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大功率變頻電源的研究和應用

發布日期:2011-05-16

隨著電力事業的不斷發展,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應用越來越廣泛。根據《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》(GB50150-91)和《電力設備預防性試驗規程》(DL/T096-1996)的要求,此類高壓電力設備的安裝驗收和年度檢修中,均需進行交流耐壓試驗項目,然而對這類電容性試品,采用常規工頻耐壓試驗,所需試驗設備和電源|穩壓器容量都非常大,在現場進行試驗難度也很大。對于同一試品而言,采用變頻諧振試驗方式,所需的電源容量和設備小,重量也輕。諧振試驗系統在試品擊穿時,諧振條件破壞,試品上電壓和電流隨之減小,這有助于保護諧振電源和試品的安全。因此變頻諧振耐壓試驗更適合現場應用。圖1為一般交流變頻諧振耐壓試驗原理簡圖。

1 變頻試驗電源基本原理

變頻電源做為交流諧振耐壓試驗系統的核心部分,要求調壓、調頻獨立進行,輸出電壓0~400 V,頻率30~300 Hz,且穩定度高,還要求在現場環境下有較強的抗干擾能力。

在調頻調壓控制技術發展的早期多采用PAM方式,因此,變頻電源逆變器輸出的交流電壓波形只能是方波,改變方波有效值,只能通過改變方波的幅值,即中間直流電壓幅值來完成。隨著全控型快速開關器件GTR、IGBT、MOSFET等的出現,才逐漸發展為PWM方式。由于調節PWM波的占空比即可調節電壓幅值,所以逆變環節可同時完成調壓和調頻任務,整流器無需控制,設備結構更簡單,控制更方便。輸出電壓由方波改進為PWM波,降低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產生PWM波的控制方式。如圖2所示,當基準正弦波高于三角波時,使相應的開關器件導通;當基準正弦波低于三角波時,使相應的開關器件截止。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,總是中間寬,兩邊窄,各脈沖面積與該區間正弦波下的面積成比例。這種脈沖波經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定。這就是變頻電源調頻調壓的原理。

試驗變頻電源的主電路原理如圖3所示。三相交流電壓經過三相橋式不控整流電路整流成脈動直流電壓,經過中間濾波電容的儲能和濾波成為平滑直流電壓。逆變環節由4塊IGBT構成全橋逆變器,反并聯二極管完成IGBT關斷時的續流工作,R、C、D構成RCD阻止放電型吸收緩沖回路。逆變部分采用SPWM控制方式,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。為了限制電容器充電電流,在整流橋的輸出端與儲能電容之間串入一個限流電阻R1,只在接入電源短時間內將限流電阻R1串入,當電容器兩端電壓升至一定值后,閉合接觸器JC2將電阻R1切除。

低通濾波器LC輸出設計是否合適,直接影響變頻電源輸出電壓波形的失真度,因此濾波器的設計原則是考慮輸出頻率,只要輸出頻率下正弦波的失真度得到滿足,則低頻輸出時由于載波比增加,正弦波失真度可自然滿足。

由于電源容量很大,IGBT關斷和開通電流都很大,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成比例,較高的浪涌電壓將增加功率器件的開關損耗,并危及器件的安全。因此在大功率應用時必須采取措施減少主回路的配線電感,并用緩沖吸收電路來降低電壓尖峰值。

2 控制系統實現

先進的控制策略、高性能的控制芯片和高速開關器件相結合是變頻電源發展的主流趨勢。在SP-WM波形生成中,已很少采用模擬方法,原因是該方法電路復雜、器件一致性差、輸出波形易受器件老化、外界干擾等因素的影響,因而可靠性差。數字方法在可靠性、靈活性、可控性等方面具有模擬方法無法比擬的優越性,所以本變頻電源采用Intel公司16位單片機80C196 MC作為控制核心,組成全數字化控制系統。80C196 MC是專門為電機高速控制所設計的一種真正16位單片機,廣泛應用于變頻控制中。它有獨具特色的波形發生器WFG、A/D轉換器、事件處理陣列EPA等,控制系統可大大簡化。

4路SPWM脈沖控制信號由三相波形發生器WFG產生,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由主控板控制,完成啟動和保護功能。6路十位A/D轉換器完成輸出電壓電流、直流母線電壓電流和高壓量的采集變換。顯示和故障記憶單元接入由4個EPA口構成的串行總線。

3 控制系統軟件設計

控制系統軟件采用C-196語言編制,軟件主要包括:主程序、電壓和頻率給定程序、波形中斷程序、電壓閉環控制程序(PI)、數字鎖相環程序及外部中斷程序等。

控制軟件的首要任務是產生SPWM脈沖,為了節省機時,提高運行速度,首先構造正弦波數據表。正弦數據表具有反對稱性,即sinα=-sin(-α),因此只要建立0°~180°的正弦數據表即可使用。由0°開始,每隔0.15°安排1項數據,直到179.5°,共計1200項數據,存入EPROM中。軟件運行時,循環查詢正弦表數據,控制波形發生器WFG即可產生所需的SPWM控制脈沖。

變頻電源主程序完成系統初始化及參數設定等功能,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辨別。波形中斷程序為控制系統軟件的核心,中斷優先級,完成正弦數據表查詢、波形發生器數據重置、占空比計算等功能。電壓閉環子程序進行PI控制算法計算,實時調整SPWM脈沖波的占空比,達到穩定輸出電壓的目的。數字鎖相程序采用捕捉中斷,計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。外部中斷程序響應各保護電路的保護信號,封鎖脈沖輸出,記憶故障參數。

4 抗干擾措施

在硬件上采用磁平衡式電壓電流互感器進行強弱電隔離,信號傳輸采用屏蔽電纜,并一點接地。模擬信號在進入微處理器AD前進行多級濾波,大限度消除虛假信號的侵入??刂瓢逶O計中,數字電路和模擬電路分開布置,數字地與模擬地采用一點連接,消除數字電路和模擬電路的相互干擾及地電位的不平衡??刂齐娫床捎瞄_關電源,加裝電源濾波器,濾除饋入的共模干擾信號。主控板采用電源監控芯片,監視電源電壓,出現電壓不穩時將系統復位。

軟件上,數字濾波消除脈沖干擾,采用80C196 MC微處理器中看門狗功能,在容易引起系統死循環或軟件顛覆的位置加入監視點,出現故障時系統自動復位。對可能引起電源輸出超限的位置加入極限判別語句,保證任何情況都不會出現變頻電源的不正常輸出。

5 結束語

根據以上原則研制開發的大容量試驗變頻電源已在現場交流耐壓試驗中成功應用,取得良好效果。該電源體積小、重量輕、輸出功率大,輸出電壓和頻率穩定度高,可方便地組成串聯諧振耐壓試驗系統,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交流耐壓試驗,可廣泛應用于電力系統基建和修試單位的設備安裝和檢修試驗等工作中。

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