1、基于DSP的均壓均流測試系統的設計摘要電力機車一般都采用交流制供電，交流電從主變壓器的牽引繞組經過硅機組整流后，向牽引電動機集中供應直流電，使牽引電動機產生轉矩驅動機車動輪轉動。整流柜的性能將直接影響電力機車的運行能力，而整流柜主整流組件很容易出現擊穿、燒損、放炮等故障，從而導致硅整流裝置出現短路，斷路等故障。作者對對上述問題作了較詳細的研究和探討，并設計了一種基于DSP的采用脈沖方式對電力機車整流柜進行均壓均流測試的系統。首先對整流柜的結構功能、工作特性和產生故障的原因進行了分析，在此基礎上設計了對整流柜進行均壓均流測試的脈沖測試電路、脈沖觸發電路、通道信號處理電路、信號采集電路以及DSP的

2、接口電路等諸多硬件電路，并且開發了一套以ADC程序和串口通信程序為主的DSP軟件，詳細分析了上述軟硬件的功能、原理和流程圖。最后對該測試系統的設計進行了總結，肯定了該系統的設計方案。關鍵詞：電力機車，DSP，整流柜，均壓均流測試THE DESIGN OF CURRENT SHARE AND VOLTAGE TEST SYSTEM BASE ON DSPAbstractLocomotive general adopt alternating current to power-up, the alternating current come from the drag winding of mai

3、n converter was commutated by the rectifier, then supply direct current to the drag electric motor to make the drag electric motor generate torque drive locomotive turning. The behavior of rectifier effect the locomotives ability of running directly, but the commutate component of rectifier occur br

4、oke through, burn down blasting breakdown and so on easily, thereby lead the rectifier to short circuit or block. The writer aim at the issue did detail research and exploration, designed a kind of impulse fashion test system of the locomotive rectifier current share and voltage share based on DSPFi

5、rstly analyzed the framework function, working characteristics and the reason of breakdown, On this foundation designed the current share and voltage share test impulse circuit, impulse flip-flop circuit, access signal processing circuit, signal collect circuit and the interface circuit and so on ha

6、rdware circuit, and developed a set of DSP software main of ADC subprogram and serial interface communication subprogram, analyzed the function principle and flow sheet of hardware and software. Finally made a summa of the excogitation of the test system, affirmed the excogitation of the system.Key

7、Words: Locomotive, DSP, rectifier, current share and voltage share test目錄主要符號說明1第一章 緒論21.1 前言21.2 整流柜的均壓與均流21.2.1 電力電子器件串聯時的均壓21.2.2 電力電子器件并聯時的均流31.3 均壓和均流測試31.3.1 低壓電流測試(均流測試)31.3.2 輕載電壓測試(均壓測試)31.4 試驗裝置及其目的與意義41.4.1 本試驗裝置的基本特點41.4.2 本試驗裝置的基本原理41.4.3 試驗裝置的目的與意義4第二章 整流柜及其均壓均流測試72.1 整流柜的結構72.2 整流柜的功能

8、和原理82.2.1 整流裝置均流功能分析92.2.2 整流裝置均壓功能分析102.2.3 整流裝置過電壓保護功能分析102.2.4 整流裝置過電流保護功能分析112.2.5 晶閘管的di/dt保護112.3 被測組件特性112.4 硅機組均壓均流試驗的現狀和本系統的優點132.4.1. 國內電力機務段機車硅機組均壓均流試驗的現狀132.4.2 新型硅機組均壓均流試驗裝置的特點13第三章 均壓、均流試驗系統主電路的設計153.1 總體方案的設計153.1.1 試驗系統測試方案153.1.2 均壓、均流試驗系統的組成153.2 電源單元的設計173.2.1 硅機組的均流測試183.2.2 硅機組的

9、均壓測試193.3 觸發電路的設計203.3.1 被測可控硅的觸發電路203.3.2 脈沖電源觸發電路213.4 信號采樣與轉換223.5 霍爾傳感器223.5.1 霍爾電壓電流傳感器概述223.5.2 霍爾傳感器工作原理233.5.3 霍爾傳感器接線圖24第四章 基于DSP的信號采集與處理系統硬件設計284.1 DSP芯片概述284.1.1 DSP芯片的分類284.1.2 DSP系統的設計過程294.2 TMS320LF240x芯片的特點314.2.1 TMS320系列DSP芯片的概況314.2.2 TMS320C2000系列DSP芯片的基本結構324.2.3 TMS320LF240x系列D

10、SP芯片的概述344.3 以TMS320LF2407A為核心的信號采集與傳輸系統354.3.1 TMS320LF2407A芯片的ADC模塊354.3.2 TMS320LF2407ADSP的SCI模塊37第五章 信號采集、處理與傳輸軟件設計385.1 DSP軟件開發工具概述385.2 系統軟件的開發405.2.1 C 語言與匯編語言的混合編程405.3 ADC部分的設計415.3.1 ADC模塊的電平匹配415.3.2 ADC模塊的初始化425.3.3 采樣值轉換為有效值435.3.4 ADC模塊的軟件設計445.4 DSP與PC機間串行通信部分的設計455.4.1 設置串行通信口455.4.2

