CN115656610B - 一种励磁系统的可控硅支路电流测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种励磁系统的可控硅支路电流测量装置及方法，其中装置包括：电流输入模块，其包括电流互感器及输入电路，所述电流输入模块用于连接三相全控桥式可控硅整流电路，以获取支路电流；消磁模块，其包括消磁电路，所述消磁模块与电流输入模块连接，以使电流互感器消磁；电压输出模块，其包括转换电路，所述电压转换模块与输入模块连接，以将电流互感器的二次输出电流转换为对应的电压并输出。本发明通过设置电流输入模块、消磁模块和电压输出模块，将可控硅支路电流转换为对应的电压，并通过反向电压实现消磁，在极端情况下，依然可以准确稳定地对可控硅支路电流进行测量。
Description
技术领域
本发明涉及励磁系统中可控硅支路电流检测的技术领域，具体涉及一种励磁系统的可控硅支路电流测量装置及方法。
背景技术
目前，同步电机静止可控硅励磁系统中，功率整流部分通常会采用三相全控桥式可控硅整流电路。由于可控硅的单向导电性，流过可控硅支路电流为单向电流，可控硅的数量为六个，分别为+A、-A、+B、-B、+C和-C，各可控硅支路电流的流向如图1所示。
其中，A相电流IA从+A可控硅流出时，产生电流IA+；IA从-A可控硅流回时，产生电流IA-。B相电流IB以及C相电流IC跟IA等同。三相全控桥式整流电路正常运行时，IA、IB、IC电流正负对称，单相电流正向输出120°、负向输出120°。以IA为例，电流波形如图2所示。图2中，IA电流波形周期由T1、T2、T3、T4组成。其中，T1、T3阶段时间相等，电流为0，对应电角度均为60°；T2阶段为+A可控硅导通阶段，对应电角度为120°；T4阶段为-A可控硅导通阶段，对应电角度为120°。三相全控桥式整流电路正常工作时，IA+与IA-相等。但是，当有多个三相全控桥式整流电路并联工作时，情况会发生变化。当两个三相全控桥式整流电路并联工作时，以A相为例，相当于有两个+A相可控硅并联运行以及两个-A相可控硅并联运行，如图3所示为整流桥并联运行示意图。
由图3可知，A相正向总电流由IA+和IA2+组成，A相反向总电流由IA-和IA2-组成。由于+A可控硅与+A2可控硅特性的不一致性，IA+与IA2+电流幅值无法保证任一时刻均相等。同理，IA-与IA2-电流幅值也无法保证任一时刻均相等。极端工况下，甚至可能出现IA+电流分担较大，IA-电流输出为0的情况，IA电流波形如图4所示。在图4这种极端工况下，可控硅的IA励磁电流的检测也需要保证准确可靠。
在对可控硅支路电流检测手段中，常见的方式为在对应相加装霍尔传感器。比如在A相加装霍尔传感器，通过分离霍尔传感器输出信号的IA+和IA-并计算可分别得到通过+A可控硅和-A可控硅的实际电流。由于成本高，过载能力差，易损坏以及长期使用造成老化和零点漂移等问题，霍尔传感器其实并不是理想的可控硅支路电流检测器件。
另一种方法为使用常规的电流互感器检测可控硅支路电流。电流互感器与霍尔传感器相比，可靠性高且成本低廉。使用电流互感器检测支路电流时，以A相为例，当IA+与IA-处于平衡状态，则仍可以通过分离电流互感器输出信号的IA+和IA-并计算得到通过+A可控硅和-A可控硅的实际电流。如果出现IA+与IA-电流不平衡，甚至出现图4所示极端工况时，由图4可直观看出，IA电流出现了直流分量。该直流分量将导致电流互感器铁芯磁偏甚至饱和，造成电流互感器非线性输出，无法反应可控硅支路的实际电流。
为此，亟需发明一种能够适用于励磁系统中，多个整流桥并联运行的情况下，对可控硅支路的电流测量准确且稳定的测量装置。
发明内容
为了克服上述现有的励磁系统可控硅支路电流测量在极端情况下不准确的技术缺陷，本发明提供一种励磁系统的可控硅支路电流测量装置及方法。
