大功率变频试验电源研究与应用激光打孔

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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