11、 邏輯電平轉換455.4.3 串口波特率的匹配465.4.4 串行通信的軟件設計465.4.5 串口的設置485.4.6 小結485.5 測試運行結果48第六章 總結516.1 主要工作回顧516.2 本課題今后需進一步研究的地方51致謝52參考文獻53附錄A 源程序55個人簡歷 在讀期間發表的學術論文60主要符號說明U 電壓；I 電流；B 磁感應強度；Ki 并聯橋臂均流系數； 各并聯支路的電流之和；IM 通過最大電流支路的電流。Ku 串聯支路均壓系數； 支路串聯組件的電壓(V)；UM 承受最大電壓組件的電壓(V)；URRM 反向重復峰值電壓；IRRM 反向重復峰值電流；UFM 正向通態電壓；

12、IFM 正向通態電流；E H 霍爾電勢；KH 霍爾組件靈敏度； 采樣/保持器的捕捉時間； 采樣/保持器的設定時間； A/D轉換的時間；FFT 快速傅立葉變換。第一章 緒論1.1 前言電力機車的牽引動力是電能，但與內燃機車不同，電力機車本身沒有原動力，是依靠外部供電系統供應電力，并通過機車上的整流柜將受電弓從接觸網上取得的交流的電轉換成直流，由牽引電動機驅動列車前進。由電力機車實施的牽引運行稱為電力牽引，電力牽引具有功率大、效率高、過載能力強、運營費用低、司機勞動條件好、不污染環境等一系列優點。電力機車主要由車體、車底架、走行部、車鉤緩沖裝置制動裝置和一整套電氣設備等組成。除電氣設備外，其余部分

13、都同交直流電力傳動內燃機車相似。電力機車的硅整流裝置是電力機車上的關鍵部件之一。由大功率整流二極管和晶閘管及其附件組成橋式整流電路。其功能是把來自牽引變壓器副邊繞組的交流電整流為直流電，供給牽引電動機使用，同時兼有調壓開關級間平滑調壓的作用。機車在滿負荷運行的時候，整流裝置處于高電壓、大電流的狀態之下，整流柜主整流組件很容易出現擊穿、燒損、放炮等故障，從而導致硅整流裝置出現短路，斷路等故障，進而將直接導致機車故障而中斷運輸，這不僅干擾了正常的運輸秩序，影響運用機車運輸，給運輸安全也帶來了隱患，而且由于大量更換組件使檢修成本上升，造成了經濟損失。大功率晶閘管和硅整流管是構成硅整流裝置即硅機組的基

14、本組件，而大功率晶閘管和硅整流管組件的性能又決定了整流柜的性能。因此，測試它們的基本特性，合理地選配組件，將有助于提高機車運行的可靠性。所以我國電力機務段對電力機車上的硅機組(硅整流裝置)在進行段修后，需按檢修規程要求，進行均壓和均流試驗，以檢查硅機組的均壓和均流情況是否符合規程的要求。3,41.2 整流柜的均壓與均流1.2.1 電力電子器件串聯時的均壓對于電力機車的整流柜, 為了提高整流柜的電壓等級, 電力半導體器件(二極管、晶閘管)的串并聯是很常見的。多個串聯的電力半導體器件由于其反向特性存在差異, 當加上正向或反向電壓時,各個管子所承受的正、反向電壓也就不同。對于整流二極管而言,承受正向

15、電壓就會導通；但在承受反壓時,承受過大反向電壓的管子有可能被擊穿,而其它管子的電壓則利用不充分。而對于串聯工作的晶閘管來說,由于正向阻斷特性的差異,在加上正向電壓但沒有給門極觸發脈沖時,串聯的晶閘管之間所承受的正向電壓也是不同的。過大的正向電壓有可能使對應的晶閘管正向導通或者損壞,這是電路中所不能允許的。為了使串聯的電力半導體器件承受的電壓分配均勻,必須對其進行均壓。按照電力機車的檢修規程，必須保證硅機組的均壓系數在0.95以上。1.2.2 電力電子器件并聯時的均流對于電力機車整流柜,通常用并聯多個電力電子器件的方法來提高整流柜的電流等級。多個電力電子器件并聯時,由于受并聯支路阻抗差異的影響及

16、器件通態伏安特性(可控器件還有觸發導通時間的差異)的影響,因而會造成穩態及瞬間電流的分配不均和開通過程中電流上升率的不同。所以,對并聯的電力電子器件,必須采取均流措施。對于大容量的變流裝置而言,最常用的均流方法是在電力電子開關器件串聯一個均流電抗器。按照電力機車的檢修規程，必須保證硅機組的均壓系數在0.85以上。在電力機車整流柜,通常只需采用將器件按其正向通態特性分組,一般可以滿足均流系數大于0.85的技術要求。1.3 均壓和均流測試1.3.1 低壓電流測試(均流測試)在直流輸出端短接或接一個低值電阻負載，交流端施加一個可以提供整流裝置額定輸出電壓12V的低電壓最大電流額定電流為4800A情況

17、下進行試驗。整流裝置通電時測量各橋臂支路的電流、按下式計算均流系數不小于0.85。即： (1-1)式中并聯橋臂均流系數；各并聯支路的電流之和(A)；并聯支路數；通過最大電流支路的電流(A)。K值越大，說明牽引整流裝置的均流效果越好，在正常運行的情況下整流組件的可靠性高。1.3.2 輕載電壓測試(均壓測試)輕載電壓試驗是整流裝置在很小的負載下，施加額定交流電壓，檢查整流裝置電路的聯接是否正確以及靜態特性是否滿足要求，并測量串聯支路組件的均壓系數。本整流裝置均壓試驗測量橋臂支路串聯組件的電壓按下式計算出均壓系數K不小于0.95。即： (1-2)式中串聯支路均壓系數；支路串聯組件的電壓(V)；串聯支

