基于IGBT的低壓智能斷路器動(dòng)作執(zhí)行模塊的研究

張晨曦，李澤滔，趙忠斌

（貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

0 引言

在用電質(zhì)量要求越來(lái)越高的今天，如何保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行，如何采用各種保護(hù)電器對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行必要的保護(hù)是至關(guān)重要的。在各種保護(hù)設(shè)備中，斷路器作為其中重要的一員，在輸配電線路的主干線、支路中具有無(wú)可替代的作用[1-3]。在生活中，人們經(jīng)常遇到計(jì)算機(jī)設(shè)備的死機(jī)、運(yùn)行速度變慢、亂碼、主板短路，電視設(shè)備出現(xiàn)色彩失真、音質(zhì)變調(diào)、接收效果變差等現(xiàn)象，這些都是電涌的積累性危害所造成的。而電涌現(xiàn)象的產(chǎn)生除了平時(shí)被人們所注意的大負(fù)荷感性負(fù)載（如空調(diào)等）脫離電源的瞬間等造成的之外，很大一部分是在斷路器等開(kāi)關(guān)設(shè)備開(kāi)合閘過(guò)程中產(chǎn)生的[4-5]。

近年來(lái)，越來(lái)越多的電子半導(dǎo)體器件應(yīng)用于各種保護(hù)電器中，其中一種基于IGBT的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)被頻繁的應(yīng)用于低壓智能斷路器領(lǐng)域[6]。使得低壓智能斷路器可通過(guò)采用斬控式進(jìn)行軟脫扣或軟啟動(dòng)，并且在其執(zhí)行開(kāi)合閘動(dòng)作時(shí)，具有響應(yīng)速度快，不含有低次諧波，減小二次過(guò)電壓、過(guò)電流等優(yōu)點(diǎn)。

本文采用IGBT作為低壓智能斷路器動(dòng)作執(zhí)行模塊的動(dòng)作執(zhí)行器件，對(duì)低壓智能斷路器實(shí)現(xiàn)了軟脫扣、軟啟動(dòng)，大大降低了在開(kāi)合閘時(shí)電涌對(duì)智能電器的危害，提高了電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 IGBT簡(jiǎn)介

從1957年第一個(gè)晶閘管的誕生，到20世紀(jì)80年代后期，以絕緣柵極雙極性晶體管（Insulated-gate Bipolar Transistor , IGBT）為代表的復(fù)合型器件異軍突起。電力電子器件也由之前的半控型器件發(fā)展到了現(xiàn)在的全控型器件，密切的推動(dòng)了我國(guó)電器設(shè)備的發(fā)展[7]。IGBT屬于全控型器件，其也是三端器件，具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E，它是MOSFET和BJT的復(fù)合。它把MOSFET的驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)和BJT的通態(tài)壓降小、載流能力大、可承受電壓高的優(yōu)點(diǎn)集于一身，性能十分優(yōu)越，是現(xiàn)在電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件[8]。

2 低壓智能斷路器動(dòng)作執(zhí)行模塊在MATLAB/Simulink中的建模

針對(duì)居民用戶大多使用的阻感性負(fù)載，建模時(shí)采用星型連接的方式，利用6個(gè)IGBT作為動(dòng)作執(zhí)行器件，配以6個(gè)快恢復(fù)二極管構(gòu)成了低壓智能斷路器動(dòng)作執(zhí)行模塊的主電路，如圖1所示，除此之外還用了3個(gè)耐壓較高的無(wú)極性電容和3個(gè)一定功率的電阻。在實(shí)際電路應(yīng)用中，可在每個(gè)IGBT的陽(yáng)極處串聯(lián)一支快速熔斷器，使得IGBT的陽(yáng)極電流在一定的安全許可范圍內(nèi)，便可對(duì)IGBT進(jìn)行保護(hù)，以此達(dá)到安全性及可靠性方面的要求[9]。

圖1 IGBT軟脫扣的Simulink仿真電路Fig. 1 The Simulink simulation circuit of IGBT soft tripping

