9中可以看出,无论牵引工况还是再生工况整流器的输入电流波形幅值均较大,基波分量增大。另外可以看出两个整流器输入电流的相位恰好相反,说明一个是工作在牵引工况,另一个工作在再生制动工况,而且两者的电流幅值有一定差别,这主要是考虑到整个试验系统的损耗,实际回馈电网的功率不可能与从电网吸收的能量相同,也就是说电网需要提供整个试验系统所需要的损耗能量。
4.3.3 变压器原边电流
图10为互馈试验系统陪试整流器牵引满功率时变压器原边电流波形,从图10中可以看出电流最大峰值未超过25 A。图11为满功率时电阻消耗法变压器原边电流波形,从图11中可以看出峰值达到70 A左右。从两个波形的对比可以看出互馈系统的电流幅值要小得多,而电阻消耗法则需要电网提供网侧变流器所需要的满载功率导致电流幅值要高很多。说明从节能角度出发,采用互馈系统可以显著减少试验系统的能量消耗。
5 结论
交流传动试验系统是交流传动系统研究、开发和验证的重要平台。随着我国铁路技术不断深入,机车车辆交流传动技术也将逐步发展成熟,有必要对牵引传动系统的各个部件进行各种全面的试验、检验和检测。本文提出了四象限整流器互馈功率试验方法,并采用计算机仿真对互馈系统进行了研究,仿真结果表明,该试验系统完全可行,可以满足四象限整流器开发的需要和功率试验的要求,采用四象限整流器作为负载具有很好的动、静态特性。另外通过变压器进行能量互馈可以减少试验系统的能量消耗。
摘要：简要介绍了四象限整流器功率试验的各种方法及特点,提出直流能量互馈方法。对互馈系统电气结构、实现原理和控制方法进行说明,并通过计算机仿真对采用该方法的四象限整流器互馈系统进行了实际工况的模拟。仿真结果表明互馈方法能够满足功率试验的要求,性能良好,仿真结果表明四象限整流器互馈试验方法是可行的。
关键词：交流传动,四象限整流器,能量互馈,计算机仿真
参考文献
[1]黄济荣.电力牵引交流传动与控制[M].北京:机械工业出版社,1998.
[2]高铭新.大功率交流试验台新方案探讨[J].铁道机车车辆,1999,(2).
[3]郑琼林,林飞.现代轨道交通与交流传动互馈试验台[J].电工技术学报,2005,(1).
[4]梁裕国.机车交流传动试验系统研究[J].机车电传动,2003,(6).
整流效应试验 篇4
DX型大功率中波发射机是美国Harris公司生产的全固态数字调幅中波发射机, 按功率等级可分为DX-200、DX-400、DX-600、DX-1000、DX-1200等机型, 这些发射机均由不同数量的PB-200功放单元组成, 每个PB-200都有一个整流机柜, 整流机柜内装有功放电源、二进制电源和驱动级电源。因整流机柜工作在高电压和大电流环境下, 且运用可控整流技术, 线路比较复杂, 故障率较高, 给维护工作带来一定困难。其主要表现是, 在电路板备件上机试验和故障电路板检修时, 时常受到播出时间的限制, 还存在损坏发射机设备的风险, 且耗费电能比较大。为解决上述困难, 基于整流机柜的工作原理, 我们设计出了整流机柜试验与教学平台, 并通过对平台的安装与调试, 锻炼了台内的技术队伍, 通过实际使用与操作, 已达到设计的预期目的。该平台具有安全可靠、操作方便、节能高效、原理清晰等诸多优点。下面介绍给大家。
2 整流机柜试验与教学平台的设计与组成
整流机柜是PB-200功放单元的重要组成部分, 它通过接收发射机送来的控制指令对整流电源进行开启与关断, 并将一些故障信号上传至发射机进行控制与显示。我们所设计的整流机柜试验与教学平台, 其设计思路是:为满足其独立工作的需要, 首先要增加一些能发出控制指令的控制电路和上传故障的指示电路;为了能够实现整流机柜全方位的试验与教学, 平台内部使用的器件基本上与实际的整流机柜一致;考虑到安全、方便、节能, 将主变由10kV/205V改为380V/205V低压小容量变压器;因平台所使用的负载比较轻, 因此选取小容量驱动级变压器及体积较小的功放电源与二进制电源滤波阻流圈, 并选用了额定电流小的可控硅;各整流电源负载与放电电阻均选用220V不同功率等级的白炽灯泡;为了便于上机试验备板及教学, 在平台面板上增加了整流电源启/停电路、故障模拟开关控制电路、显示仪表和电源故障显示等。结合上述设计思路与整流机柜实际线路, 整流机柜试验与教学平台主要由如下部分组成:平台供电启/停电路、整流电源启/停电路、开关电源、模拟控制开关、电源控制板、电源显示板、变压器、步进启动电路、功放及二进制电源整流滤波电路、驱动整流滤波电路、显示仪表、放电电路、轴流风机、整流电源负载等。整流机柜试验与教学平台控制线路方框图如图1所示。