为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现的：
第一方面，本发明公开一种励磁系统的可控硅支路电流测量装置，包括：
电流输入模块，其包括电流互感器及输入电路，所述电流输入模块用于连接三相全控桥式可控硅整流电路，以获取支路电流；
消磁模块，其包括消磁电路，所述消磁模块与电流输入模块连接，以使电流互感器消磁；
电压输出模块，其包括转换电路，所述电压输出模块与输入模块连接，以将电流互感器的二次输出电流转换为对应的电压并输出。
作为本发明的一种优选实施，采样切换模块，其包括采样切换电路，所述采样切换模块与电压输出模块连接，其采用两级电阻串联的方式，实现大电流和小电流之间的采样切换。
作为本发明的一种优选实施，所述电流输入模块中的电流互感器与励磁系统中三相全控桥式可控硅整流电路的其中一个可控硅靠近，以感应该可控硅支路的电流。
作为本发明的一种优选实施，所述输入电路包括一组串联且相对朝内朝向的二极管D1和二极管D3，以及一组串联且相对朝外朝向的二极管D2和二极管D4，两组二极管相互并联。
作为本发明的一种优选实施，所述消磁电路包括三极管Q1、三极管Q2、二极管D7、二极管D8、二极管D9、电阻R2和电阻R4；
所述消磁电路的一端连接至二极管D1和二极管D3之间，消磁电路的另一端连接至二极管D2和二极管D4之间。
作为本发明的一种优选实施，所述消磁电路中，三极管Q1的发射极连接至二极管D1和二极管D3之间，电阻R2的一端与三极管Q1的基极连接，电阻R2的另一端与三极管Q1的发射极连接，二极管D7和二极管D8并联设置在三极管Q1的集电极和三极管Q2的集电极之间，三极管Q2的集电极还与三极管Q1的基极连接，二极管D9和电阻R4串联并连接在三极管Q2的集电极和发射极之间，三极管Q2的发射极连接至二极管D2和二极管D4之间。
作为本发明的一种优选实施，所述转换电路包括相互并联的电阻R1、双向稳压二极管D5和双向稳压二极管D6，电阻R1、双向稳压二极管D5和双向稳压二极管D6的一端分别与电流互感器连接，双向稳压二极管D5和双向稳压二极管D6之间与二极管D3和二极管D4之间连接。
作为本发明的一种优选实施，所述采样切换电路与转换电路连接，采样切换电路包括电阻R3、二极管D10、二极管D11、二极管D12和二极管D13，其中，二极管D10和二极管D11相互串联并朝向相同，二极管D12和二极管D13互相并联且朝向相同，二极管D10与二极管D12朝向相反，电阻R3分别与两组二极管并联，电阻R3与电阻R1连接，电阻R3与电阻R1之间接地。
第二方面，本发明还公开一种励磁系统的可控硅支路电流测量方法，包括以下步骤：
获取电流互感器二次电流；
基于可控硅关断的间歇期，对二次电流进行反向消磁；
若电流大于预设值，则采集电阻R1两端的电压；
若电流不大于预设值，则采集电阻R3两端的电压；
输出采集到的二级电压信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过创造性地设置电流输入模块、消磁模块和电压输出模块，将可控硅支路电流转换为对应的电压，并通过反向电压实现消磁，在多个整流桥并联运行的结构中，且在极端情况下，依然可以准确稳定地对可控硅支路电流进行测量。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：
图1是现有技术中励磁系统的三相全控桥式可控硅整流电路的示意图；
图2是现有技术中可控硅支路电流的电流波形示意图；
图3是现有技术中励磁系统的整流桥并联运行示意图；
图4是现有技术中通过电流互感器测量励磁系统极端工况时的直流分量示意图；
图5是本发明的励磁系统的可控硅支路电流测量装置的结构示意图；
图6是本发明的励磁系统的可控硅支路电流测量方法的流程示意图；
图中：
