大功率60HZ/400HZ變頻電源的研討和運用

跟著電力作業的不斷開展,變壓器、發電機、斷路器、GIS、110 k V及220 kV交聯聚乙烯電纜等高壓電力設備的運用越來越廣泛。依據《電氣設備裝置工程電氣設備交代實驗規范》（GB50150－91）和《電力設備預防性實驗規程》（DL／T096－1996）的要求,此類高壓電力設備的裝置檢驗和年度檢修中,均需進行溝通耐壓實驗項目,然而對這類電容性試品,選用慣例工頻耐壓實驗,所需實驗設備和電源|穩壓器容量都非常大,在現場進行實驗難度也很大。關于同一試品而言,選用變頻諧振實驗辦法,所需的電源容量和設備最小,分量也最輕。諧振實驗體系在試品擊穿時,諧振條件損壞,試品上電壓和電流隨之減小,這有助于維護諧振電源和試品的安全。因而變頻諧振耐壓實驗更適合現場運用。圖1為一般溝通變頻諧振耐壓實驗原理簡圖。

　　1　變頻實驗電源基本原理

　　變頻電源做為溝通諧振耐壓實驗體系的中心部分,要求調壓、調頻獨立進行,輸出電壓0～400 V,頻率30～300 Hz,且安穩度高,還要求在現場環境下有較強的抗攪擾才能。

　　在調頻調壓操控技術開展的前期多選用PAM辦法,因而,變頻電源逆變器輸出的溝通電壓波形只能是方波,改動方波有效值,只能通過改動方波的幅值,即中心直流電壓幅值來完結。跟著全控型快速開關器材GTR、IGBT、MOSFET等的呈現,才逐步開展為PWM辦法。因為調理PWM波的占空比即可調理電壓幅值,所以逆變環節可一起完結調壓和調頻使命,整流器無需操控,設備結構更簡略,操控更便利。輸出電壓由方波改善為PWM波,下降了輸出電壓的低次諧波含量。

　　SPWM是以正弦波作為基準波（調制波）,用一列等幅的三角波（載波）與基準正弦波相比較發生PWM波的操控辦法。如圖2所示,當基準正弦波高于三角波時,使相應的開關器材導通;當基準正弦波低于三角波時,使相應的開關器材截止。由此,逆變器的輸出電壓波形為圖2b所示的脈沖列,其特點是：半個周期中各脈沖等距等幅不等寬,總是中心寬,兩頭窄,各脈沖面積與該區間正弦波下的面積成份額。這種脈沖波通過低通濾波后可得到與調制波同頻率的正弦波,正弦波幅值和頻率由調制波的幅值和頻率決議。這就是變頻電源調頻調壓的原理。

　　實驗變頻電源的主電路原理如圖3所示。三相溝通電壓通過三相橋式不控整流電路整流成脈動直流電壓,通過中心濾波電容的儲能和濾波成為滑潤直流電壓。逆變環節由4塊IGBT構滿意橋逆變器,反并聯二極管完結IGBT關斷時的續流作業,R、C、D構成RCD阻撓放電型吸收緩沖回路。逆變部分選用SPWM操控辦法,將直流電壓逆變為電壓和頻率可調的SPWM脈沖波。電感L和電容C3組成低通濾波器LC,濾出高頻載波成分。為了約束電容器充電電流,在整流橋的輸出端與儲能電容之間串入一個限流電阻R1,只在接入電源的開端短時間內將限流電阻R1串入,當電容器兩頭電壓升至必定值后,閉合接觸器JC2將電阻R1切除。

　　低通濾波器LC輸出規劃是否適宜,直接影響變頻電源輸出電壓波形的失真度,因而濾波器的規劃準則是考慮最高輸出頻率,只需最高輸出頻率下正弦波的失真度得到滿意,則低頻輸出時因為載波比添加,正弦波失真度可天然滿意。

　　因為電源容量很大,IGBT關斷和注冊電流都很大,主電路引線電感Lp的存在,將在IGBT功率回路中引起浪涌電壓,其能量與Vpeak／2 Lp I2成份額,較高的浪涌電壓將添加功率器材的開關損耗,并危及器材的安全。因而在大功率運用時有必要采納辦法削減主回路的配線電感,并用緩沖吸收電路來下降電壓尖峰值。