由图1可知, 整流机柜试验与教学平台的三相380VAC供电通路是:三相380VAC交流电源→空断S1→FA、FB、FC熔断器→交流接触器KA前端。SA1、SA2分别为平台交流电源启动/停止按钮, 按SA1按钮, KA线圈带电吸合, 并接SA1上的KA常开触点闭合, KA线圈被闭锁, 一直处于吸合状态, 三相380VAC电源供出, 使+24V开关电源与+5V开关电源工作, 交流电压表M1指示。三相380VAC再分为两路供出, 一路经F1、F2、F3熔断器接到三相交流电源监测器K7 (检测缺相和反相序) 及轴流风机电源交流接触器K5前端;另一路经变压器TA输出三相205VAC, 205VAC电源也分为两路送出。
一路205VAC三相电源穿过三相电流互感器T1接至Q1-Q6组成的可控整流桥电路, 再经滤波阻流圈L2和滤波电解电容C接至功放电源负载 (RL1a和RL2a白炽灯泡) 和功放电压表M2;经过F4熔断器的中线与可控硅Q2、Q4、Q6组成三相半波可控整流电路, 经滤波阻流圈L1和滤波电容C8接至二进制电源负载 (RL2白炽灯泡) 和二进制电压表M3;功放电源输出经两只串联62k/2W电阻送到电源控制板上, 一方面作为功放电源电压故障的取样信号, 另一方面由电源控制板为点火板提供相位控制电压;二进制电源输出经一只120k/2W电阻送到电源控制板上, 作为二进制电源电压故障的取样信号;电流互感器T1次级拾取的电压经三相整流桥CR1整流, 输出端并接一只100Ω/2W (R19) 的取样电阻 (该取样电阻取值依据:实际整流机柜工作时的功放电流基本在1000 A左右, 取样电阻为0.1Ω, 平台功放电源采用两只白炽灯作为负载, 其电流在1A以内, 为使电流反馈及电流故障监测真正起作用, 将原取样电阻阻值增加1000倍, 即0.1Ω×1000=100Ω) , 取样电阻两端产生的取样电压送至电源控制板, 进行电流故障监测及控制可控硅相位调整电压。
另一路205VAC三相电源通过F8、F9、F10熔断器经步进启动交流接触器K1、K2加到驱动电源变压器T2上, 同时有一相还加到控制三相轴流风机的交流接触器K5的线包上。经过驱动电源变压器T2和由CR2、CR3、CR4组成的三相桥式整流电路和滤波电容C7接至驱动级电源负载 (RL3白炽灯泡) 和驱动级电压表M4。功放电源、二进制电源和驱动级电源等三个整流电源的输出经过三只放电二极管 (CR7、CR5、CR6) 及放电电阻 (R14、R15、R16) 接入放电板中, 用来泄放电源上电解电容中的残留电压。按停止按钮SA2, KA线圈失电释放, 平台供电停止。
SB1、SB2分别为整流机柜电源启动/停止按钮, DS1、DS2分别为启动指示灯 (绿色) 和停止指示灯 (红色) 。按SB1按钮, 继电器KB线圈带电, 并接在SB1上的KB常开接点闭合, KB线圈被闭锁, 一直处于吸合状态, DS1带电亮绿色;KB的另一组常开接点闭合, 产生一个低电平的信号, 作为平台各整流电源的启动信号, 由J6-13端送至电源控制板;模拟控制开关、电源监测器K7和漏水检测器等对整流机柜平台上的所有故障进行监测和控制, 所有故障均经电源控制板送到电源显示板显示, 同时有一部分故障送到“去PB故障指示电路显示”。按SB2按钮, KB线圈失电, KB常开接点释放, 送至电源控制板J6-13的整流电源启动信号变为高电平, 三个整流电源均被关断, 同时KB常闭接点闭合, DS2带电亮红色。
