三相交流調壓模塊在線性調壓式恒流源中的應用

摘要：某大功率恒流源，其負載為0.05～0.1Ω的感性或電阻性，輸出電流200～500A連續可調，并對穩定度、準確度、重復性、紋波等技術指標均有較高要求。由于采用了三相交流調壓模塊，使調整管的管壓降被控制在5～10V范圍內，從而使調整管的數量成倍地減少，既簡化了散熱措施，優化了結構布局，而且達到了提高技術性能指標，增加可靠性的目的。

關鍵詞：交流調壓模塊；恒流源；串聯調壓式

1引言

某項科研任務需用上百臺500A恒流源，要求其有極高的可靠性、穩定度和低的紋波。其交流電網電壓340～420V，負載在0.05～0.1Ω的大范圍內變化，電流從200～500A連續可調，使用工控機進行控制。

從經驗和可靠性考慮，確定采用線性串聯電源方案。為了提高輸出電流穩定度，降低紋波以及避免開機瞬間對濾波電容、調整管的沖擊，可在三相橋式整流輸出端串接扼流圈。但是，針對本電源，需要制作500A，mH級的扼流圈，不僅造價高、體積大、笨重，需占有較大空間，而且影響裝配結構、布局。能否采用別的技術而不用扼流圈，則是本課題需要解決的一個問題。

已知負載電壓最低10V（0.05Ω／200A），最高50V（0.1Ω/500A），負載電壓的變化由調整管調節，再考慮電網電壓的變化，則調整管最高工作電壓可達60V。一般調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、高三檔的辦法來解決，但考慮到負載通電發熱阻值變大，電網變化及三檔復蓋等因素，調整管的工作電壓仍在20V以上。當調整管管壓降20V時，其耗散功率為10kW，如何將10kW的功率轉換的熱量排散出去，亦是很難解決的問題。

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

要解決上述問題可行的技術方案很多，經比較論證確定選用晶閘管交流調壓式。

2方案及工作原理

選用淄博市臨淄銀河高技術開發有限公司生產的捷普三相交流智能控制模塊作為前級調壓單元，恒流源工作原理見圖1。

三相交流電經斷路器、調壓模塊、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。

斷路器起著過流保護作用，當恒流源失控或負載短路時，自動切斷電源。

交流調壓模塊是本方案重要部件，只需外加12V直流電，以手動或微機控制給定信號電壓，即可改變6只晶閘管的觸發角，從而改變交流輸出電壓，達到控制直流電壓Vo的目的。

直流電壓經電流取樣，比較放大調整后輸出穩定的電流Io，從線性串聯電源原理可得：

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

圖1恒流源主電路

Vs為取樣電阻的電壓；

VL為負載電阻的電壓。

由于Rs<Vo≈Vce＋VL根據給定的輸出電流Io和負載RL，調節交流模塊控制信號電壓，使Vce在5～10V范圍內變化，則可以成倍地減少調整管的數量和耗散功率。

3方案效果分析

用變壓器分檔辦法，調整管管壓降仍在20V以上，如何將調整管耗散10kW的熱量排散出去，以往采用水冷或風冷散熱器，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，而且特別是上百臺恒流源，要用上千根連接水管，易發生漏水問題，如有一處漏水，實驗就無法進行。

采用晶閘管交流調壓式，使調整管在較低的電壓下工作，管耗在3.5kW左右，從而使調整管數量成倍減少，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，并適當增加厚度和散熱面積，加強風冷，則可以去掉水冷，這是對恒流源最大的改進。

雖然用串聯扼流圈方式可降低紋波，提高穩定度和減輕啟動瞬間對調整管和濾波電容的沖擊損傷，但500A，mH級的扼流圈占據較大空間，影響裝配結構。實踐證明裝配工藝、布局對恒流源技術指標有較大影響。采用晶閘管交流調壓式，可以使裝配結構布局更加合理，從而有利于改進和提高恒流源性能指標；采用調壓式可以使移相控制器的控制信號電壓緩啟動，避免啟動瞬間對調整管和濾波電容的沖擊損傷。因此，采用晶閘管交流調壓式可以去掉體積大、笨重、造價高的扼流圈。

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

4結語

采用晶閘管交流調壓式，去掉水冷和扼流圈，使結構緊湊、布局合理、工藝規范，調試方便，一致性好。同時對原取樣電阻也作了較大改進，從而使恒流源的性能指標有了較大提高，在30s內穩定度優于0.01％，紋波優于0.1％(峰值)，重復性優于0.1％。

采用調壓式，由于調整管工作在較低的電壓下，性能穩定可靠，兩臺樣機均做10000次可靠性實驗，無失誤。

采用調壓式，優化裝配結構布局，裝配維修簡便，省工省時。

采用調壓式，省掉500A，mH級扼流圈，成倍地減少了大功率調整管，并去掉了水冷系統，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改變晶閘管的觸發角進行調壓，再加之變壓器二次又有三相橋式整流，都是諧波源，因此對電網產生諧波污染。