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摘要：PSM高压直流电源的直流环节有储能滤波电容，并且容值大，因此需要在PSM电源的输入端设计预充电回路。预充电回路器件的参数设计主要需要考虑充电时间、经济成本、可靠性等因素。本文依照预充电电阻的工作过程，详细阐述了预充电电阻电气参数的设计方法、参数选择、冗余设计以及电气仿真。
关键词：PSM高压直流电源;预充电电阻;参数设计;仿真
1概述
PSM高压直流电源是由若干数量的相同拓扑结构的直流电源模块串联组成，经过特定的调制方式，最终获得高电压输出的高压大功率电源【1】。PSM高压直流电源模块的直流环节有储能滤波电容，电容在电路通电瞬间相当于短路状态，有很大的充电电流，该电流会对电路器件造成损坏。为了避免电容在充电初期的大电流，需要在电容输入端设计预充电回路来限制充电电流的幅值。
2案例分析
预充电回路在变频器、变流器中经常用到。对于不同的电源设备，预充电回路工作方式不完全相同。一般工作过程是：充电时主回路接入预充电回路，通过预充电电阻把电流限制在一个可控的范围内，电容充电完成后再切除预充电回路，使主回路回到正常工作状态。预充电回路属于通用配置，但预充电回路器件的参数设计则是电源电气设计的重要环节之一。
某型PSM高压直流电源模块原理图如图1所示。其中，QF1为主回路断路器;QF2为预充电回路断路器;Rp为预充电电阻;VD1、VD2为整流二极管;C1、C2为直流电容;R1、R2为均压电阻;VT1、VT2为IGBT模块。主回路QF1合闸上电前，预充电回路的QF2先合闸，交流输入通过预充电电阻Rp给直流电容C1、C2充电。直流电容充电完成后，QF2分闸，预充电回路从主回路切除;然后QF1合闸，电源模块进入正常工作状态。预充电回路投切的控制逻辑有两种，一种是用计算好的充电时间控制QF2的合闸时间;第二种是测量直流电容的电压值，当直流电容的电压值达到设定值后就切除预充电回路。
直流电容充电计算公式如下，
式中：Uc——直流电容电压，V;Us——直流源电压，V;C——直流环节总电容，F;R——充电电阻阻值，Ω;t ——充电时间s。
乘积RC为时间常数，用τ表示，单位为s。工程上一般认为电容经过5τ时间充电完成【2】。PSM高压直流电源用户允许的充电时间最长为5s。值得注意的是，上述公式中是直流源Us给电容充电，而PSM高压直流电源是交流输入经整流桥整流后给电容充电，充电速度小于直流源，充电时间为5τ的K倍左右，系数K的具体数值可以通过仿真对比来确定。由图2所示，交流输入经过整流桥整流后给电容充电，充电时间大致为直流充电的5倍，系数K可以取值5。
PSM高压电源充电时间为5s，因此可以计算出PSM高压电源充电电阻的阻值：
式中：R——充电电阻阻值，Ω;t ——允许的充电时间，此处为5s;K——交流充电时间换算系数，此处为5;C——直流环节总电容，F。
PSM高压直流电源是由若干数量的相同拓扑结构的直流电源模块串联组成。每只电源模块可以输出直流电壓2KV，如果PSM高压直流电源需要输出直流电压80KV，就需要至少40只电源模块串联，考虑到电源系统冗余设计，一般设计42只电源模块串联。如果预充电回路按照上述设计，每只电源模块内有一套预充电回路，那么整个PSM电源的预充电回路就有42套，数量多，器件成本高，而且需要考虑可靠性。因此，需要将42套电源模块的预充电回路设计在PSM电源的总输入端。输出电压80KV的PSM高压直流电源原理图如图3所示。其中，KM1为主回路接触器;KM2为预充电回路接触器;R1-R3为预充电电阻;U1-U42为PSM直流电源模块。PSM高压直流电源前端输入为10KV交流，经过整流变压器的降压变换后作为电源模块的输入。整流变压器副边为42套单相绕组，每套副边绕组作为电源模块的输入。
将预充电回路从电源模块换算到PSM电源输入端的公式如下所示：
式中：R——充电电阻阻值，Ω;Rmod——PSM电源模块充电电阻阻值，Ω;N——变压器原边每相对应的副边绕组数，此处为14;U2——变压器副边每相电压，V;U1——变压器原边每相电压，V。t ——充电时间，s;p——充电电阻瞬时功率，W。
选用预充电电阻时，预充电电阻的关键参数应满足以下要求：
电阻≤R，冲击功率>电阻选型功率>平均功率。
实例计算：PSM电源输入电压10KV，副边每相1.5KV，每只电源模块直流电容1500uF。
预充电电阻阻值选定为400Ω。
预充电回路接触器按此电流选型。
预充电电阻的功率，按工程经验，取值0.1倍冲击功率，此处取值25KW。
3结论
预充电电阻的可靠性关系到PSM高压直流电源的正常运用，本文利用计算公式和电气仿真软件对预充电电阻的参数模拟计算和量化分析，依据仿真结果作为预充电电阻的技术规范和选型依据，达到了经济性、可靠性的目的。预充电电阻相关参数根据本文讨论的计算方法完成设计选型，经过电源长期运行测试后，已批量使用，性能稳定。
参考文献：
[1]徐伟东，宣伟民，姚列英，等. 基于PSM技术高压脉冲电源的模拟试验[J ]. 电工技术学报，2008，23（1）：1102113.