S3为急停按钮, 正常处于闭合位置, 联锁继电器K6线圈带电吸合, K6常开接点闭合, TA变压器次级A相电源经K6常开接点与由F4熔断器送出的中线一起为点火板A2提供120VAC电源, 经点火板变压整流后, 为点火板、电源控制板、电源显示板等供电;同时, 电源中线通过K6常开接点加至固态继电器K3的前端。当平台正常工作期间, 如出现故障, 按下S3按钮, 其接点断开, K6线圈失电释放, K6常开接点断开, 供给点火板的A相120VAC电源中断, 点火板、电源控制板、电源显示板供电中断, 功放电源和二进制电源停止工作;同时, 加至固态继电器K3的中线回路中断, 导致步进启动交流接触器K1、K2线圈无回路, 也将释放, 驱动整流电源停止工作。
图2为整流机柜试验及教学平台的正面图, 图3为整流机柜试验及教学平台的内部图。
在图2中, 平台面板仪表组由左至右依次为M1 380VAC电压表、M2功放电压表、M3二进制电压表、M4驱动级电压表;左下方依次为平台供电启/停按钮、整流电源启/停按钮及指示灯 (DS1、DS2) 、3BIT控制开关、远程故障复位及射频封锁按钮;右下方依次是轻载/重载开关 (S2) 、急停按钮 (S3) 、去PB故障指示和继电器驱动显示, 中间为电源显示板及故障模拟控制开关。
在图3中, 平台机柜顶部安装有一台轴流风机。上柜安装有整流电源负载及放电电阻, 功放电源负载为一只40W和一只150W白炽灯组合, 由轻载/重载开关S2控制, 轻载为40W, 重载为40W+150W;二进制电源负载采用一只40W白炽灯;驱动级电源负载采用一只60W白炽灯;放电电阻采用4只100W白炽灯泡, 如果平台在工作中, 放电板上的放电场效应管发生击穿故障, 相对应的放电白炽灯亮, 这样可通过视觉检验放电板4只放电场效应管的好坏。中间柜前夹板上安装有进线空断、整流电源启/停继电器、点火板、电源控制板、漏水检测器;后夹板上安装开关电源、交流供电接触器、进线熔断器、电源监测器K7等。下柜安装有电流互感器、变压器组、可控整流滤波电路、步进启动电路、驱动级整流滤波电路、电源放电电路等部分。
3 整流机柜试验与教学平台工作原理
图4为整流机柜试验与教学平台各电路板间的相互控制原理图。整流机柜试验与教学平台的控制原理实际上就是平台上新增加的平台供电启/停电路、整流电源启/停电路、故障模拟控制开关、3BIT控制开关和去PB单元故障指示电路与原整流机柜中的三套整流电源、电源控制板、点火板、电源显示板、放电板等紧密结合在一起, 进行相应的控制与操作。
结合图1和图4, 整流机柜试验与教学平台的工作原理综述如下。
(1) 电源控制板A1是整流机柜试验与教学平台的控制核心, 所有故障信号都是由它来监测与控制, 在图2平台面板上, 故障模拟控制开关包括有接地开关、可控硅温度开关、阻流圈温度开关、驱动级状态开关、风机主交流故障开关、变压器温度开关、放电开关、水流开关等, 其故障状态均为开关量, 故障模拟控制开关闭合 (低电平) 时为无故障正常状态, 开关断开 (高电平) 时, 为有故障。主交流故障 (包括缺相故障、电压不足和风机主交流故障) 、功放电源电流故障 (包括峰值电流和平均电流) 、电源电压故障 (包括功放电压和二进制电压) 、漏水故障等均是靠自身故障检测电路进行控制。上述所有故障均是通过缓冲器U17、U18进行隔离输出, 其输出一方面送电源显示板和去PB单元故障指示电路显示故障, 另一方面组成类似一个具有多输入“或门”的电路, 用以控制关断平台上的整流电源。
主交流电源故障一路由点火板缺相故障检测电路和电源控制板上的电压不足故障检测电路提供, 另一路由风机主交流故障提供。电压正常情况下, 非稳压+30V经可调电位器R75与电阻R33及电压射随器U6串接, 调整R75使TP3为+10.5V, 此电平分为两路, 一路送到U3-13与VREF (参考电压) 进行比较后, 送电压电流反馈电路中, 为点火板提供可控硅的控制电压, 另一路送到U16-7与稳压+12V经电阻分压的+8V进行比较, 如果外电电压降低, 导致TP3低于+8V时, U16-1将产生电压不足故障信号 (低电平) , 点火板中缺相故障检测电路提供缺相故障信号 (低电平) , 三相交流电源监测器K7和风机主交流模拟开关提供风机主交流故障信号 (低电平) , 上述三个故障信号共同作为主交流电源故障。
