原標(biāo)題：大電流變流裝置過(guò)電壓智能保護(hù)模塊設(shè)計(jì)

大電流變流裝置過(guò)電壓智能保護(hù)模塊的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜但至關(guān)重要的過(guò)程，它旨在保護(hù)電力電子器件免受過(guò)電壓的損害。以下是對(duì)該設(shè)計(jì)過(guò)程的詳細(xì)解析：

一、設(shè)計(jì)背景與需求

大電流直流電力電子變流裝置在冶金、化工及有色加工等行業(yè)中扮演著至關(guān)重要的角色。然而，這些裝置在使用過(guò)程中經(jīng)常面臨過(guò)電壓的威脅，這可能導(dǎo)致電力電子器件的損壞，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，設(shè)計(jì)一種集過(guò)壓檢測(cè)和過(guò)壓動(dòng)作于一身的智能保護(hù)模塊顯得尤為重要。

二、過(guò)電壓產(chǎn)生原因

過(guò)電壓的產(chǎn)生原因可分為外因和內(nèi)因兩種情況：

1. 外因：主要包括自然災(zāi)害，如雷電造成的過(guò)電壓。這些外因過(guò)電壓通常可以通過(guò)良好的接地措施來(lái)避免。

2. 內(nèi)因：

• 合閘操作過(guò)電壓：當(dāng)一次側(cè)合閘瞬間，高壓通過(guò)分布電容耦合到二次側(cè)，使二次側(cè)出現(xiàn)過(guò)電壓。

• 分閘操作過(guò)電壓：當(dāng)整流變壓器空載或負(fù)載阻抗較高時(shí)，分?jǐn)嘁淮蝹?cè)開(kāi)關(guān)會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)存的能量通過(guò)二次側(cè)的分布電容釋放，從而產(chǎn)生過(guò)電壓。

• 器件換流過(guò)電壓：晶閘管換流時(shí)，器件內(nèi)各PN結(jié)層殘存載流子復(fù)合產(chǎn)生反電流，此電流在極短時(shí)間內(nèi)降至接近于零的數(shù)值，導(dǎo)致較大的Ldi/dt電壓，足以燒壞晶閘管。

• 逆變器換流失敗過(guò)電壓：即變流裝置在AC-DC轉(zhuǎn)換中未達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，造成局部或整體過(guò)電壓。

三、智能保護(hù)模塊設(shè)計(jì)

1. 總體設(shè)計(jì)思路

智能保護(hù)模塊的設(shè)計(jì)應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)迅速、保護(hù)門限寬和便于集成的優(yōu)點(diǎn)。它應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)電壓情況，并在必要時(shí)采取保護(hù)措施。

2. 硬件設(shè)計(jì)

• 電壓互感器：用于檢測(cè)整流裝置中的電壓。它是一個(gè)帶鐵心的變壓器，通過(guò)改變一次或二次繞組的匝數(shù)來(lái)調(diào)整電壓比。電壓互感器的輸入端電壓即為整個(gè)保護(hù)裝置的檢測(cè)電壓，其信號(hào)處理后的輸出電壓將與保護(hù)門限電壓進(jìn)行比較。

• 電壓比較器：選擇LM339電壓比較器，將檢測(cè)到的電壓與保護(hù)門限電壓進(jìn)行比較。若檢測(cè)到的電壓大于保護(hù)門限電壓，則輸出低電平信號(hào)，觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作。

• 單片機(jī)：作為控制核心，單片機(jī)負(fù)責(zé)接收電壓比較器的輸出信號(hào)，并根據(jù)信號(hào)控制晶閘管的觸發(fā)脈沖。文中通過(guò)51系列單片機(jī)的P1.0口控制晶閘管觸發(fā)脈沖輸出的P0口，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整流裝置輸出的控制。

• 晶閘管觸發(fā)脈沖控制：通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生晶閘管觸發(fā)脈沖，并控制其產(chǎn)生和關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整流裝置輸出的控制。

3. 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分主要包括主控程序和輔助控制程序。主控程序負(fù)責(zé)接收硬件部分傳來(lái)的信號(hào)，并根據(jù)信號(hào)判斷是否需要采取保護(hù)措施。輔助控制程序則負(fù)責(zé)一些輔助功能，如顯示、報(bào)警等。

4. 保護(hù)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)

當(dāng)檢測(cè)到的電壓超過(guò)保護(hù)門限電壓時(shí)，單片機(jī)將輸出封鎖脈沖，關(guān)斷晶閘管的觸發(fā)脈沖，從而切斷整流裝置的輸出。同時(shí)，單片機(jī)還可以通過(guò)LCD顯示電路顯示過(guò)電壓信息，并通過(guò)報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

四、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與性能評(píng)估

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該智能保護(hù)模塊的響應(yīng)時(shí)間為微秒級(jí)，滿足過(guò)壓保護(hù)響應(yīng)時(shí)間的要求。同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)波形的比較，驗(yàn)證了電壓比較電路的回差電壓為5V，達(dá)到了預(yù)期保護(hù)遲滯的設(shè)定。此外，通過(guò)改變保護(hù)門限電壓的阻值，可以實(shí)現(xiàn)不同門限的過(guò)壓保護(hù)。

五、結(jié)論與展望

本文設(shè)計(jì)了一種大電流變流裝置的過(guò)電壓智能保護(hù)模塊，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性和性能。該模塊具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)迅速、保護(hù)門限寬和便于集成的優(yōu)點(diǎn)，為電力電子變流裝置的保護(hù)提供了新的解決方案。未來(lái)，可以進(jìn)一步優(yōu)化該模塊的設(shè)計(jì)，提高其性能和可靠性，以滿足更多應(yīng)用場(chǎng)景的需求。