18、路數；承受最大電壓組件的電壓(V)。K值越大，說明牽引整流裝置的均壓效果越好，在正常運行的情況下整流組件的可靠性越高。51.4 試驗裝置及其目的與意義1.4.1 本試驗裝置的基本特點用脈沖方式測量組件特性的儀器和設備，國內已有不少單位早已研制和開發，并已經形成正式產品。用DSP進行數據采集和數據處理技術發展已相當成熟，在國內也早已在很多領域中得到應用。所以本試驗裝置采用間隙式脈沖高壓、大電流測試硅機組均流均壓系數的技術，以DSP為核心的數據采集及相應的處理軟件和硬件，構成了一套完整的硅機組均壓均流試驗和數據采集處理系統，具有一定的先進性和實用性。1.4.2 本試驗裝置的基本原理采用脈沖電源測量

19、，在進行試驗時，向被試硅機組輸出一個正弦半波電壓，這與整流組件在正常工作時的導通條件相同。采用高精度霍爾電流傳感器和電壓傳感器作為電流檢測組件和電壓檢測組件，使用以DSP為核心的數據采集板及相應的處理軟件，可自動計算和輸出每個被測硅機組的均流系數和均壓系數，并實時輸出檢測結果。使檢修人員更快更準確地知道整流柜各支路的均流系數和均壓系數，并可以對各測量出的值進行相關判斷，從而得出被測試的整流柜是否合格。在建立了較為完善的段內硅機組檢修數據庫的基礎上，可根據每次段修積累的資料，觀察組件參數的變化，參照有關的電力半導體器件的失效判據，了解和判定各組件的技術狀態。使機務段能隨時查看硅機組的技術狀態，為

20、預防故障狀態修創造了條件。 61.4.3 試驗裝置的目的與意義整流裝置的設計要求整流橋任何橋臂上的并聯支路的電流要基本相等，這樣就不致因某一臂并聯支路硅組件承擔過大的電流而燒損或長期工作在大電流狀態下而過早地使組件降級老化而燒損。因此設計上要求任何橋臂的均流系數應在0.85以上，各晶閘管兩端的電壓的均壓系數就在0.95以上，這樣才能保證整流裝置的安全使用。生產廠家在生產調試過程中是通過對硅組件的特性進行測試，將硅組件特性基本一致的搭配成組形成一個橋臂來實現0.85以上的均流系數和0.95以上的均壓系數。但整流裝置經過一段較長時間的使用后，通過現場檢測可能發現其各方面性能均發生了不同程度的變化，

21、使得均壓系數或均流系數不能達到保證整流裝置安全使用的標準。這就必然出現因某一臂并聯支路硅組件承擔過大的電流而燒損或長期工作在大電流狀態下而過早地使組件降級老化而燒損的情況，從而導致電力機車中斷運輸。整流柜性能的變化主要表現在如下幾點:(1) 硅元件特性發生變化，硅元件降級老化，正向壓降偏離原始出廠參數。(2) 不同金屬材料間的接觸導致金屬反應產生電腐蝕現象是至關重要的問題:整流裝置硅元件的散熱器為鋁質材料，而與其相聯結的銅排和硅元件管殼為銅質材料，這兩種不同金屬的材料相互聯結在一起，長時間工作在大電流的狀態下不可避免地產生金屬間的反應，致使兩種不同金屬材料間的接觸面產生電腐蝕，使接觸面產生麻坑

22、，即在硅元件的接線端和硅元件的管殼與散熱器的接觸面產生麻坑，最終導致整個硅元件管芯與散熱器的接觸電阻增大，硅元件的引出端與元件間的聯結銅排間的電阻增大，使硅元件的招體電阻增大。這樣必然產生兩種現象:一種現象是因硅元件的整體電阻增大，通過大電流時產生損耗發熱導致元件燒損;另一種是因硅元件有的已產生電腐蝕有的未產生電腐蝕，在一個橋臂并聯支路某一支路中的電阻發生變化，在相同的輸入電壓下，必然造成電流不一致，最后因某一支路承擔超負荷的電流而燒損。(3) 硅元件間的聯接是通過聯接銅排進行聯接的，聯接螺栓會因長時間通過大電流而發熱及電磁力的作用和機車的振動等影響，緊固力發生變化，使硅元件的聯接處的接觸電阻

23、發生變化，最終也因橋臂并聯支路的電阻不同，而導致橋臂支路間的電流大小不同，支路電流大的硅元件將燒損。從以上三點看出硅元件特性變化必然造成均流系數的變化；硅元件散熱器與元件管殼之間電腐蝕及硅元件散熱器引出端電腐蝕，均造成硅元件的整體電阻增大，正向壓降自然也因此而增大，實質上等效于硅元件特性發生變化，不可避免地造成均流系數發生變化，破壞了原出廠調試好的均流系數，使均流系數降低到0.85以下，有甚者均流系數可降低到0.33，從而導致某個橋臂的支路的電流過大而燒損硅元件。根據中修修程對整流裝置均流系數的檢測，發現許多整流裝置某個橋臂或多個橋臂其均流系數極差，僅在0.4與0.7之間，據此可計算出機車運行