功放电源 (+250V) 电流取样信号送至运放U1-5, 经放大后, 一路送到电压电流反馈电路为点火板提供可控硅的控制电压;另一路送电流故障比较器U12-1和U12-2中, 一个用来检测平均值过流, 一个用来检测峰值过流, 通过R105电位器设置, 一般TP2设置为+2.5V, 两种电流故障输出合在一起作为功放电源电流故障。
+2 5 0 V (功放) 电压取样信号送至运放U1-2, 经放大后, 一路送到电压电流反馈电路为点火板提供可控硅的控制电压;另一路送+250V故障检测电路中, 输出+250V电压故障;+125V (二进制) 电压取样信号经运放U1-9放大后, 送+125V故障检测电路中, 输出+125V电压故障, 上述两个电压故障合到一起作为电源电压故障。
漏水故障检测是利用一只光电液位开关做检测器, 此光电液位开关包含一个红外线发光二极管和一个光接收器。发光二极管所发出的光被导入构成传感器尖部的一个棱镜。如果没有液体漏出, 则发光二极管发出的光直接从棱镜反射回接收器, 漏水检测器输出高电平的正常信号;当出现漏液, 且上升的液体浸没棱镜时, 则光折射到液体中, 从而使接收器收不到或只收到少量光线, 检测器输出低电平, 送到U12-10端, 使U12-13输出高电平 (+12V) 的漏水故障信号。图5为光电液位开关工作示意图。
(2) 由于整流机柜试验与教学平台与发射机中实际的整流柜有所区别, 为了能够直观了解到平台为PB单元提供的控制信号是否正常, 在设计平台时, 专门增加了“去PB单元故障指示电路”, 该指示电路包括:继电器驱动指示、接地开关指示、主交流指示、温度指示、电源电压指示、功放电源电流指示和漏水指示等。指示电路将+24V电源经2.2k电阻与发光二极管的正端相连, 发光二极管的负端接各故障的接线端子上, 指示电路不锁存。正常时, 只有主交流电源绿灯亮, 其余故障红灯均不亮, 当出现故障时, 故障红灯将点亮。
(3) 3BIT模拟开关“BIT1、BIT2、BIT3”主要是用来控制功放电源和二进制电源输出电压大小, 分别与电源控制板的J6-9、J6-10、J6-11端相连, 在发射机上, 该处是由PB单元来控制, 3BIT模拟开关在此替代了PB单元。3BIT模拟开关相当于一个3位的二进制开关, 可输出八组二进制数据, 经过光电耦合器U4和施密特触发器U7缓冲隔离, 加到数/模转换器U9数据输入端, U9-2端输出0-5V七种不同数据至运放U1-13端, 经放大后, 送入电压电流反馈电路为点火板提供相位控制电压, 0至+250V输出电压按照36V一档, 进行组合, 可分为七档。如果+250V电压存在少许偏差, 可调节R104电位器进行修正。
(4) 启动整流电源操作:所有故障模拟输入控制开关均置于无故障位置 (闭合状态) , 按SB1按钮, 继电器KB线圈得电吸合, 电源控制板J6-13端由高电平变为低电平, 再经光电耦合器U4输出低电平。此信号分为两路, 一路送场效应管Q7栅极, Q7截止, 输出高电平, 高电平加到点火板 (J6-16) , 启动可控硅点火板, 同时3BIT信号经U9数/模转换成的模拟信号与功放电压、电流的反馈信号共同组合成可控硅控制电压, 送到点火板对三相桥式可控硅整流器进行控制, 输出+250V (功放电压) 和+125V (二进制电压) 。