　　2　操控體系完結

　　先進的操控戰略、高性能的操控芯片和高速開關器材相結合是變頻電源開展的干流趨勢。在SP－WM波形生成中,已很少選用模仿辦法,原因是該辦法電路雜亂、器材一致性差、輸出波形易受器材老化、外界攪擾等要素的影響,因而可靠性差。數字辦法在可靠性、靈活性、可控性等方面具有模仿辦法無法比擬的優越性,所以本變頻電源選用Intel公司16位單片機80C196 MC作為操控中心,組滿意數字化操控體系。80C196 MC是專門為電機高速操控所規劃的一種真實16位單片機,廣泛運用于變頻操控中。它有獨具特色的波形發生器WFG、A／D轉換器、事情處理陣列EPA等,操控體系可大大簡化。

　　4路SPWM脈沖操控信號由三相波形發生器WFG發生,輸出電壓和電流相位脈沖信號輸入2路EPA捕捉口,進行相位差檢測。2個接觸器JC1和JC2由主控板操控,完結發動和維護功用。6路十位A／D轉換器完結輸出電壓電流、直流母線電壓電流和高壓量的收集改換。顯現和毛病回憶單元接入由4個EPA口構成的串行總線。

　　3　操控體系軟件規劃

　　操控體系軟件選用C－196言語編制,軟件首要包含：主程序、電壓和頻率給定程序、波形中止程序、電壓閉環操控程序（PI）、數字鎖相環程序及外部中止程序等。

　　操控軟件的首要使命是發生SPWM脈沖,為了節約機時,進步運轉速度,首要結構正弦波數據表。正弦數據表具有反對稱性,即sinα＝－sin（－α）,因而只需樹立0°～180°的正弦數據表即可運用。由0°開端,每隔0．15°組織1項數據,直到179．5°,合計1200項數據,存入EPROM中。軟件運轉時,循環查詢正弦表數據,操控波形發生器WFG即可發生所需的SPWM操控脈沖。

　　變頻電源主程序完結體系初始化及參數設定等功用,電壓和頻率給定程序,捕捉旋轉編碼器輸出的給定脈沖,進行給定計數和方向區分。波形中止程序為操控體系軟件的中心,中止優先級最高,完結正弦數據表查詢、波形發生器數據重置、占空比核算等功用。電壓閉環子程序進行PI操控算法核算,實時調整SPWM脈沖波的占空比,到達安穩輸出電壓的意圖。數字鎖相程序選用捕捉中止,核算電壓和電流的相位差,并實時調整輸出頻率,直到電壓和電流同相。外部中止程序呼應各維護電路的維護信號,封閉脈沖輸出,回憶毛病參數。

　　4　抗攪擾辦法

　　在硬件上選用磁平衡式電壓電流互感器進行強弱電阻隔,信號傳輸選用屏蔽電纜,并一點接地。模仿信號在進入微處理器AD前進行多級濾波,最大極限消除虛偽信號的侵入。操控板規劃中,數字電路和模仿電路分隔安置,數字地與模仿地選用一點銜接,消除數字電路和模仿電路的彼此攪擾及地電位的不平衡。操控電源選用開關電源,加裝電源濾波器,濾除饋入的共模攪擾信號。主控板選用電源監控芯片,監督電源電壓,呈現電壓不穩時將體系復位。

　　軟件上,數字濾波消除脈沖攪擾,選用80C196 MC微處理器中看門狗功用,在簡單引起體系死循環或軟件推翻的方位參加監督點,呈現毛病時體系主動復位。對或許引起電源輸出超限的方位參加極限判別句子,確保任何情況都不會呈現變頻電源的不正常輸出。

　　5　結束語

　　依據以上準則研制開發的大容量實驗變頻電源已在現場溝通耐壓實驗中成功運用,獲得杰出作用。該電源體積小、分量輕、輸出功率大,輸出電壓和頻率安穩度高,可便利地組成串聯諧振耐壓實驗體系,對變壓器、發電機、GIS和高壓交聯聚乙烯電纜等容性設備進行溝通耐壓實驗,可廣泛運用于電力體系基建和修試單位的設備裝置和檢修實驗等作業中。

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