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特别是操作过电压引起的事故时有发生,利用此

2019-12-26 03:47

静电容物位开关应用利用感应棒侦测以被测物为介质,感应棒与桶壁之间的电容量,当感应棒被物料覆盖则电容渐增,达到开关内部设定线路匹配值时,线路产生高频谐振,利用此谐振信号转成开关动作。

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电工电气网】讯

摘要:介绍了一种利用半桥谐振电路实现的新型电磁热水器的设计原理和方法。试验结果表明基于感应加热原理的电磁热水器可稳定工作在1.5kW,30kHz的范围,并使输入谐波降到最低,负载侧功率因数达96%以上,效率达92%。

电气系统的内部过电压触发的原因很多,既有线路参数匹配引起的工频过电压,也有开关操作时电弧复燃引起的操作过电压;此外还有电感负载负荷截流引起的过电压和电感电容串联引起的谐振过电压。内部过电压,特别是操作过电压引起的事故时有发生;据统计资料,一般工频过电压不会超过2倍相电压,切除空载线路引起的操作过电压和间歇性电弧引起的过电压不会超过3. 5倍相电压,铁磁谐振过电压不会超过3倍相电压。但是,实际运行经验证明,事故的发生往往是几种过电压叠加在一起, 过电压倍数有时高达额定相电压的7~8倍。

关键词:感应加热;热水器;半桥电路;谐振

操作过电压

澳门新濠新天地3559,1 引言

在6~35kV的中性点非直接接地系统中,当进行负载的起动或停止操作或发生事故时,由于开关触头间电弧重燃,运行状态发生突变,引起电容和电感元件之间电磁能量相互转换,出现一种振荡性过电压,即产生操作过电压。

目前,在家庭浴用设施方面尤受人们欢迎的是淋浴热水器。为满足人们的需要,各厂家相继研制出燃气、电加热、太阳能等热水器。然而在使用中,这些热水器都有各自的缺点,燃气和电热水器的安全性较低,太阳能热水器的效率不高,这都造成了它们使用的局限性。采用感应加热原理设计的高频电磁加热热水器和以上几种相比有着突出的优点。它是利用电磁感应产生的交变磁场,在圆柱状的发热体的表面形成涡流达到直接加热的目的,效率比贮水式热水器要高20%,加热时间比相同功率的电热水器要快得多,更值得指出的是,它通过感应线圈使发热体产生涡流达到加热的目的,实现了发热体和主电路之间电气上的隔离,避免了电热水器因绝缘损坏而产生的漏电现象,在安全性上大大提高了。试验表明,我们研制的1.5kW,30kHz的电磁热水器完全符合要求。

电动机起动合闸过电压

2 电路拓扑及设计过程

理论上认为,电动机合闸起动时,电动机机端产生的过电压为式中, 为合闸电压瞬时值;z为电动机冲击波阻抗;Z 为电缆冲击波阻抗。一般地,Z=100~5000Q,z =20~50Q,因此电动机合闸起动时,电动机机端产生的过电压可达2倍相电压。对于真空开关,触头闭合前往往会发生预击穿,电弧的燃弧和熄灭可达数十次,这种预燃过电压幅值较大且波前很陡,对电动机的绝缘可造成较大的威胁,电机产生过电压可装设电机型过电压保护器。

电磁热水器电路的系统框图如图1所示。市电交流220V经过滤波整流后变为大约310V直流,通过半桥谐振逆变电路的振荡在线圈中产生交变磁场,在发热体中产生涡流以达到加热的目的。

电动机起动状态分闸过电压

图1 电路系统框图

运行经验表明,在断开感性负载时,由于感性电流不在零点就被迫截断即所谓的截流,造成开关触头间电弧燃烧很不稳定,波形产生高频振荡,在电感回路中产生的突变电流会感应出很高的电压。

2.1 主电路工作过程分析

1)截流过电压由于真空断路器有良好的灭弧性能,当断开小电流时,真空电弧在过零前就熄灭。由于电流被突然切断,其滞留于电机等电感绕组中的能量必然向绕组的杂散电容充电,转变为电场能量。对于电机和变压器,特别是空载或容量小时,则相当于一个大的电感,且回路电容较小,因此会产生大的过电压。可以产生很高的过电压,但由于触头和回路中有一定的电阻产生损耗以及发生击穿,对过电压值有相当的抑制作用。但这种抑制作用是有限的,不能消除过电压。因此,特别是对电感负载在采用真空断路器作为操作元件时,应加装过电压保护器,过电压保护器型号有很多种,用户可根据自己的保护对象来选型。