光电耦合器U4输出低电平的另一路经反相器U11输出高电平, 经U18-13送出, 分为三路, 第一路接Q6栅极, 即撬棍电路, Q6饱和导通, 电源放电板上4只场效应管的栅极电位为零, 场效应管截止;第二路接Q3栅极, Q3导通输出低电平, 使固态继电器K3的初级发光二极管形成回路, K3输出端接通负载回路, 步进启动电路中的K1线圈得电吸合 (见图1) , 三相交流205V电源通过三只限流电阻 (3Ω/100W) 送到驱动变压整流滤波电路, 当限流电阻R3右端的电压达到K2线圈所要求最低吸合电压时, 交流接触器K2得电吸合, 三相交流205V电源直通到驱动变压整流电路中, 驱动级电源正常输出, 同时K5线圈得电吸合, 轴流风机电源接通, 轴流风机运转;第三路U18-13输出的高电平经U20-12反相后, 变为低电平, 接由Q4、R34、C50组成的1s故障封锁计时器, 场效应管Q4截止, +5V通过电阻R34对电容C50充电, 故障封锁计时器开始计时, 由于U20-4输出高电平, 使的电压故障逻辑锁存电路暂时不起作用, 屏蔽对+250V功放电压、+125V二进制电压和驱动级电压的监测, 同时继电器驱动DS3红灯点亮, 1s后, 对电容充电结束, 使U20-4输出变为低电平, 电源显示板中的电压故障逻辑锁存电路将起到监测作用, 同时U8-17翻转为高电平, 继电器驱动DS3红灯熄灭。如果1s内, 三种电压正常启动, 电源正常工作, 否则出现相应的电压故障。
(5) 关断整流电源操作:按SB2按钮, 继电器KB线圈失电释放, 电源控制板J6-13端由低电平变为高电平, 光电耦合器U4输出高电平, 一路使场效应管Q7导通, 使点火板上 (J6-16) 变为低电平, 导致点火板停止工作, 进而使功放电源及二进制电源停止工作。另一路经U11反相, 输出低电平, 送至U18-13, 使场效应管Q3、Q6均截止, Q3截止使固态继电器K3停止工作, 导致步进启动电路的交流接触器K1、K2、K5释放, 驱动级电源停止工作;Q6截止使+250V经两只2k电阻 (R17、R18) 分压为+125V, 该电压加到放电板的4只场效应管 (Q1-Q4) 的栅极, 使场效应管全部导通, +250V、+125V、驱动电源中的滤波电解电容等储能元件上残留电压分别经放电二极管CR7、CR5、CR6和4只100W白炽灯泡 (R13-R16) 快速通地泄放。
(6) 如果故障模拟控制开关中有一个不正常, 即处于断开状态, 都将使平台中的三个整流电源立即停止工作, 比如:风机主交流处于断开状态, 此时, U10-10输出低电平, 缓冲器U17-1也输出低电平。该低电平分为三路送出:一路送至Q3, 使Q3截止, 固态继电器K3关断, 驱动电源停止工作;一路经反相器U20-13通过一只10k电阻接到二极管CR11的负端, 二极管CR11的正端接到NPN三极管Q9的发射极上, 致使Q9截止, PNP三极管Q10也截止, 使点火板上 (J6-8) 端由高电平翻转为低电平, 使6只可控硅 (Q1-Q6, 见图1) 截止, 使得功放电源和二进制电源停止工作;第三路送至Q6, 使Q6截止, 三个整流电源通过放电板放电。
4 整流机柜试验与教学平台使用方法
4.1 整流电源启动前的操作
(1) 平台加电操作:检查平台内各部件无异常后, 锁好平台柜门, 各故障模拟控制开关均置于闭合状态 (处于无故障状态) , 接通三相380VAC电源 (参见图1) , 合S1空断, 按SA1按钮, KA线圈得电吸合, 电表M1显示380VAC, 如果电源显示板出现风机主交流故障, 检查进线电源是否反相序, 如果反相序, 更换进线任意两根火线位置即可。加电后, 平台面板整流电源停止红灯亮 (DS2) , 电源显示板发光二极管均亮绿灯, 去PB单元故障指示电路中电源电压故障红灯亮和主交流绿灯亮 (表明三相交流电源正常) , 继电器驱动红灯亮, 其它故障红灯均不亮 (参见图4) 。
(2) 去PB单元故障指示电路检测:去PB单元故障指示电路通过人为扳动故障模拟控制开关就可以监测与显示出来, 无需进行开机。人为断开模拟故障控制开关变压器温度开关、可控硅温度开关、水流开关、阻流圈温度开关, 电源显示板上将显示相应的故障, 同时去PB单元故障指示电路中的温度故障红灯亮;人为断开模拟故障控制开关接地开关, 电源显示板上显示接地开关故障, 同时去PB单元的接地开关故障红灯亮;人为断开模拟故障控制开关风机主交流开关, 电源显示板上显示风机主交流电源故障, 同时去PB单元的主交流故障绿灯灭;用瓶盖装少量水浸入漏水检测器棱镜的下方, 电源显示板上显示冷却故障, 去PB单元的温度故障和漏水故障红灯亮。
