PSM高壓直流電源預充電電阻參數設計與仿真

陳烘民

摘要：PSM高壓直流電源的直流環節有儲能濾波電容，并且容值大，因此需要在PSM電源的輸入端設計預充電回路。預充電回路器件的參數設計主要需要考慮充電時間、經濟成本、可靠性等因素。本文依照預充電電阻的工作過程，詳細闡述了預充電電阻電氣參數的設計方法、參數選擇、冗余設計以及電氣仿真。

關鍵詞：PSM高壓直流電源;預充電電阻;參數設計;仿真

1概述

PSM高壓直流電源是由若干數量的相同拓撲結構的直流電源模塊串聯組成，經過特定的調制方式，最終獲得高電壓輸出的高壓大功率電源【1】。PSM高壓直流電源模塊的直流環節有儲能濾波電容，電容在電路通電瞬間相當于短路狀態，有很大的充電電流，該電流會對電路器件造成損壞。為了避免電容在充電初期的大電流，需要在電容輸入端設計預充電回路來限制充電電流的幅值。

2案例分析

預充電回路在變頻器、變流器中經常用到。對于不同的電源設備，預充電回路工作方式不完全相同。一般工作過程是：充電時主回路接入預充電回路，通過預充電電阻把電流限制在一個可控的范圍內，電容充電完成后再切除預充電回路，使主回路回到正常工作狀態。預充電回路屬于通用配置，但預充電回路器件的參數設計則是電源電氣設計的重要環節之一。

某型PSM高壓直流電源模塊原理圖如圖1所示。其中，QF1為主回路斷路器;QF2為預充電回路斷路器;Rp為預充電電阻;VD1、VD2為整流二極管;C1、C2為直流電容;R1、R2為均壓電阻;VT1、VT2為IGBT模塊。主回路QF1合閘上電前，預充電回路的QF2先合閘，交流輸入通過預充電電阻Rp給直流電容C1、C2充電。直流電容充電完成后，QF2分閘，預充電回路從主回路切除;然后QF1合閘，電源模塊進入正常工作狀態。預充電回路投切的控制邏輯有兩種，一種是用計算好的充電時間控制QF2的合閘時間;第二種是測量直流電容的電壓值，當直流電容的電壓值達到設定值后就切除預充電回路。

直流電容充電計算公式如下，

式中：Uc——直流電容電壓，V;Us——直流源電壓，V;C——直流環節總電容，F;R——充電電阻阻值，Ω;t ——充電時間s。

乘積RC為時間常數，用τ表示，單位為s。工程上一般認為電容經過5τ時間充電完成【2】。PSM高壓直流電源用戶允許的充電時間最長為5s。值得注意的是，上述公式中是直流源Us給電容充電，而PSM高壓直流電源是交流輸入經整流橋整流后給電容充電，充電速度小于直流源，充電時間為5τ的K倍左右，系數K的具體數值可以通過仿真對比來確定。由圖2所示，交流輸入經過整流橋整流后給電容充電，充電時間大致為直流充電的5倍，系數K可以取值5。

PSM高壓電源充電時間為5s，因此可以計算出PSM高壓電源充電電阻的阻值：

式中：R——充電電阻阻值，Ω;t ——允許的充電時間，此處為5s;K——交流充電時間換算系數，此處為5;C——直流環節總電容，F。

PSM高壓直流電源是由若干數量的相同拓撲結構的直流電源模塊串聯組成。每只電源模塊可以輸出直流電壓2KV，如果PSM高壓直流電源需要輸出直流電壓80KV，就需要至少40只電源模塊串聯，考慮到電源系統冗余設計，一般設計42只電源模塊串聯。如果預充電回路按照上述設計，每只電源模塊內有一套預充電回路，那么整個PSM電源的預充電回路就有42套，數量多，器件成本高，而且需要考慮可靠性。因此，需要將42套電源模塊的預充電回路設計在PSM電源的總輸入端。輸出電壓80KV的PSM高壓直流電源原理圖如圖3所示。其中，KM1為主回路接觸器;KM2為預充電回路接觸器;R1-R3為預充電電阻;U1-U42為PSM直流電源模塊。PSM高壓直流電源前端輸入為10KV交流，經過整流變壓器的降壓變換后作為電源模塊的輸入。整流變壓器副邊為42套單相繞組，每套副邊繞組作為電源模塊的輸入。

將預充電回路從電源模塊換算到PSM電源輸入端的公式如下所示：

式中：R——充電電阻阻值，Ω;Rmod——PSM電源模塊充電電阻阻值，Ω;N——變壓器原邊每相對應的副邊繞組數，此處為14;U2——變壓器副邊每相電壓，V;U1——變壓器原邊每相電壓，V。t ——充電時間，s;p——充電電阻瞬時功率，W。

選用預充電電阻時，預充電電阻的關鍵參數應滿足以下要求：

電阻≤R，沖擊功率>電阻選型功率>平均功率。

實例計算：PSM電源輸入電壓10KV，副邊每相1.5KV，每只電源模塊直流電容1500uF。

預充電電阻阻值選定為400Ω。

預充電回路接觸器按此電流選型。

預充電電阻的功率，按工程經驗，取值0.1倍沖擊功率，此處取值25KW。

3結論

預充電電阻的可靠性關系到PSM高壓直流電源的正常運用，本文利用計算公式和電氣仿真軟件對預充電電阻的參數模擬計算和量化分析，依據仿真結果作為預充電電阻的技術規范和選型依據，達到了經濟性、可靠性的目的。預充電電阻相關參數根據本文討論的計算方法完成設計選型，經過電源長期運行測試后，已批量使用，性能穩定。

參考文獻：

[1]徐偉東，宣偉民，姚列英，等. 基于PSM技術高壓脈沖電源的模擬試驗[J ]. 電工技術學報，2008，23（1）：1102113.

[2]邱關源，電路[M ]. 北京：高等教育出版社，2010.

[3]王兆安，黃俊. 電力電子技術[M ]. 北京：機械工業出版社，2000.