M1-电流输入模块、M2-消磁模块、M3-电压输出模块、M4-采样切换模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何熟悉相关技术者，了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的内容、权利要求及附图，任何熟悉相关技术者可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例是进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。
并且，以下将以附图揭露本发明的实施例，为达图面整洁的目的，一些现有惯用的结构与元件在附图可能会以简单示意的方式绘示之，且本案附图中部分的特征可能会略为放大或改变其比例或尺寸，以达到便于理解与观看本发明的技术特征的目的，但这并非用于限定本发明。此外，附图中提供有坐标轴，以利于理解元件的相对位置关系和作动方向。
需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。
另外，下文中可能会使用「端」、「部」、「部分」、「区域」、「处」等术语来描述特定元件与结构或是其上或其之间的特定技术特征，但这些元件与结构并不受这些术语所限制。下文中也可能会使用「及/或(and/or)」，其是指包含了一或多个所列相关元件或结构的其中一者或全部的组合。此外，以下文中也可能使用「实质上」、「基本上」、「约」或「大约」等术语，其与尺寸、浓度、温度或其他物理或化学性质或特性的范围结合使用时，为意欲涵盖可能存在于该等性质或特性的范围的上限及/或下限中的偏差、或表示容许制造公差或分析过程中所造成的可接受偏离，但仍可达到所预期的效果。
再者，除非另有定义，本文所使用的所有词汇或术语，包括技术和科学上的词汇与术语等包含其通常的意涵，其意涵能够被熟悉此技术领域者所理解。更进一步的说，上述的词汇或术语的定义，在本说明书中应被解读为与本发明相关技术领域包含一致的意涵。除非有特别明确的定义，这些词汇或术语将不被解释为过于理想化的或正式的意涵。
由于在对可控硅支路电流检测手段中，常见的方式为在对应相加装霍尔传感器。比如在A相加装霍尔传感器，通过分离霍尔传感器输出信号的IA+和IA-并计算可分别得到通过+A可控硅和-A可控硅的实际电流。由于成本高，过载能力差，易损坏以及长期使用造成老化和零点漂移等问题，霍尔传感器其实并不是理想的可控硅支路电流检测器件。
另一种方法为使用常规的电流互感器检测可控硅支路电流。电流互感器与霍尔传感器相比，可靠性高且成本低廉。使用电流互感器检测支路电流时，以A相为例，当IA+与IA-处于平衡状态，则仍可以通过分离电流互感器输出信号的IA+和IA-并计算得到通过+A可控硅和-A可控硅的实际电流。如果出现IA+与IA-电流不平衡，甚至出现图4所示极端工况时，由图4可直观看出，IA电流出现了直流分量。该直流分量将导致电流互感器铁芯磁偏甚至饱和，造成电流互感器非线性输出，无法反映可控硅支路的实际电流。
为此，本发明的目的是解决现有技术中，对于励磁系统中多个整流桥并联运行，且出现极端工况时，无法反映可控硅支路的实际电流的技术缺陷。
实施例1
如图5所示，为本发明所述的励磁系统的可控硅支路电流测量装置的优选结构。
第一方面，本发明公开一种励磁系统的可控硅支路电流测量装置，包括：
电流输入模块M1，其包括电流互感器及输入电路，所述电流输入模块M1用于连接三相全控桥式可控硅整流电路，以获取支路电流；
消磁模块M2，其包括消磁电路，所述消磁模块M2与电流输入模块连接M1，以使电流互感器消磁；
电压输出模块M3，其包括转换电路，所述电压输出模块M3与电流输入模块M1连接，以将电流互感器的二次输出电流转换为对应的电压并输出。
还包括：
采样切换模块M4，其包括采样切换电路，所述采样切换模块M4与电压输出模块M3连接，其采用两级电阻串联的方式，实现大电流和小电流之间的采样切换。