4.2 整流电源启动后的操作
(1) 启动整流电源:按SB1按钮, DS1 (启动) 绿灯亮, 若各整流电源无问题, 电表M2显示+250V, M3显示+125V, M4显示+150V, 轴流风机运转, 去PB单元故障指示电路中的电源电压故障红灯灭, 继电器驱动红灯灭。
(2) 3BIT开关控制操作:通过任意组合扳动3BIT开关, 可以观察到可控硅整流电源电压表M2和M3数值的变化, 具体结果如表1所示。
(3) 故障模拟控制开关操作:在整流电源正常工作下, 断开故障模拟控制开关的反映情况如下。
(1) 断开变压器温度、可控硅温度、水流开关、阻流圈温度开关中任何一个, 整流电源立即关断, 电源显示板显示相应故障, 去PB单元故障指示电路中的温度故障和电源电压故障红灯亮, 继电器驱动红灯亮。
(2) 断开接地开关故障开关, 整流电源立即关断, 电源显示板显示接地开关故障, 去PB单元的接地开关故障和电源电压故障红灯亮, 继电器驱动红灯亮。
(3) 断开风机主交流电源故障开关, 整流电源立即关断, 电源显示板显示风机主交流电源故障, 去PB单元的主交流故障绿灯灭、电源电压故障红灯亮, 继电器驱动红灯亮。
(4) 断开驱动级状态故障开关, 整流电源立即关断, 电源显示板显示驱动电压故障, 去PB单元的电源电压故障红灯亮, 继电器驱动红灯亮。
(5) 断开放电故障开关, 电源显示板显示放电故障, 去PB单元的电源电压故障红灯亮。
(6) 用瓶盖装少量水浸入漏水检测器下方, 整流电源立即关断, 电源显示板显示冷却故障, 去PB单元的漏水、温度、电源电压故障红灯亮, 继电器驱动红灯亮。
(4) 故障复位与射频封锁操作:按远程故障复位或电源显示板故障复位按钮, 可清除电源显示板上已消除的故障;按射频封锁按钮, +250V和+125V表值瞬间波动一下恢复正常, 同时点火板PD2抑制红灯闪烁一下 (见图4) 。
(5) 轻载/重载开关S2操作 (参见图1) :S2置于轻载位置 (断开) , RL1a白炽灯亮, 实测三相输入相电压均为225VAC, 输入电流分别为0.5A、0.6A、0.6A, 功率为382.5 W;S2置于重载位置 (闭合) , RL1a与RL1b白炽灯亮, 输入电流分别为0.7A、0.8A、0.8A, 消耗功率为517.5 W。
(6) 模拟电流故障操作:电流故障的产生是因为整流电源发生过载, 如果人为制造整流电源过载, 可能危及人身和设备安全, 为此, 可以通过降低电流故障门限, 模拟出电流故障, 最终达到殊途同归的目的;在S2开关置于重载位置时, 在电源控制板上调整R105电位器, 降低TP2电流门限+1.37V以下, 开机瞬间, 电源显示板显示电流故障, 去PB单元故障指示电路中的电源电流故障指示红灯闪烁、电源电压故障红灯亮、继电器驱动红灯亮。
(7) 试验电压不足功能:调整电位器R75, 改变TP3电压值, 分别开机, M2、M3表值变化情况如表2所示。
当TP3为+7.93V, 低于+8V时, 开机瞬间, 电源显示板上显示变压器主交流故障。
(8) S3急停按钮操作:按S3按钮, 电源显示板的指示灯全灭, 平台上三套整流电源停止工作。注意:此时平台上的三相交流电源仍处于正常接通状态, 动设备时, 要注意安全。
若对整流机柜备份电路板进行试验或对有故障的电路板进行检修, 可以将电路板安装在平台上, 按照要求将电路板设置好, 先加交流供电, 进行模拟操作, 如都正常, 调整关键点电位后, 再启动整流电源, 观察整流电源变化, 如果存在故障, 可根据故障现象, 用万用表、示波器等仪器对故障电路板进行故障查找和处理。
我们已经成功地利用此平台对机房库存的整流机柜所有备板、漏水检测器、电流互感器等进行了试验检测, 且对两块有故障的电源控制板进行了维修, 通过试验和操作对台内技术人员进行了现场培训, 加深了他们对整流机柜工作原理的理解和认识。
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