具有快速短路保护中频电源在油田的应用

摘要：本文介绍了1140伏90千瓦中频电源的研制，该电源输出电压在200--1500V之间连续可调，频率在250--1000HZ之间连续可调。样机已转化成产品，该产品经受过多次短路试验的考验。
Abstract: The 1140V 90kW mid-frequency power source is introduced in this paper. The output voltage can be controlled from 200 to 1140v sequentially, Frequency can be controlled from 250 to 1000 Hz sequentially, the sample set have been become the products. These products have passed short circuit test several times.
关键词：短路保护、中频电源、三电平
引 言
　　油田采油时由于某些井的原油粘稠，难于吸抽，现有一种解决方案，将发热元件安于井下，选一种合适的电源为其供电，油层被加热，原油变稀，使采油效率大大提高。经过多次试验，油田提出了该电源的技术：
功率 90KW
输入电压 1140V，50 HZ，三相
输出电压 200V ~ 1140V（有效值），单相、连续可调
频率 250 ~ 1000HZ 连续可调
波形 正负半周对称的方波，占空比连续可调
研 制
　　主回路如图1.所示。逆变桥采用三电平结构，这样不但降低了器件的耐压的要求，而且对减少谐波成分、改善波形大有好处。八个开关功率器件用的是西门子产的BSM150GB170DL 型IGBT管，额定电压和电流分别为 1700V、150A 。在本电源中，设其工作额定电流为I0=65A 。

图1.主回路

　　控制系统的方块示意图如图2所示。

控制功能由51单片机来实现，其作用有：
　　1． 产生250 ~ 1000HZ 的驱动信号，控制8支IGBT 管有序导通，在输出端产生脉宽可调的方波电压。
　　2． 用脉宽调制的方法实现输出电压的连续可调。输出波形如图3 所示。

3． 检测和显示功能
　　
　　 样机研制成功后，在油田运行良好，但另一问题突现出来，由于工作环境和条件的原因，该电源的输出端常有被短路的危险，为此用户又提出了新的要求：“设备不怕短路”，用户要求合理，“额定电压下不怕短路”要求保护电路快速而有效。
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　 快速短路保护电路
　　 一般保护方案就是关断所有IGBT管。但对600v以上的电源由于短路电流上升太快，关断信号还未起作用，IGBT管已经被烧坏了。要想确保IGBT管安然无恙，必须另外采取措施。本文的思路是在输出端串联适当的电感，用电感降低短路电流的上升速度，争取时间让IGBT的电流在到达极限值之前，管子能够来得及关断。可是引入电感后，由于巨大的di/dt，又会感应出尖峰电压，此尖峰电压又会给IGBT 造成巨大威胁。
　　为了确保短路保护的可靠，本文采取了如下措施：
　　 1． 加装尖峰抑制器（TVTE1。5KE400CA）。此器件工作原理与稳压管差不多，当电压低于击穿电压时，管中无电流，不消耗能量。当电压高于击穿电压时，管子击穿，起钳位作用。由于管子的耐压不够，经过适当串联后，并联于逆变桥的上下母线上。这样可以保证母线电压±E上不会出现危及IGBT 安全的尖峰电压。
　　2． 在输出端串联限流电感，此电感的作用是防止di/dt 过大，以免IGBT 被完全关断之前电流超过极限值。以下是电感量的计算：
　　IGBT手册上的额定电流为I0=150A
　　本电源的额定输出电流为IL=65A
　　IGBT手册上给出的最大脉冲电流为额定的2倍
　　IMAX = 2* I0 =2*150=300A
　　上下母线之间的电压为2E≈1140*1.4≈1600V
　　通常允许2E有20%的波动，所以
　　EMAX=1.2*2E≈2000V
　　短路发生后，检测信号请求中断约2μs;
　　转移指令约2μs;
　　关断信号的产生与传输约2μs;
　　关断信号在IGBT 栅极上的建立时间约2μs.
总计约8μs，用示波器观测IGBT 上的关断信号的确比短路发生时刻延迟了8μs 左右，这证明上面的分析是正确的。产生这段延迟的主要原因是51单片机速度慢、工作周期长。依据上面的估算和实测为依据，关断信号的建立时间为
　　Δt=8μs
　　在Δt的这段时间内电流由IS上升到了，所以最大电流变化率di/dt为：
　　di/dt =( IMAX --- IX )/ Δt=(300—117)/8≈23 (A/μs)
　　限流电感值应为：
　　L=EMAX/（di/dt）=2000/23≈90（μH）
　　此电感实际绕制值控制在90--120μH之间。为了减少电感上的功率损耗，该电感在保证安全的情况下应尽量小。其铁芯应留有气隙，要确保在大脉冲电流的作用下也不会饱和。
电感的接入确实为关断信号的到来赢得了时间，但又招来了下一个难题，即如何把电感限流过程中积累的磁能释放掉，尖峰抑制器是个体积很小的器件，虽有泻放磁能的作用，但不能全依靠它。本文提出两个选择方法：
　　 方法1：
　　 在电感上并联一支快速双向晶闸管。
　
　　 方法2：
　　 8个IGBT 同时关闭4μs之后，让内四支管子轮番导通，以便泻放电感L上的能量，方法1原理简单，不必细说。本文用方法2取得了满意结果，现简述如下：
　　内四管指K2、K3、K6、K7，外四管指K1、K4、K5、K8 管。八管同时关闭4μs之后，外四管继续关闭，内四管中，K2、K7 导通，如图4.所示。

电感L 的泻放回路为 地—D2—K2—L—K7—D7—地。2μs之后，K2、K7 关断，K3、K6 导通，如图5所示。
电感L 的泻放回路为 地—D6—K6—L—K3—D3—地。2μs之后，两个放电回路进行交换，经过十几次的反复，L上的能量可以泻放无遗。整个短路保护过程大约在40~50 μs之内完成。
试验结果
　　整机运行良好，调压范围、调频范围都满足用户要求。在额定电压下，突然将负载短路，设备安然无恙。几分钟后，重新开机，一切正常。要想进一步提高短路保护的速度并不难，只要把51单片机替换成高速单片机即可。
　　这种不怕短路的中频中压电源已经有十多台在油田使用，经受住了恶劣环境和短路的考验。