由于在該電路中低壓智能斷路器脫扣與啟動(dòng)的過(guò)程所用原理相似，本文以軟脫扣過(guò)程為例，對(duì)該電路進(jìn)行詳細(xì)介紹。如圖1所示的斬控式IGBT軟脫扣電路，在線路處于正常運(yùn)行范圍時(shí)，上面三個(gè)IGBT S1，S2，S3周期性的將三相阻感性負(fù)載與三相電源接通或斷開(kāi)，在S1，S2，S3關(guān)斷期間，負(fù)載電流通過(guò)下面三個(gè)IGBT S4，S5，S6續(xù)流，因而S1與S4、S2與S5、S3與S6的驅(qū)動(dòng)信號(hào)應(yīng)該互斥。為防止同一相上下兩個(gè)IGBT直通，在實(shí)際電路中，S1和S4、S2和S5、S3和S6的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間應(yīng)設(shè)置一定的死區(qū)時(shí)間，仿真時(shí)為了便于設(shè)計(jì)可以忽略死區(qū)時(shí)間。耐壓較高的無(wú)極性電容器C1、C2、C3用于在死區(qū)時(shí)間內(nèi)為負(fù)載電流續(xù)流，電阻R1、R2、R3用來(lái)吸收電容器C1、C2、C3在死區(qū)時(shí)間里所儲(chǔ)存的能量[10-12]。

在驅(qū)動(dòng)電路中，驅(qū)動(dòng)源采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)即PWM（Pulse Width Modulation）控制進(jìn)行設(shè)計(jì)，PWM控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)是面積等效原理即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同[13]。通過(guò)對(duì)逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或所需要的波形，即在輸出波形的半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率[14]。

在仿真中，首先產(chǎn)生一個(gè)斜率為4，初始值為-1的斜坡信號(hào)，設(shè)定信號(hào)起始時(shí)刻為0.095 s，隨后信號(hào)經(jīng)由一個(gè)飽和限定，輸出飽和幅值為±1的信號(hào)，將此信號(hào)與一個(gè)頻率為20 kHz的三角波信號(hào)進(jìn)行比較，若此信號(hào)值小于三角波的幅值，則輸出為1，否則為0，并將此信號(hào)作為S1，S2，S3的控制信號(hào)，將此信號(hào)的反向值作為S4，S5，S6的控制信號(hào)。從而可以看到一個(gè)控制效果為：在設(shè)定時(shí)間內(nèi)，S1，S2，S3同時(shí)逐漸關(guān)斷，S4，S5，S6同時(shí)逐漸開(kāi)通的過(guò)程。

為達(dá)到控制的目的，實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)置需要滿足如下功能：① 所輸出的控制信號(hào)為互補(bǔ)形式的兩路信號(hào)，兩路信號(hào)之間設(shè)置有一定的死區(qū)時(shí)間，信號(hào)電壓滿足開(kāi)通與關(guān)斷IGBT的要求，信號(hào)頻率高于10倍工頻；② 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度可調(diào)；③ 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)穩(wěn)定可靠[15]。

三相負(fù)載與電源之間采用LC三角型濾波器濾除開(kāi)關(guān)動(dòng)作等帶來(lái)的高頻噪聲。由于本設(shè)計(jì)中，為三相阻感性負(fù)載沒(méi)有N線，因此可采用三角型濾波器[16]。若負(fù)載為三相阻感性帶N線負(fù)載，可采用星型濾波器接法，二者的區(qū)別主要在于，三角型接法要求電容兩端承受較高線電壓值，星型接法要求電容承受較高的相電流值，兩者各有優(yōu)劣，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇[17-18]。

對(duì)濾波器的參數(shù)可先進(jìn)行單相計(jì)算，進(jìn)而由星型連接轉(zhuǎn)為三角型連接。以單相為例，LC濾波器的電感參數(shù)為L(zhǎng)，電容參數(shù)為C，則低通濾波器的截止頻率由公式（1）計(jì)算，若截止頻率以十分之一的IGBT開(kāi)關(guān)頻率為標(biāo)準(zhǔn)，即驅(qū)動(dòng)電路中的三角波的載波頻率20 k的十分之一為基準(zhǔn)，應(yīng)為2 k左右[19]：