24、在大坡道區段時的段橋整流臂最大支路電流(以SS3B為例):在大坡道區段機車電機電流經常以600 A的大電流持續運行，當整流裝置的均流系數在0.4時，其最大支路的電流為A=6I/(3*KIM) =3*600/(3*0.4)=1500A,當均流系數在0.7 時同樣可算出其最大支路的電流在857.14 A。而整流裝置的整流管的型號為ZP800- 30，其額定工作電流為800 A，因此可以看出在均流系數降低的情況下，段橋整流臂上最大電流支路的整流元件實實在在地承擔著超過其額定電流很多的電流，這樣整流元件自然就容易發生燒損和降級老化等故障現象。而某一支路的1個硅元件燒損，便發生惡性循環，有可能造成整個橋

25、臂支路燒損等事故。從上述可見，電力機車的整流裝置在裝車前或是進行檢修時進行均壓均流試驗是多么的重要和必需，對整流裝置的各支路的均流試驗和各串聯晶閘管(機車檢修需要時)的均壓試驗是否準確可靠，直接關系到機車的安全運行和國家人民生命財產的安全。對這項試驗的檢修是否方便快捷也是關系到測試人員的勞動強度，因此本論文針對這些實際的情況詳細設計了基于DSP的均壓均流測試系統以滿足機車整流裝置檢修的需求。所以本文以介紹SS3B電力機車硅機組為對象，設計了一種基于DSP的采用間隙式脈沖高壓、大電流測試硅機組均流均壓系數的技術，進行均壓均流測試的系統，還可根據硅機組型號的不同對系統稍加改進。與各種該系統能夠較準

26、確地對整流柜的整體性能及有關參數進行檢測，使整流柜硅元件達到最佳匹配狀態，保證了機車正常運行。該產品具有DSP自動數據采集及數據處理系統，為整流柜的檢修提供重要的參數。該產品的推廣使用，將為電力機務段檢修整流柜提供先進可靠的手段，降低整流柜故障的返修率，同時必將帶來可觀的經濟效益和社會效益。第二章 整流柜及其均壓均流測試2.1 整流柜的結構從結構上來說各種電力機車上的整流柜的結構不太相同，但由于機車的發展是一個連續的過程，所以其結構都具有相似性，只是根據具體的電力機車的主要用途和功能所以其整流裝置存在差異。以韶山3型4000系電力機車(簡稱韶山3B型)為例，韶山3B型電力機車采用大功率硅整流管

27、和晶閘管組成的橋式全波整流電路的TGZ11型整流裝置，每臺機車的整流裝置由I端整流柜和II端整流柜組成。每個整流柜組成一個獨立的三段不等分半控橋，向1個轉向架3臺并聯工作的牽引電動機供電。但是I端整流柜要比II端整流柜多二個可控橋臂，作為電阻制動時供給兩個轉向架6臺牽引電動機的勵磁電流。除此以外，兩個整流柜的外形尺寸和安裝位置都是相同的。半導體組件在柜內的布置和接線如圖2-1所示：圖2-1 韶山3B型機車整流柜原理圖Fig.2-1 locomotive rectifier schematic of Shaoshan 3BTGZ11型整流裝置由晶閘管、整流管、觸發脈沖輸出部分、快速熔斷器、RC保

28、護、安裝構架、匯流母排和控制導線等組成。整流裝置主電路接線原理圖見圖22。它由兩個串聯橋組成單相半控橋式整流電路，向3臺并聯工作的牽引電動機供電。全車共有這樣獨立的兩套系統。串聯橋的第一個半控橋由四個橋臂組成，T11、T12是可控管，D11、D12是不可控臂。每個橋臂均由2串3并半導體組件組成，第二個橋由八個橋臂組成。D13、D14是不可控臂，由整流管2串3并組成，其余都是可控橋臂。其中T15、T16橋臂承受的電壓最高，由2串3并晶閘管組成。T13、T14橋臂承受的電壓為前者的1/2，因此它由晶閘管1串3并組成。T17、T18橋臂是供給電阻制動勵磁電流的。制動時各牽引電動機的勵磁繞組相互間接成

29、串聯，供給它的勵磁電源電壓為牽引工況橋臂的1/3，所以它僅由1個晶閘管組成，但是牽引時它承受的反向電壓又比T13、T14高，為T15、T16的2/3。為了安全起見，在橋臂晶閘管上串聯1只整流管來分擔其承受的反向電壓。圖2-2 整流裝置主電路原理圖Fig.2-2 rectifier schematic of main circuit2.2 整流柜的功能和原理TGzll型是供韶山3B型電力機車使用的整流裝置，它由大功率整流二極管和晶閘管及其附件所組成，具有以下功能：1.把交流電變為直流電供給牽引電動機；2.進行平滑調壓；3.供給制動勵磁電流，并可平滑調節該電流。其它類型電力機車的整流柜也具有同樣的