作为本发明的一种优选实施，所述电流输入模块M1中的电流互感器与励磁系统中三相全控桥式可控硅整流电路的其中一个可控硅靠近，以感应该可控硅支路的电流，所述输入电路包括一组串联且相对朝内朝向的二极管D1和二极管D3，以及一组串联且相对朝外朝向的二极管D2和二极管D4，两组二极管相互并联。所述消磁电路包括三极管Q1、三极管Q2、二极管D7、二极管D8、二极管D9、电阻R2和电阻R3；所述消磁电路的一端连接至二极管D1和二极管D3之间，消磁电路的另一端连接至二极管D2和二极管D4之间。
作为本发明的一种优选实施，所述消磁电路中，三极管Q1的发射极连接至二极管D1和二极管D3之间，电阻R2的一端与三极管Q1的基极连接，电阻R2的另一端与三极管Q1的发射极连接，二极管D7和二极管D8并联设置在三极管Q1的集电极和三极管Q2的集电极之间，三极管Q2的集电极还与三极管Q1的基极连接，二极管D9和电阻R3串联并连接在三极管Q2的集电极和发射极之间，三极管Q2的发射极连接至二极管D2和二极管D4之间。所述转换电路包括相互并联的电阻R1、双向稳压二极管D5和双向稳压二极管D6，电阻R1、双向稳压二极管D5和双向稳压二极管D6的一端分别与电流互感器连接，双向稳压二极管D5和双向稳压二极管D6之间与二极管D3和二极管D4之间连接。所述采样切换电路与转换电路连接，采样切换电路包括电阻R3、二极管D10、二极管D11、二极管D12和二极管D13，其中，二极管D10和二极管D11相互串联并朝向相同，二极管D12和二极管D13互相并联且朝向相同，二极管D10与二极管D12朝向相反，电阻R3分别与两组二极管并联，电阻R3与电阻R1连接，电阻R3与电阻R1之间接地。
本装置基于电流互感器方式测量可控硅支路电流，根据三相桥式整流电路存在图2中所示的T1、T3可控硅关断间歇期的特点，利用T1、T3间歇期对电流互感器进行反向消磁，使电流互感器始终工作在线性区，达到准确测量可控硅支路电流的目的。
本装置主要功能为：将电流互感器二次输出电流转换为电压；对电流互感器进行消磁处理。
以A相电流为例，当+A可控硅导通时，电流互感器二次感应电流I自下而上流出，经二极管D1、三极管Q1以及Q2、二极管D4以及电阻R1流回电流互感器。当-A可控硅导通时，电流互感器二次感应电流I自上而下流出，依次流经电阻R1、二极管D3、三极管Q1、三极管Q2以及二极管D2流回电流互感器。电流I流经电阻R1后，在电阻R1两端产生电压U。电压输出可根据电压U的幅值以及正负方向计算得到+A可控硅以及-A可控硅的实际电流值。
消磁模块M2的另一个作用就是给电流互感器消磁。当+A可控硅从导通到关断转换时，电流互感器输出电流迅速减小。当电流互感器输出电流小于三极管Q1及三极管Q2最小导通电流时，电流互感器正向输出电流突然截止。同时，电流互感器线圈漏感感应出一个反向电压。该反向电压通过电阻R1、二极管D3、电阻R2、稳压二极管D9、电阻R4以及二极管D2构成通路。该通路将产生较高的反向电压，为电流互感器反向消磁提供条件。同时，+A可控硅截止后存在60°的截止时间刚好可以供反向电压消磁。当-A可控硅从导通到截止时，产生反向消磁电压的原理跟+A可控硅原理一致。
本发明所述的励磁系统的可控硅支路电流测量装置的工作原理是：
本发明通过创造性地设置电流输入模块M1、消磁模块M2和电压输出模块M3，将可控硅支路电流转换为对应的电压，并通过反向电压实现消磁，在多个整流桥并联运行的结构中，且在极端情况下，依然可以准确稳定地对可控硅支路电流进行测量。
本发明将电流互感器感应电流转换成电压输出，同时具备电流互感器消磁功能，采用两级电阻串联方式实现大电流和小电流的采样切换，在电流互感器原边电流衰减至零过程中利用电流互感器二次线圈电感感应产生特定的反电压，达到电流互感器消磁抗饱和的目的。
