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电源    
2022年01月17日

大功率变频试验电源研究与应用

大功率变频试验电源研究与应用 2011年12月09日 来源:   岳国良1,潘 瑾1,张建忠1,郑玉成1,葛 勇2 (1.河北省电力试验研究所,河北 石家庄 050021;2.煤炭部石家庄设计研究院,河北 石家庄 050051)  随着电力事业的不断发展,变压器、发电机、断路器、GIS、110 k V及220 kV交联聚乙烯电缆等高压电力设备的应用越来越广泛。根据《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》(GB50150-91)和《电力设备预防性试验规程》(DL/T096-1996)的要求,此类高压电力设备的安装验收和年度检修中,均需进行交流耐压试验项目,然而对这类电容性试品,采用常规工频耐压试验,所需试验设备和电源容量都非常大,在现场进行试验难度也很大。对于同一试品而言,采用变频谐振试验方式,所需的电源容量和设备最小,重量也最轻。谐振试验系统在试品击穿时,谐振条件破坏,试品上电压和电流随之减小,这有助于保护谐振电源和试品的安全。因此变频谐振耐压试验更适合现场应用。图1为一般交流变频谐振耐压试验原理简图。1 变频试验电源基本原理  变频电源做为交流谐振耐压试验系统的核心部分,要求调压、调频独立进行,输出电压0~400 V,频率30~300 Hz,且稳定度高,还要求在现场环境下有较强的抗干扰能力。  在调频调压控制技术发展的早期多采用PAM方式,因此,变频电源逆变器输出的交流电压波形只能是方波,改变方波有效值,只能通过改变方波的幅值,即中间直流电压幅值来完成。随着全控型快速开关器件GTR、IGBT、MOSFET等的出现,才逐渐发展为PWM方式。由于调节PWM波的占空比即可调节电压幅值,所以逆变环节可同时完成调压和调频任务,整流器无需控制,设备结构更简单,控制更方便。输出电压由方波改进为PWM波,降低了输出电压的低次谐波含量。  SPWM是以正弦波作为基准波(调制波),用一列等幅的三角波(载波)与基准正弦波相比较产生PWM波的控制方式。如图2所示,当基准正弦波高于三角波时,使相应的开关器件导通;当基准正弦波低于三角波时,使相应的开关器件截止。由此,逆变器的输出电压波形为图2b所示的脉冲列,其特点是:半个周期中各脉冲等距等幅不等宽,总是中间宽,两边窄,各脉冲面积与该区间正弦波下的面积成比例。这种脉冲波经过低通滤波后可得到与调制波同频率的正弦波,正弦波幅值和频率由调制波的幅值和频率决定。这就是变频电源调频调压的原理。  变频试验电源的主电路原理如图3所示。三相交流电压经过三相桥式不控整流电路整流成脉动直流电压,经过中间滤波电容的储能和滤波成为平滑直流电压。逆变环节由4块IGBT构成全桥逆变器,反并联二极管完成IGBT关断时的续流工作,R、C、D构成RCD阻止放电型吸收缓冲回路。逆变部分采用SPWM控制方式,将直流电压逆变为电压和频率可调的SPWM脉冲波。电感L和电容C3组成低通滤波器LC,滤出高频载波成分。为了限制电容器充电电流,在整流桥的输出端与储能电容之间串入一个限流电阻R1,只在接入电源的最初短时间内将限流电阻R1串入,当电容器两端电压升至一定值后,闭合接触器JC2将电阻R1切除。  低通滤波器LC输出设计是否合适,直接影响变频电源输出电压波形的失真度,因此滤波器的设计原则是考虑最高输出频率,只要最高输出频率下正弦波的失真度得到满足,则低频输出时由于载波比增加,正弦波失真度可自然满足。 由于电源容量很大,IGBT关断和开通电流都很大,主电路引线电感Lp的存在,将在IGBT功率回路中引起浪涌电压,其能量与Vpeak/2 Lp I2成比例,较高的浪涌电压将增加功率器件的开关损耗,并危及器件的安全。因此在大功率应用时必须采取措施减少主回路的配线电感,并用缓冲吸收电路来降低电压尖峰值。2 控制系统实现  先进的控制策略、高性能的控制芯片和高速开关器件相结合是变频器发展的主流趋势。在SP-WM波形生成中,已很少采用模拟方法,原因是该方法电路复杂、器件一致性差、输出波形易受器件老化、外界干扰等因素的影响,因而可靠性差。数字方法在可靠性、灵活性、可控性等方面具有模拟方法无法比拟的优越性,所以本变频电源采用Intel公司16位单片机80C196 MC作为控制核心,组成全数字化控制系统。80C196 MC是专门为电机高速控制所设计的一种真正16位单片机,广泛应用于变频控制中。它有独具特色的波形发生器WFG、A/D转换器、事件处理阵列EPA等,控制系统可大大简化。  4路SPWM脉冲控制信号由三相波形发生器WFG产生,输出电压和电流相位脉冲信号输入2路EPA捕捉口,进行相位差检测。2个接触器JC1和JC2由主控板控制,完成启动和保护功能。6路十位A/D转换器完成输出电压电流、直流母线

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