30、功能TGzll型車整流裝置有下述優點：1.采用不等分三段順控橋，可實現整流和無級相控調壓，持續工況運行它具有多段橋的優點，有利提高功率因子，減少諧波成分。2.觸發脈沖部分采用韶山6型電力機車用的脈沖輸出模塊，技術指針先進，工作可靠。2.2.1 整流裝置均流功能分析整流裝置的主橋臂由三個并聯支路組成，通過各并聯支路的電流不會完全一樣。流過大電流支路的半導體組件有可能過載而損壞，電流小的支路則組件沒有充分利用。最理想的是讓所有并聯支路通過的電流都一樣，即所謂均流。實際上這是不可能的，因為有許多因素影響電流的均勻分配。例如：半導體組件正向特性的差異，匯流母排的影響，串聯組件之間連接導線的影響，快速熔

31、斷器之間電阻值的差異，接觸電阻的影響，以及冷卻風分布不均勻相上下層之間冷卻風溫度不同的影響等。這許多影響因素中，最主要的是半導體組件的正向特性。因此，為使各并聯支路的電流分配趨向一致，最簡單的方法就是在工廠組裝時，各并聯支路按整流管的正向壓降或晶閘管的通態電壓進行編組。這樣做了以后，出廠試驗時只需稍許調整，一般均可達到技術要求的均流系數0.85。對于并聯工作的晶閘管，還要考慮它們的動態均流問題。所謂動態均沈就是并聯晶閘管在開通過程中的均流。由于晶閘管開通時間的不同，首先導通的組件，不僅要承受橋臂的全部電流，而且自身并聯的電容器以及其它未導通晶閘管并聯的電容器也會瞬間向它放電，使其承受一個迅速增

32、長的di/dt，造成半導體組件內局部過熱而損壞，如圖2-3所示。圖2-3 一個晶閘管先導通時，流過的放電電流示意圖Fig.2-3 the sketch map of current through the thyristor which is first on為了動態均流，對于只串聯一個晶閘管的T13、T14橋臂，在每個晶閘管支路串聯一只由磁環構成的均流電抗器。在某支路電流迅速增長的瞬間，該支路電抗器上將會感應出一個反電勢，阻止電流的增長，從而達到動態均流的作用。但是，當電流增長到一定數值以后，磁芯飽和，電抗器也就不起作用了。2.2.2 整流裝置均壓功能分析串聯工作的半導體組件，由于它們的反向

33、特性有差異，當加上反向電壓時，各串聯組件所承受的反向電壓就不同。承受過大反向電壓的組件有可能被反向擊穿，而其它組件的電壓利用也不充分。此外，串聯工作的晶閘管由于正向阻斷特性的差異，在加上正向電壓，但沒有門板觸發脈沖信號時，串聯組件之間承受的正向阻斷電壓也是不相同的。過大的正向電壓有可能使晶閘管正向轉折而導通，這是電路中不能允許的，同時這種不正常的轉折導通多來幾次，晶閘管的正向阻斷特性有可能喪失而成為整流二極管了。為使串聯組件承受的電壓分配均勻，即所謂均壓，通常在每個串聯組件的兩端并聯均壓電阻。選取的均壓電阻值，一般要比半導體組件的反向電阻值小得多，而且在工廠組裝時要對每只均壓電阻進行阻值測量并

34、分組，使每個串聯支路的各均壓電阻值基本相等，這樣支路串聯組件之間的電壓分配就可以按并聯均壓電阻值進行分配而趨向一致了。這里選取均壓電阻為30kQ、30w的線繞電阻，并聯均壓電阻以后，在最高工作電壓下，各串聯支路的均壓系數可以達到0.95以上。半導體組件在正向導通結束加上反向電壓時，由于載流子積蓄效應，存在著反向恢復電荷。組件需要經過幾微秒到幾十微秒之后才能恢復反向阻斷能力，在恢復反向阻斷能力的瞬間，對組件將產生一個所謂換相過電壓。由于各組件的反向恢復電荷不盡相同，串聯工作時，各組件產生的換相過電壓也不同，組件之間特產生一個動態不平衡電壓U。反向恢復電荷最少的組件，最先恢復反向阻斷能力，將承受支

35、路的全部反向電壓。為使串聯組件動態均壓，可借助在半導體組件兩端并聯電容和電阻、并盡量減少串聯組件之間的反向恢復電荷差異來達到。本裝置在每只整流管和晶閘管兩端并聯1uF的電容器、22電阻作為動態均壓用。同時要求串聯工作的整流管和晶閘管之間反向恢復電荷之差不大于400c。2.2.3 整流裝置過電壓保護功能分析晶閘管和整流管從導通轉換到截止而承受反向電壓時會產生一個峰值遠遠超過正常工作電壓的換相過電壓，如不采取措施將會導致組件損壞。通常在半導體組件兩端并聯電容器和電阻器進行保護如圖24所示。前述瞬態均壓用的1F電容和22電阻支路也起著過電壓保護的作用。電阻可在晶閘管導通的瞬間，限制電容器向晶閘管放電

36、的di/dt，并對換相過電壓產生的振蕩有阻尼作用。圖2-4 過電壓保護電阻、電容Fig.2-4 over voltage protective resistance、capacitance對于裝置以外侵入的過電壓，則由機車主電路設置在變壓器次邊的RC回路進行保護，要求把過電壓抑制在變壓器次邊電壓的2倍以下。2.2.4 整流裝置過電流保護功能分析整流裝置本身不帶短路保護，遇有牽引電動機接地、環火或半導體組件文路擊穿而引起的短路，由機車主斷路器跳閘分斷主電路進行保護。為使整流裝置內流過短路電流的其它半導體組件不致損壞，受半導體組件過載能力的限制，要求主斷路器的動作時間在3個周波即0.06s以內。對