主电路的工作过程如图2所示。通过开关管S1,S2的开通和关断,感应线圈电感和半桥电路的两个电容在各自的回路形成谐振。在稳态工作下根据开关管、负载、电容上电压电流的波形,电路在一个运行周期中分4个工作模式:

2)三相同时断开过电压是由于断路器首先断开相弧隙产生重燃时,流过该相弧隙的高频电流引起其余两相弧隙中的工频电流迅速过零,致使未开断相随之被切断,在其余两相弧隙中产生类似较大水平的截流现象,从而产生更高的操作过电压。所产生的过电压是加在相与相之间的绝缘上。在开断中小容量电机或轻负载情况下容易出现三相开断过电压,所以要安装三相组合过电压保护器。

模式1 如图2(a)所示,开关管S1开通,电流经S1,R,L,C2形成回路,S1开通时电压为零,减小了开关损耗,实现了零电压开通。

谐振过电压

模式2 如图2所示,开关管S1关断,负载电压反向,电流通过D2续流,此时S2上的电压为零,流过S1的电流为零。

对于复杂的电气系统,由一系列具有不同自振频率的振荡回路组成,其振荡条件为感抗和容抗相等,即 一 ,或∞L= , 因此谐振频率fo = 。在进行开关操作或发生系统单相接地时,由于瞬变过程电源波形会引起某种变化,非正弦的电源波形含有一系列的谐波。当电路中的自振频率之一与电源谐波频率之一恰好相等时,就会发生这一频率的谐振过电压。谐振是一种稳定现象,谐振过电压的持续时间可能很长,一旦发生,往往造成严重的后果。

模式3 如图2所示,开关管S2开通,线圈中电流反向,S2在电压为零时开通,电流流经C1,L,R,S2。

铁磁谐振过电压,正常情况下,电路中电感大于电容,但由于某种原因使电感电压升高, 电感磁饱和,感抗减小,出现感抗与容抗相等,甚至感抗小于容抗形成相位反转,引起铁磁谐振,激发产生持续的较高幅值的铁磁谐振过电压,铁磁谐振过电压不会超过3倍相电压,实践表明,大多在1.5~2倍之间。铁磁谐振可以是基波谐振、高次谐波谐振、分次谐波谐振。这种谐振产生的过电压的幅值虽然不高,但因过电压频率往往远低于额定频率,铁心处于高度饱和状态,其表现形式可能是相对地电压升高、励磁电流过大或以低频摆动,引起绝缘闪络、避雷器炸裂、高值零序电压分量产生、虚幻接地现象出现和不正确的接地指示。严重时还可能诱发保护误动作或在电压互感器中出现过电流引起TV烧坏。尽管10kV装设了一次消谐器,但一次消谐器是在发生谐振以后才会起作用,铁磁谐振可以持续较长时间,只是由于一次消谐器的作用,谐振持续时间很短,但并不能从源头杜绝谐振。

模式4 如图2所示,开关管S1、S2都关断,电流经C1,L,R,D1形成回路,此时S1上的电压为零,流过S2的电流为零。

无论是操作过电压、线性谐振,还是铁磁谐振,都应在10kV母线侧装设了过电压保护器、一次消谐器。

(a) 模式1 (b) 模式2

电力系统中,负载起停频繁,操作过电压特别是真空开关操作时极易产生过电压。由于电路是由电感、电容和电阻构成的复杂电路,可以组合成一系列具有不同自振频率的振荡回路。在进行开关操作或出现其他异常时,由于瞬变过程电源波形会引起某种变化,非正弦的电源波形含有一系列的谐波。当电路中的自振频率之一与电源谐波频率正好相等时,就会出现这一频率的谐振过电压。过电压一旦发生,往往造成严重的后果。因此在中性点不接地系统中,除应在每组电压互感器的高压绕组中性点装一只一次消谐器,进行有效地限制弧光接地过电压和消除铁磁谐振外,还应在相应部位装设合适的过电压保护器来限制各种过电压。此外,设备选型也很重要,如果选型不合适和质量存在问题,即便采取再好的措施也难避免事故的发生。