實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)電容耐壓值得不同，選擇相應(yīng)型號(hào)，進(jìn)而確定電感的型號(hào)。在此，假定電容值為1μF，則可計(jì)算出三角型電感值為0.244 H。

對(duì)本電路進(jìn)行仿真時(shí)，不需要考慮死區(qū)時(shí)間，IGBT實(shí)現(xiàn)軟脫扣、軟啟動(dòng)的過(guò)程可以對(duì)需要的時(shí)間進(jìn)行設(shè)定。對(duì)于仿真來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)電路中斜坡函數(shù)的斜率值對(duì)電路的開(kāi)合時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，并且理論上仿真的時(shí)間可以在0至無(wú)窮大之間進(jìn)行選擇，時(shí)間的長(zhǎng)短影響電壓、電流波形的變化速率，時(shí)間越短，波形變化越快，幅值變化越不平滑；但在實(shí)際電路中，需要對(duì)上下兩只反并連的IGBT的開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)間考慮死區(qū)時(shí)間的影響[20]。在對(duì)IGBT軟脫扣、軟啟動(dòng)電路仿真過(guò)程中，負(fù)載電壓、電流波形完成整個(gè)開(kāi)合過(guò)程需要的時(shí)間就是與通過(guò)斜坡函數(shù)的斜率改變占空比由100%變?yōu)?的時(shí)間相同，在實(shí)際電路中，可采用主控芯片產(chǎn)生不同占空比的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)控制時(shí)間的快慢[21]。

3 仿真結(jié)果的分析比較

3.1 對(duì)電壓、電流軟脫扣過(guò)程的仿真

如圖2、圖3所示，為低壓智能斷路器改進(jìn)后的動(dòng)作執(zhí)行模塊軟脫扣過(guò)程中相電壓、相電流的波形。通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，負(fù)載的電壓與電流幅值從0.095 s開(kāi)始進(jìn)入軟脫扣過(guò)程，在0.6 s內(nèi)均由初始值逐漸減小至0，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)之初通過(guò)對(duì)IGBT開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制使電壓、電流緩慢關(guān)斷的過(guò)程。仿真波形平緩，達(dá)到了預(yù)期的目的。

圖2 軟脫扣相電壓輸出仿真波形Fig. 2 Simulation waveform of soft tripping phase voltage output

圖3 軟脫扣電流輸出仿真波形Fig. 3 Soft tripping current output simulation waveform

3.2 對(duì)沖擊電壓、沖擊電流軟脫扣及瞬時(shí)脫扣過(guò)程波形分析

在對(duì)脫扣過(guò)程中的沖擊電壓、沖擊電流進(jìn)行仿真時(shí)，為使得仿真結(jié)果更加直觀，本文均將50 Hz的工頻信號(hào)濾除掉。

圖4 軟脫扣過(guò)程相電壓沖擊仿真波形Fig. 4 Voltage impact simulation waveform of soft tripping process

圖5 瞬時(shí)脫扣過(guò)程相電壓沖擊仿真波形Fig. 5 Instantaneous tripping phase voltage shock simulation waveform

如圖4、圖5、圖6及圖7所示，為軟脫扣與瞬時(shí)脫扣過(guò)程中的相電壓、相電流的沖擊波形圖。經(jīng)過(guò)對(duì)比可以清晰看出，瞬時(shí)脫扣過(guò)程的沖擊電壓是軟脫扣過(guò)程中沖擊電壓的60倍左右，同時(shí)瞬時(shí)脫扣過(guò)程中的沖擊電流時(shí)軟脫扣過(guò)程中沖擊電流的47倍左右。通過(guò)對(duì)脫扣裝置的改進(jìn)，大大降低了低壓智能斷路器關(guān)斷時(shí)電涌對(duì)智能電器的危害，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

圖6 軟脫扣過(guò)程相電流沖擊仿真波形Fig. 6 Soft tripping phase current impact simulation waveform

圖7 瞬時(shí)脫扣過(guò)程相電流沖擊仿真波形Fig. 7 Instantaneous release process phase current impact simulation waveform

