引言
大電流直流電是冶金、化工及有色加工行業必不可少的供電電源，如今在國內比較常用的為以飽和電抗器調壓、整流變壓器降壓整流管整流的方案和以整流變壓器直接降壓、晶閘管整流的方案，由于這兩種方案都屬于對工頻整流的方案，使用中并聯電力電子器件多，系統龐大，其快速有效的保護一直較難，現多用的是分散保護的方案，不便于集成，同時抗干擾性能差，現場調試整定困難。為此本文主要針對大電流直流電力電子變流裝置保護模塊中具有代表性的過電壓保護設計了一種集過壓檢測和過壓動作于一身的智能保護模塊，其具有結構簡單、響應迅速、保護門限寬和便于集成的優點。
過壓分析
在大電流直流電力電子變流裝置中，電力電子器件對電壓非常敏感，一旦外加電壓超過器件所允許的最大額定值，器件將立即損壞。整流裝置中造成過電壓的原因很多，可分為外因和內因兩種情況。一般外因包括常見的自然災害，比如雷電造成的過電壓，其都可通過良好的接地避免。但是由內因引起的過電壓是不可避免的，其歸為四類：合閘時的操作過電壓、分閘時的操作過電壓、器件換流過電壓和逆變器換流失敗過電壓。
合閘操作過電壓是其一、二次繞組間存在分布電容，一次側合閘瞬間，高壓通過分布電容耦合到二次側，使二次側出現過電壓。分閘操作過電壓是當整流變壓器工作時，其勵磁電感有儲能作用，如果變壓器空載或負載阻抗較高，分斷一次側開關，儲存的能量無法通過負載釋放，只能通過二次側的分布電容釋放，在振蕩過程中耗盡儲能，且在勵磁電流峰值分閘過電壓最嚴重。器件換流過電壓主要是指晶閘管換流過電壓，晶閘管換流時，器件內各PN結層殘存載流子復合產生反電流。此電流在極短時間內降至接近于零的數值，則有較大的Ldi/dt電壓足以燒壞晶閘管。逆變器換流失敗過電壓，即變流裝置在AC-DC中未達到預期目標，造成局部或整體過電壓。
這些導致整流裝置過電壓的因素不可能從根本上消除，但可以有效利用快速感應器件及合理的調理電路通過人工智能模塊實現過電壓保護的功能。
過壓保護模塊的設計
傳統的大電流變流裝置過壓保護主要采用分離器件的保護，比如排氣式避雷器、閥型避雷器或金屬熔斷絲等，國外已經開發出半導體熔斷絲，其具有可恢復性，但是價格昂貴。本文通過綜合考慮，選用了目前國內外性價比較高的51系列單片機作為主控制核心，結合具有快速響應的電壓互感器和相關調理電路組成整個變流裝置的過壓保護模塊。
過壓檢測電路
過壓檢測主要是在整流裝置中并聯電壓互感器，通過整流濾波電路對檢測到的電壓進行處理，其電路圖如圖1中A部分所示。電壓互感器是一個帶鐵心的變壓器，其主要由一、二次線圈、鐵心和絕緣組成。當在一次繞組上施加一個變化電壓U1時，在鐵心中就產生一個磁通φ，根據電磁感應定律，則在二次繞組中就感生出電壓U2。改變一次或二次繞組的匝數，可以使一、二次側電壓比發生變化，這樣就可組成不同比的電壓互感器。文中的電壓互感器將輸入高電壓依匝比降為低電壓輸出，其一次側接在一次系統，二次側接信號處理電路。其工作原理與變壓器相同，基本結構也是鐵心和原、副繞組。其特點是容量很小且比較恒定，正常運行時接近于空載狀態，一次側電流和二次側電流都比較小。根據設計，電壓互感器的輸入端電壓U1即為整個保護裝置的檢測電壓，其信號處理后的輸出電壓U3即為檢測到的電壓。U3將與保護門限電壓UREF進行比較，若U3＜UREF，則輸出為高電平；若U3＞UREF，則輸出為低電平；以此方便后續單片機進行判斷。保護門限電壓UREF即為參考電壓，其是直流電壓，故在U3的整流濾波處理過程中，結合輸入輸出端電壓參數，以及回路中可承受最大輸出電流小于10mA，可以選擇低于0.3W的整流橋及需要過濾低頻諧波的濾波電容C1≥0.144/(f×R1×r)，其中r一般為0.002，過濾高頻諧波的電容C2為低值瓷介質電容。