(c) 模式3 (d) 模式4

图2 主电路工作过程

VL+VR+VC=VTH

L+RiL+iLdt=Vin

iL=

VR=R

VL=L(cost1-sint1)-I1(sint1+cost1)]

VRL=VR-VL

式中:=R/2L;

=;

R=Req+Ron;

V1为RLC谐振回路中电容上的起始电压;

I1为RCL谐振回路中电感上的起始电流;

VTH在模式2、4为0,模式1为,模式3为;

Vin=VACsint,为工频下的角频率。

该电路的输出功率为:

Pout=cosn

式中:Vs2为开关管电压;

iL为负载电流

2.2 控制方法及实现

该控制电路的框图如图3所示。

图3 电路控制框图

开机信号经过RC缓冲后输入到压控振荡器的输入端,输出信号经分频后经过驱动电路实现对MOSFET的控制,为降低成本,该电路采用单一频率,电压、电流开环控制,而通过加热水温度的反馈控制起停。为了减少开机时对MOSFET的冲击,采用了RC缓冲软启动电路,以扫频的方式实现开机时功率的逐步增加。

2.3 输入滤波器的设计

通常输入滤波器采用大电容或大电感使逆变器的输入电压或电流变成直流,但这种设计也带来了很多的问题,例如:逆变器输入功率因数很差,同时逆变器电路的谐波对电网的干扰也成为一个不可忽略的因素。为了减小电路对电网的谐波污染,改善逆变器的功率因数,该电路采用了LC滤波的方式,使电路产生的谐波降到最低,同时使输入电压和电流的包络线同相,从而使负载侧功率因数接近为1。

图4是采用大电容滤波时输入电流的波形。由图可见,只有当整流后的电压大于电容上的电压时,电网才会向逆变器输入功率。图4采用的是LC滤波,输入电流近似于正弦波,高次谐波明显减少。图4是两种情况下输入电流谐波的比较,白色是采用电容滤波,黑色是LC滤波。由图4可见,采用LC滤波的效果明显好于单一电容滤波。

(a) 大电容滤波时输入电流波形 (b) LC滤波时输入电流波形

(c) 两种滤波方式下的谐波频谱比较

图4 输入电流及谐波分析

在滤波电感的设计中,由式可知,

AP=

电感磁芯体积的大小与通过电感的电流成正比。为了减小滤波电感的体积,采用了无气隙环形磁芯的饱和电感,当主电路电流超过一定值时,电感磁芯饱和,电路中只剩下电容滤波。饱和电感电感值与电流的关系由式~式给出。

L=NS

B=f(H)

Hl=NI

L=

仿真和试验结果表明,采用饱和电感后输入电流的谐波有所增加,但整流二极管和开关管上的电流和电压值没有太大的变化,电感的体积减小了很多,仿真结果如图5所示。

(a) 输入电流 (b) 负载电流

图5 采用饱和电感后的波形

滤波器参数经计算,电感L取300~400H,电容C取5F滤波效果最好。由滤波器传递函数

G(s)=

得出的伯德图如图6所示。由图6可见,电路工作在频率30kHz时的谐波被完全地滤掉。

图6 滤波器函数的Bode图

3 试验结果及波形

根据以上思路,设计了一台功率1.5kW,工作频率30kHz的样机,图7是试验波形,试验结果验证了以上推导的特性。

(a) 开关管ugs,uds以及电感电流波形

(b) 输入滤波器后的电压和电感电流波形

图7 试验波形

图7中,波形1是开关的驱动波形,2是开关管两端的电压波形,4是电感电流波形。图7可以看出输入电压和电感电流的包络线同相位,负载侧功率因数接近于1。

4 结语

由于采用了半桥式谐振电路和LC输入滤波器的设计,在器件的选择、电源效率、对电网的谐波干扰等方面比同类的单管电路提高很多。但在减小开关的导通损耗,防止电路的直通方面尚需进一步改进。

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