37、于T13、T14橋劈和勵磁橋劈，為更加可靠起見，每只晶閘管都串聯有1個NGT3630/380型快速熔斷器加以保護，該快速熔斷器的額定電流(有效值)為630A。2.2.5 晶閘管的di/dt保護我們知道，晶閘管具有正向阻斷特性，就是加上正向電壓，門極不給觸發脈沖時它是不會自行導通的。一旦給出門極觸發脈沖，晶閘管就開始導通。導通過程首先從門極開始，逐漸向門極周圍的陰極而擴展而達到全面導通。如果導通過程電流增長過快，即di/dt過大，而導通擴展的面積還不夠大時，將會產生局部電流密度過高把半導體組件燒壞。為此，對于只有1個組件串聯的T13、T14橋臂，在每個晶閘管上串聯1個均流電抗器來限制過快增長的d

38、i/dt。如前所述，該電抗器還具有橋臂支路動態均流的作用。從對整流柜的功能分析可以看出，雖然就其最初的設計而言是為了達到理想的均壓均流的功能，但由于器件本身的原因和制造安裝時的原因使得整流裝置不能達到比較理想的狀態，所以對電力機車的整流裝置在裝車前有必要對其進行均壓、均流測試，均壓均流測試系統的研制的意義就在于此。2.3 被測組件特性硅整流管的伏安特性曲線，如圖2-5所示。對應于B點電流叫正向平均電流，它是半個周期里流過硅整流管的電流，在一個周期內的平均電流值。此時電壓大約0.450.55V左右。UF為正向平均電壓(正向壓降)，是正半周電壓降在一個周期內的平均值，即實際電壓的一半左右。URRM

39、為反向重復峰值電壓，對應的電流IRRM為反向重復峰值電流(也稱漏電流)。圖2-5 整流管伏安特性曲線Fig.2-5 rectifying tube volt-ampere characteristis curve晶閘管的伏安特性曲線，如圖2-6所示。其反向特性與硅整流管一樣。正向特性則為：正向電壓在一定限度內，門極電流IG等于0時，晶閘管與硅整流管的反向特性相似，呈現阻斷狀態(OA段)，當正向電壓超過一定限度(A點)時，漏電流增大，晶閘管突然變為導通，此時電壓叫做正向轉折電壓UBO。正常工作時，IG達到規定的電流使晶閘管導通，UT點為正向通態平均電流時的正向平均通態電壓。圖2-6 晶閘管伏安特

40、性曲線Fig.2-6 thyristor volt-ampere characteristis curve其中，根據機車實際要求，試驗臺的主要測試點為以下4個參數：(1)反向重復峰值電壓URRM，03000V；(2)反向重復峰值電流IRRM，060mA；(3)正向通態電壓UFM(UT)，05V；(4)正向通態電流IFM(IT)，02500A。2.4 硅機組均壓均流試驗的現狀和本系統的優點2.4.1. 國內電力機務段機車硅機組均壓均流試驗的現狀 我國電力機務段對電力機車上的硅機組(硅整流裝置)在進行段修后，按檢修規程要求，需進行均壓和均流試驗，用以檢查硅機組的均壓和均流情況是否符合規程的要求。均

41、壓試驗由于試驗設備容量小，測試較方便，大多能正常進行；而均流試驗則存在一些困難和問題，主要表現在以下幾個方面：試驗沒備容量大，試驗耗電大按現有段修規程(SS3型機車)要求，均流試驗時，需給被試硅機組通以3300安(最大4800安)的大電流，15分鐘后，在熱狀態下進行各支路電流的測量：現有的均流試驗設備多半是從段內的配電變壓器取電，通過試驗裝置中的感應調壓器和低壓大電流變壓器給被試硅機組提供單相工頻可調的大電流，調壓器的容量大多在36100KVA左右，一些機務段的配電變壓器常難以滿足要求。試驗工作難度大，工作條件差連結導線需要采用大截面的銅排，連結處要求接觸良好， 以避免通過大電流時發生過熱現象

42、，給接線工作增加了難度；較長時間的持續大電流，在試驗變壓器、連結銅排和硅機組中產生大量的熱量，使試驗場所溫度升高，持續的大電流還產生電磁噪音，惡化了工作條件和測試的準確度。更換組件時，缺少足夠的資料依據來選擇替換的組件當被試硅機組的均流系數不符合要求，需要更換組件時，選擇被更換的組件和替換組件，都缺少足夠的較為科學的資料依據，使組件的更換帶有一定程度的盲目性，而延長了檢修時間。2.4.2 新型硅機組均壓均流試驗裝置的特點 采用脈沖工作方式，試驗變壓器容量小，試驗耗電大為減少。 本試驗裝置在試驗時，向被試硅機組輸出一個正弦半波電壓，與整流組件在正常工作時導通條件相同。一臺機車(SS3型)2臺硅機

43、組的均流試驗，總計通電時間僅需3秒左右，耗電和發熱將大大減小，由于每次通電時間極短對配電系統的影響甚微。利用DSP的模數轉換模塊ADC進行數據采集，測試自動化程度較高，測試資料的實時性較好，測試精度得以提高，測試速度快，耗時少。采用DSP進行數據處理和輸出，可自動計算和輸出被測硅機組的均壓均流系數：在積累了一定的測試資料后，還可給出更換組件的提示(包括更換的組件號和對均流、均壓系數不符合要求的支路組件參數)。可為更換組件提供需要的參數均流試驗中，在測量支路電流時，可同時測量該支路各組件的通態壓降，并利用計算機對硅機組的組件網絡進行故障診斷分析，為更換組件提供必要的參數依據。為電力機務段機車維修