3.3 對(duì)電壓、電流軟啟動(dòng)過(guò)程的仿真

在對(duì)電路進(jìn)行閉合時(shí)，只需將上述控制電路中的比較部分變換設(shè)置，即Relational Operator中的比較關(guān)系反選。驅(qū)動(dòng)電路即可對(duì)IGBT實(shí)現(xiàn)關(guān)斷S4，S5，S6，開(kāi)通S1，S2，S3的過(guò)程，并使得負(fù)載兩端的電壓、電流幅值從零平緩增大至穩(wěn)定值。利用IGBT實(shí)現(xiàn)電路的軟啟動(dòng)過(guò)程時(shí)，負(fù)載上的電壓、電流波形如圖8及圖9所示，電壓、電流波形在0～0.095 s以內(nèi)為0，此時(shí)電路屬于斷電狀態(tài)，0.095 s以后，經(jīng)過(guò)大約0.6 s的時(shí)間，電壓、電流波形的幅值由0平緩增大至穩(wěn)定值。從而實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)之初通過(guò)對(duì)IGBT開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制使電壓、電流緩慢開(kāi)通的目的。

圖8 IGBT軟啟動(dòng)相電壓輸出仿真波形Fig. 8 IGBT soft start phase voltage output simulation waveform

圖9 IGBT軟啟動(dòng)相電流輸出仿真波形Fig. 9 IGBT soft start phase current output simulation waveform

3.4 對(duì)沖擊電壓、沖擊電流軟啟動(dòng)及瞬時(shí)啟動(dòng)過(guò)程波形分析

與脫扣過(guò)程一樣，在對(duì)啟動(dòng)過(guò)程中的沖擊電壓、沖擊電流進(jìn)行仿真時(shí)，為使得仿真結(jié)果更加直觀，同樣均將50 Hz的工頻信號(hào)濾除掉。

如下圖10、圖11、圖12及圖13所示，為軟啟動(dòng)與瞬時(shí)啟動(dòng)過(guò)程中的相電壓、相電流的沖擊波形圖。同軟脫扣一樣，軟啟動(dòng)過(guò)程中的沖擊電壓、與沖擊電流的大小，均比瞬時(shí)啟動(dòng)過(guò)程中，沖擊電壓與沖擊電流的大小有明顯的減弱。達(dá)到了設(shè)計(jì)之初，通過(guò)控制IGBT來(lái)減少對(duì)用電設(shè)備沖擊的目的。

圖10 IGBT軟啟動(dòng)過(guò)程相電壓沖擊仿真波形Fig. 10 IGBT soft start process phase voltage impact simulation waveform

圖11 IGBT瞬時(shí)啟動(dòng)過(guò)程相電壓沖擊仿真波形Fig. 11 IGBT instantaneous start process phase voltage impact simulation waveform

圖12 IGBT軟啟動(dòng)過(guò)程相電流沖擊仿真波形Fig. 12 IGBT soft start process phase current impact simulation waveform

圖13 IGBT瞬時(shí)啟動(dòng)過(guò)程相電流沖擊仿真波形Fig. 13 IGBT instantaneous start process phase current impact simulation waveform

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電涌危害的了解，針對(duì)在檢修過(guò)程中開(kāi)合閘產(chǎn)生的電涌對(duì)家庭用電設(shè)備的沖擊，本文對(duì)低壓智能斷路器的動(dòng)作執(zhí)行模塊提出了改進(jìn)方法，并通過(guò)MATLAB/Simulink進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果顯示改進(jìn)后的動(dòng)作執(zhí)行模塊在開(kāi)合閘過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊對(duì)家庭用電設(shè)備傷害大大減小，達(dá)到了預(yù)期的目的。在具有大負(fù)荷設(shè)備的工廠中，直接斷電產(chǎn)生的電涌危害無(wú)法想象，對(duì)工廠造成無(wú)法估計(jì)的損失。本文所提出的對(duì)低壓智能斷路器動(dòng)作執(zhí)行模塊的改進(jìn)辦法為應(yīng)用到具有大負(fù)荷設(shè)備的工廠中提供了理論依據(jù)和實(shí)用價(jià)值。

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