圖1 過壓智能保護模塊電路圖
過壓比較電路
電壓互感器檢測到的電壓信號必須經過比較電路轉化為單片機能夠識別的信號，而且快速準確的判斷過壓與否關系到整個保護模塊實際存在的必要性，是過壓保護模塊的關鍵。
這里選擇LM339電壓比較器，其具體電路如圖1中B部分所示。圖中同相端接參考電壓UREF，異相端接檢測到電壓U3，其中R2和R3串聯提供UREF電壓，且R3是一個可變電位器可以改變UREF的大小。在1/4LM339的輸出端用三極管M5構成了一個正反饋回路，這樣就形成了一個反相輸入遲滯比較器，其上門限電壓UT+和下門限電壓UT-分別如公式1-1和公式1-2所示：
和 
（1-2）
故回差電壓為：
（1-2）
其中r為三極管處于放大區的內阻可以忽略，UOH為LM339輸出高電平5V，UOL為輸出低電平0V，根據設計要求R3調為3KΩ，由此可得
=5V。假設整流裝置輸入交流有效電壓U1為209V，且上下波動10%都為安全電壓，此時電壓互感器檢測到的電壓U3小于2.6V，且小于參考電壓UREF，輸出開路，過電壓保護模塊不動作，作為正反饋的射極跟隨器三極管M5導通UREF=2.8V。當U1增加到230V時，U3大于2.8V，輸出為低電平，過電壓保護模塊動作，單片機輸出封鎖脈沖，且M5截止UREF=2.7V，促使U3更大于UREF，這時翻轉后的狀態極為穩定，避免了過電壓附近電壓波動而引起的不穩定現象。由于產生了一定的回差，過電壓保護動作后，整流裝置的輸入電壓U1必須降到230-5=225V時，即U3＜UREF，整流裝置才能恢復正常。
脈沖輸出控制
大電流整流裝置主要是通過晶閘管整流，而晶閘管的導通是需要觸發脈沖的，這里對觸發脈沖的控制是基于單片機產生晶閘管觸發脈沖。因此，控制了晶閘管觸發脈沖的產生就控制住了整個整流裝置的輸出，也就達到了過壓保護的目的。
圖2 脈沖輸出控制程序流程圖
單片機是一種微型計算機，可以通過編程實現相應的功能。文中通過51系列單片機的P1.0口控制晶閘管觸發脈沖輸出的P0口，可以將電壓比較器的輸出端U4與單片機的P1.0口相接，中間用一個PNP型三極管進行電平轉換如圖1中C部分所示。當U4為高電平時，單片機P1.0口有內置高阻上拉電阻，復位后P1.0口為高電平，三極管M6截止；當U4為低電平時，三極管M6導通，并將P1.0口拉為低電平，此時P0口被強行復位。其脈沖輸出控制程序流程圖如圖2所示，確保了整流裝置過電壓時晶閘管觸發脈沖能夠及時關斷，當電壓恢復到安全值后能夠自動運行。
實驗結果
通過電壓比較電路實驗波形的觀察發現其輸出高低電平的轉換時間為微秒級，達到保護模塊設計要求的響應時間。
由圖3實驗波形可以發現，當輸入電壓有效值低于U1=209V，晶閘管輸出脈沖正常，整流設備正常工作；當輸入電壓有效值U1=212V，晶閘管輸出脈沖被關斷，整流設備停止工作；當輸入電壓有效值降為U1=204V，晶閘管輸出脈沖正常，整流設備重新正常工作。
圖3 過壓前后控制觸發脈沖輸出波形
結論
本文設計了一種大電流變流裝置的過電壓智能保護模塊，分析了導致過電壓的原因，結合整流裝置過壓特性提出利用性價比較高的51系列單片機作為控制核心，實現了智能保護的目的。通過實驗發現整個過壓保護模塊的響應時間為微秒級，滿足過壓保護響應時間的要求。通過實驗波形的比較，驗證了電壓比較電路的回差電壓為5V，達到了預期保護遲滯的設定。通過改變R3的阻值可以實現不同門限的過壓保護，而且實驗證明了該智能保護模塊是可行的。