44、的微機管理和硅機組的狀態修創造了條件可方便地建立硅機組檢修數據文件，便于與機務段的微機管理系統銜接。在建立了較為完善的段內硅機組檢修數據庫的基礎上，可根據每次段修積累的資料，觀察組件參數的變化，參照有關的電力半導體器件的失效判據，了解和判定各組件的技術狀態。使機務段能隨時查看硅機組的技術狀態，為預防故障狀態修創造了條件。還可根據用戶要求，增設功能。由于本設備具有上述諸多的優點，因此使用新型均壓、均流試驗裝置無疑是給機務段提供了一套便捷而又經濟的測試設備，隨著本設備的使用，各機務段必將在硅機組的檢修和運用方面提高一個檔次，大量節省人力和物力資源，完善測試手段，縮短檢修時間，減少元器件的損耗，同時

45、降低了硅機組的故障率。5 第三章 均壓、均流試驗系統主電路的設計3.1 總體方案的設計3.1.1 試驗系統測試方案按照傳統的方法為了建立均壓、均流測試環境，需要在整流器內部通過上千安培的電流，并且有上千伏的電壓，如果按照機車實際，直接給牽引電機供電，則需要幾千瓦的能量，這是不切實際的，既耗費人力能量，又不可能提供如此大的負載，還增加不安全因素。在國際上，前蘇聯在1983年在變電所的變流機組的均流、均壓狀態檢測中，采用了新型脈沖供電方式，但提供的脈沖大電流不是工頻正弦電流，因此，使硅機組在試驗過程和使用過程中的導通情形大相徑庭，參數采用峰值電壓表。1991年前蘇聯又相繼在機車整流裝置的檢測中采用

46、了脈沖方式電源，但它主要是為了檢測硅元件的反向漏電流，用于元件的故障診斷和失效預測。而用脈沖方式測量元件特性的儀器和設備，國內已有不少單位早已研制和開發，并已經形成正式產品。用計算機進行數據采集和數據處理技術發展已相當成熟，在國內也早已在很多領域中得到應用。因此, 本系統的均壓、均流測試裝置采用脈沖電源、基于DSP的均壓、均流數據采集系統和計算機及相關軟件。構成了一套完整的硅機組均壓、均流試驗和數據采集處理系統，具有一定的先進性和實用性。我們采用脈沖工作方式，以降低試驗變壓器容量，減少試驗耗電量。即在試驗時，向被試驗硅機組輸出一個正弦半波電壓，與整流組件在正常工作時的導通條件相同。一臺機車(S

47、S3B型)2臺硅機組的均流試驗，總計通電時間僅需3秒左右，耗電和發熱將大大減小，每次通電時間極短(10ms)對配電系統的影響甚微。采用基于DSP的均壓、均流數據采集系統有利于提高數據采集的精度和實時性。63.1.2 均壓、均流試驗系統的組成試驗系統主要由電源單元（包括均流電源和均壓電源）、觸發控制單元、霍爾電流傳感器和霍爾電壓傳感器、數字信號處理器（DSP）、顯示器及打印機組成。基本框圖，如圖3-1所示。圖3-1 測試系統原理框圖Fig.3-1 principle schematic of test system一、電源單元均流電源的輸入輸出特性如下：(1)輸入： 電壓(交流50Hz) 380

48、V 最大電流(交流50Hz) 200A(2)輸出： 最大輸出電流(峰值) 4800A 空載電壓(脈沖) 21V 額定輸出電壓(脈沖) 12V均壓電源的輸入輸出特性如下：(1)輸入： 電壓(交流50Hz) 380V 最大電流(交流50Hz) 3A(2)輸出： 最大輸出電壓(峰值) 3300V 最大輸出電流(峰值) 200mA二、觸發控制單元(1)電源電壓(工頻) 220V(2)脈沖輸出單元 輸出合格脈沖信號三、信號采集與轉換單元(采用電流傳感器和電壓傳感器采集)(1)電流信號信道 4路(可根據用戶要求設計) 最大量程 1000A路(2)電壓信號信道 2路(可根據用戶要求設計) 最大量程 1000

49、V路四、DSP信號處理系統(1)數據采集處理子模塊(2)串行通信子模塊(3)接口電路3.2 電源單元的設計由于本測試系統是采用間隙式脈沖高壓、大電流測試硅機組均流均壓系數的技術進行均壓、均流測試，即要求在進行均壓測試時向被測支路輸入間隔為3秒鐘的高壓半正弦波，即要求在進行均流測試時向被測支路輸入間隔為3秒鐘的大電流半正弦波，所以為了能夠實現每隔3秒鐘向被試硅機組輸出一個如圖32所示的半正弦波的目的，可以利用555定時器設計專門的觸發電路，對均壓電源和均流電源的可控硅進行適當控制，具體的觸發電路將在后文中作詳細說明。圖3-2 延時三秒輸出脈沖Fig.3-2 delay 3 second outp