本实施例所述的励磁系统的可控硅支路电流测量装置的其它结构参见现有技术。
实施例2
第二方面，如图6所示，本发明还公开一种励磁系统的可控硅支路电流测量方法，包括以下步骤：
步骤S1：获取电流互感器二次电流；
步骤S2：基于可控硅关断的间歇期，对二次电流进行反向消磁；
步骤S3：若电流大于预设值，则采集电阻R1两端的电压；
步骤S4：若电流不大于预设值，则采集电阻R3两端的电压；
步骤S5：输出采集到的二级电压信号。
本发明所公开的励磁系统的可控硅支路电流测量方法应用在实施例1所公开的励磁系统的可控硅支路电流测量装置中，通过其结构完成所有步骤，以实现对可控硅支路电流的二级电压信号获取，进而在励磁系统的极端工况下依然能够获得稳定且准确的可控硅电流测量数据。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (5)
1.一种励磁系统的可控硅支路电流测量装置，其特征在于，包括：
电流输入模块，其包括电流互感器及输入电路，所述电流输入模块用于连接三相全控桥式可控硅整流电路，以获取支路电流；
消磁模块，其包括消磁电路，所述消磁模块与电流输入模块连接，以使电流互感器消磁；
电压输出模块，其包括转换电路，所述电压转换模块与电流输入模块连接，以将电流互感器的二次输出电流转换为对应的电压并输出；
所述消磁电路包括三极管Q1、三极管Q2、二极管D7、二极管D8、二极管D9、电阻R2和电阻R4；
所述输入电路包括一组串联且相对朝内朝向的二极管D1和二极管D3，以及一组串联且相对朝外朝向的二极管D2和二极管D4，两组二极管相互并联；
所述消磁电路的一端连接至二极管D1和二极管D3之间，消磁电路的另一端连接至二极管D2和二极管D4之间；
所述消磁电路中，三极管Q1的发射极连接至二极管D1和二极管D3之间，电阻R2的一端与三极管Q1的基极连接，电阻R2的另一端与三极管Q1的发射极连接，二极管D7和二极管D8并联设置在三极管Q1的集电极和三极管Q2的集电极之间，三极管Q2的集电极还与三极管Q1的基极连接，二极管D9和电阻R4串联并连接在三极管Q2的集电极和发射极之间，三极管Q2的发射极连接至二极管D2和二极管D4之间。
2.根据权利要求1所述的励磁系统的可控硅支路电流测量装置，其特征在于，还包括：
采样切换模块，其包括采样切换电路，所述采样切换模块与电压输出模块连接，其采用两级电阻串联的方式，实现大电流和小电流之间的采样切换。
3.根据权利要求2所述的励磁系统的可控硅支路电流测量装置，其特征在于：
所述电流输入模块中的电流互感器与励磁系统中三相全控桥式可控硅整流电路的其中一个可控硅靠近，以感应该可控硅支路的电流。
4.根据权利要求3所述的励磁系统的可控硅支路电流测量装置，其特征在于：
所述转换电路包括相互并联的电阻R1、双向稳压二极管D5和双向稳压二极管D6，电阻R1、双向稳压二极管D5和双向稳压二极管D6的一端分别与电流互感器连接，电阻R1、双向稳压二极管D5和双向稳压二极管D6的另一端与二极管D3和二极管D4之间连接；
所述采样切换电路与转换电路连接，采样切换电路包括电阻R3、二极管D10、二极管D11、二极管D12和二极管D13，其中，二极管D10和二极管D11相互串联并朝向相同，二极管D12和二极管D13互相并联且朝向相同，二极管D10与二极管D12朝向相反，电阻R3分别与两组二极管并联，电阻R3与电阻R1连接，电阻R3与电阻R1之间接地。
5.根据权利要求4所述的励磁系统的可控硅支路电流测量装置，其特征在于，其测量方法具体包括以下步骤：
获取电流互感器二次电流；
基于可控硅关断的间歇期，对二次电流进行反向消磁；
若电流大于预设值，则采集电阻R1两端的电压；
若电流不大于预设值，则采集电阻R3两端的电压；
输出采集到的二级电压信号。
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