[2]邱关源，电路[M ]. 北京：高等教育出版社，2010.
[3]王兆安，黄俊. 电力电子技术[M ]. 北京：机械工业出版社，2000.
关键词：PSM高压直流电源;预充电电阻;参数设计;仿真
1概述
PSM高压直流电源是由若干数量的相同拓扑结构的直流电源模块串联组成，经过特定的调制方式，最终获得高电压输出的高压大功率电源【1】。PSM高压直流电源模块的直流环节有储能滤波电容，电容在电路通电瞬间相当于短路状态，有很大的充电电流，该电流会对电路器件造成损坏。为了避免电容在充电初期的大电流，需要在电容输入端设计预充电回路来限制充电电流的幅值。
2案例分析
预充电回路在变频器、变流器中经常用到。对于不同的电源设备，预充电回路工作方式不完全相同。一般工作过程是：充电时主回路接入预充电回路，通过预充电电阻把电流限制在一个可控的范围内，电容充电完成后再切除预充电回路，使主回路回到正常工作状态。预充电回路属于通用配置，但预充电回路器件的参数设计则是电源电气设计的重要环节之一。
某型PSM高压直流电源模块原理图如图1所示。其中，QF1为主回路断路器;QF2为预充电回路断路器;Rp为预充电电阻;VD1、VD2为整流二极管;C1、C2为直流电容;R1、R2为均压电阻;VT1、VT2为IGBT模块。主回路QF1合闸上电前，预充电回路的QF2先合闸，交流输入通过预充电电阻Rp给直流电容C1、C2充电。直流电容充电完成后，QF2分闸，预充电回路从主回路切除;然后QF1合闸，电源模块进入正常工作状态。预充电回路投切的控制逻辑有两种，一种是用计算好的充电时间控制QF2的合闸时间;第二种是测量直流电容的电压值，当直流电容的电压值达到设定值后就切除预充电回路。
直流电容充电计算公式如下，
式中：Uc——直流电容电压，V;Us——直流源电压，V;C——直流环节总电容，F;R——充电电阻阻值，Ω;t ——充电时间s。
乘积RC为时间常数，用τ表示，单位为s。工程上一般认为电容经过5τ时间充电完成【2】。PSM高压直流电源用户允许的充电时间最长为5s。值得注意的是，上述公式中是直流源Us给电容充电，而PSM高压直流电源是交流输入经整流桥整流后给电容充电，充电速度小于直流源，充电时间为5τ的K倍左右，系数K的具体数值可以通过仿真对比来确定。由图2所示，交流输入经过整流桥整流后给电容充电，充电时间大致为直流充电的5倍，系数K可以取值5。
PSM高压电源充电时间为5s，因此可以计算出PSM高压电源充电电阻的阻值：
式中：R——充电电阻阻值，Ω;t ——允许的充电时间，此处为5s;K——交流充电时间换算系数，此处为5;C——直流环节总电容，F。
PSM高压直流电源是由若干数量的相同拓扑结构的直流电源模块串联组成。每只电源模块可以输出直流电壓2KV，如果PSM高压直流电源需要输出直流电压80KV，就需要至少40只电源模块串联，考虑到电源系统冗余设计，一般设计42只电源模块串联。如果预充电回路按照上述设计，每只电源模块内有一套预充电回路，那么整个PSM电源的预充电回路就有42套，数量多，器件成本高，而且需要考虑可靠性。因此，需要将42套电源模块的预充电回路设计在PSM电源的总输入端。输出电压80KV的PSM高压直流电源原理图如图3所示。其中，KM1为主回路接触器;KM2为预充电回路接触器;R1-R3为预充电电阻;U1-U42为PSM直流电源模块。PSM高压直流电源前端输入为10KV交流，经过整流变压器的降压变换后作为电源模块的输入。整流变压器副边为42套单相绕组，每套副边绕组作为电源模块的输入。
将预充电回路从电源模块换算到PSM电源输入端的公式如下所示：
式中：R——充电电阻阻值，Ω;Rmod——PSM电源模块充电电阻阻值，Ω;N——变压器原边每相对应的副边绕组数，此处为14;U2——变压器副边每相电压，V;U1——变压器原边每相电压，V。t ——充电时间，s;p——充电电阻瞬时功率，W。
选用预充电电阻时，预充电电阻的关键参数应满足以下要求：
电阻≤R，冲击功率>电阻选型功率>平均功率。
实例计算：PSM电源输入电压10KV，副边每相1.5KV，每只电源模块直流电容1500uF。
预充电电阻阻值选定为400Ω。
预充电回路接触器按此电流选型。
预充电电阻的功率，按工程经验，取值0.1倍冲击功率，此处取值25KW。
3结论
预充电电阻的可靠性关系到PSM高压直流电源的正常运用，本文利用计算公式和电气仿真软件对预充电电阻的参数模拟计算和量化分析，依据仿真结果作为预充电电阻的技术规范和选型依据，达到了经济性、可靠性的目的。预充电电阻相关参数根据本文讨论的计算方法完成设计选型，经过电源长期运行测试后，已批量使用，性能稳定。
参考文献：
[1]徐伟东，宣伟民，姚列英，等. 基于PSM技术高压脉冲电源的模拟试验[J ]. 电工技术学报，2008，23（1）：1102113.
[2]邱关源，电路[M ]. 北京：高等教育出版社，2010.
[3]王兆安，黄俊. 电力电子技术[M ]. 北京：机械工业出版社，2000.