50、ut impulse為了能夠方便地進行均壓測試和均流測試，在本系統的硬件設計部分設計了如圖33所示的均壓、均流主電路。具體功能為：當按下均壓測試開關QA1時，均壓電路導通并使相應的指示燈亮，而且可以通過ZJ1接到的蜂鳴器發出聲音，此時可以進行硅機組的均壓測試，與此同時均流測試的開關QA2將失去作用并使均流電路保持斷路，給均壓電路中的晶閘管輸入觸發脈沖后，通過分壓電阻將均壓測試電源電壓調節在適合作均壓測試的位置，即保證有電壓為3300V電流為200mA的高電壓小電流的均壓電源輸出；同樣當按下均流測試開關QA2時，均流電路導通并使相應的指示燈亮，而且可以通過ZJ2接到的蜂鳴器發出聲音，此時可以進行

51、硅機組的均流測試，與此同QA1將失去作用并使均壓電路保持斷路，給均流電路中的晶閘管輸入觸發脈沖后，通過限流電阻將均流測試電源電流調節在適合作均流測試的位置，即保證有電壓為12V最大電流為4800A低電壓大電流的均流電源輸出。圖3-3 主電路圖Fig.3-3 main circuit schematic3.2.1 硅機組的均流測試本測試系統以SS3B三段順控橋車型的為測試對象，由于一個整流柜就是一個三段順控橋，所以一般可以將這些車的變流裝置直接按照橋式整流接線，只要將三段順控橋的輸出短接即可。測試電路如圖3-4所示:圖34 SS3B型機車均流試驗接線圖Fig.3-4 SS3B locomotiv

52、e rectifier current share test connect graph在測試時可以把大電流變壓器輸出端接在al-xl端，測量Dl,D2,T1,T2各管的均流情況，這時，由于三段順控橋的輸出短接(1,3或2,4號線短接)。進行上述測量時，D3, D4管將達到續流的作用。再改接到a2-x2端，測量D3,D4,T3,T4各管的均流情況，這時Dl,D2管將起到續流的作用。在上述接線下進行SS3B型機車試驗時，總電流額定值為1650A(2400A),單管電流額定值為250A,警戒值為300A。進行SS3B型機車試驗時，一次可以測量4個橋臂的12條支路均流情況(將112號測試傳感器分別夾

53、在待測的支路上)，一個柜子共有10個橋臂，需要測量3次(即前兩次每次測量4個橋臂，最后一次測量2個橋臂，且最后一次測量只用到1-s號測試傳感器)。在實際工作中，主要關注支路中最大電流是否超標，所以我們一般按照式3-1進行計算，即以最大電流支路計算的均流系數為準。 (3-1)式中并聯橋臂均流系數；各并聯支路的電流之和(A)；并聯支路數；通過最大電流支路的電流(A)。3.2.2 硅機組的均壓測試對于電力機車的整流柜, 為了提高整流柜的電壓等級, 電力半導體器件(二極管、晶閘管)常常進行串聯，對于這種具有晶閘管和整流管串聯的裝置為了使串聯的電力半導體器件承受的電壓分配均勻,必須對其進行均壓，所以應該

54、測量管子之間的均壓系數。例如在進行SS3B型機車的試驗時，一般需要將一個柜的兩個橋臂接成對接方式，然后把高壓交流電源加在兩個橋臂的尾部，即可分別測量兩個橋臂的均壓。如圖3-5所示：圖3-5 SS3B型機車整流柜均壓試驗接線圖Fig.3-5 SS3B locomotive rectifier voltage share test connect graph在此測試系統的電壓檢測當中，設計為一次可以測試多個晶閘管兩端的電壓，比如根據需要可以一次只測2個或4個或6個晶閘管兩端的電壓。在實際工作中，主要關注支路中最大電壓是否超標，所以我們一般按照式3-2進行計算，即以最大電流支路計算的均壓系數為準。即

55、： (3-2)式中串聯支路均壓系數；支路串聯組件的電壓(V)；串聯支路數；承受最大電壓組件的電壓(V)。K值越大，說明牽引整流裝置的均壓效果越好，在正常運行的情況下整流組件的可靠性越高。3.3 觸發電路的設計3.3.1 被測可控硅的觸發電路可控硅的是一種能在高電壓、大電流條件下工作，具有耐壓高、容量大、體積小等優點，它是大功率開關型半導體器件。只有當可控硅陽極A與陰極K之間加有正向電壓，同時控制極G與陰極間加上所需的正向觸發電壓時，方可被觸發導通。此時A、K間呈低阻導通狀態，陽極A與陰極K間壓降約1V。單向可控硅導通后，控制器G即使失去觸發電壓，只要陽極A和陰極K之間仍保持正向電壓，單向可控硅繼續處于低阻導通狀態。只有把陽極A電壓拆除或陽極A、陰極K間電壓極性發生改變（交流過零）時，單向可控硅才由低阻導通狀態轉換為高阻截止狀態。單向可控硅一旦截止，即使陽極A和陰極K間又重新加上正向電壓，仍需在控制極G和陰極K間有重新加上正向觸發電壓方可導通。單向可控硅的導通與截止狀態相當于開關的閉合與斷開狀態，用它可制成無觸點開關。所以必須通過合適的觸發脈沖的觸發才能對可控硅進行測試，為此本系統設計了如圖3-6所示的單脈沖觸發電路觸發被測可控硅，以滿足測試需要。圖3-6 被測可控硅觸發電路Fig.