大功率60HZ/400HZ變頻電源的研討和運(yùn)用

跟著電力作業(yè)的不斷開展,變壓器、發(fā)電機(jī)、斷路器、GIS、110 k V及220 kV交聯(lián)聚乙烯電纜等高壓電力設(shè)備的運(yùn)用越來越廣泛。依據(jù)《電氣設(shè)備裝置工程電氣設(shè)備交代實(shí)驗(yàn)規(guī)范》（GB50150－91）和《電力設(shè)備預(yù)防性實(shí)驗(yàn)規(guī)程》（DL／T096－1996）的要求,此類高壓電力設(shè)備的裝置檢驗(yàn)和年度檢修中,均需進(jìn)行溝通耐壓實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,然而對這類電容性試品,選用慣例工頻耐壓實(shí)驗(yàn),所需實(shí)驗(yàn)設(shè)備和電源|穩(wěn)壓器容量都非常大,在現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)驗(yàn)難度也很大。關(guān)于同一試品而言,選用變頻諧振實(shí)驗(yàn)辦法,所需的電源容量和設(shè)備最小,分量也最輕。諧振實(shí)驗(yàn)體系在試品擊穿時(shí),諧振條件損壞,試品上電壓和電流隨之減小,這有助于維護(hù)諧振電源和試品的安全。因而變頻諧振耐壓實(shí)驗(yàn)更適合現(xiàn)場運(yùn)用。圖1為一般溝通變頻諧振耐壓實(shí)驗(yàn)原理簡圖。

　　1　變頻實(shí)驗(yàn)電源基本原理

　　變頻電源做為溝通諧振耐壓實(shí)驗(yàn)體系的中心部分,要求調(diào)壓、調(diào)頻獨(dú)立進(jìn)行,輸出電壓0～400 V,頻率30～300 Hz,且安穩(wěn)度高,還要求在現(xiàn)場環(huán)境下有較強(qiáng)的抗攪擾才能。

　　在調(diào)頻調(diào)壓操控技術(shù)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(jié)。跟著全控型快速開關(guān)器材GTR、IGBT、MOSFET等的呈現(xiàn),才逐步開展為PWM辦法。因?yàn)檎{(diào)理PWM波的占空比即可調(diào)理電壓幅值,所以逆變環(huán)節(jié)可一起完結(jié)調(diào)壓和調(diào)頻使命,整流器無需操控,設(shè)備結(jié)構(gòu)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(zhǔn)波（調(diào)制波）,用一列等幅的三角波（載波）與基準(zhǔn)正弦波相比較發(fā)生PWM波的操控辦法。如圖2所示,當(dāng)基準(zhǔn)正弦波高于三角波時(shí),使相應(yīng)的開關(guān)器材導(dǎo)通;當(dāng)基準(zhǔn)正弦波低于三角波時(shí),使相應(yīng)的開關(guān)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(diǎn)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(qū)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(diào)制波同頻率的正弦波,正弦波幅值和頻率由調(diào)制波的幅值和頻率決議。這就是變頻電源調(diào)頻調(diào)壓的原理。

　　實(shí)驗(yàn)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(huán)節(jié)由4塊IGBT構(gòu)滿意橋逆變器,反并聯(lián)二極管完結(jié)IGBT關(guān)斷時(shí)的續(xù)流作業(yè),R、C、D構(gòu)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?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)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(shí)間內(nèi)將限流電阻R1串入,當(dāng)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(guī)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(guī)劃準(zhǔn)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(shí)因?yàn)檩d波比添加,正弦波失真度可天然滿意。

　　因?yàn)殡娫慈萘亢艽?IGBT關(guān)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(guān)損耗,并危及器材的安全。因而在大功率運(yùn)用時(shí)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(jié)

　　先進(jìn)的操控戰(zhàn)略、高性能的操控芯片和高速開關(guān)器材相結(jié)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(shù)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(yōu)越性,所以本變頻電源選用Intel公司16位單片機(jī)80C196 MC作為操控中心,組滿意數(shù)字化操控體系。80C196 MC是專門為電機(jī)高速操控所規(guī)劃的一種真實(shí)16位單片機(jī),廣泛運(yùn)用于變頻操控中。它有獨(dú)具特色的波形發(fā)生器WFG、A／D轉(zhuǎn)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(fā)生器WFG發(fā)生,輸出電壓和電流相位脈沖信號輸入2路EPA捕捉口,進(jìn)行相位差檢測。2個接觸器JC1和JC2由主控板操控,完結(jié)發(fā)動和維護(hù)功用。6路十位A／D轉(zhuǎn)換器完結(jié)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(xiàn)和毛病回憶單元接入由4個EPA口構(gòu)成的串行總線。

　　3　操控體系軟件規(guī)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(huán)操控程序（PI）、數(shù)字鎖相環(huán)程序及外部中止程序等。

　　操控軟件的首要使命是發(fā)生SPWM脈沖,為了節(jié)約機(jī)時(shí),進(jìn)步運(yùn)轉(zhuǎn)速度,首要結(jié)構(gòu)正弦波數(shù)據(jù)表。正弦數(shù)據(jù)表具有反對稱性,即sinα＝－sin（－α）,因而只需樹立0°～180°的正弦數(shù)據(jù)表即可運(yùn)用。由0°開端,每隔0．15°組織1項(xiàng)數(shù)據(jù),直到179．5°,合計(jì)1200項(xiàng)數(shù)據(jù),存入EPROM中。軟件運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),循環(huán)查詢正弦表數(shù)據(jù),操控波形發(fā)生器WFG即可發(fā)生所需的SPWM操控脈沖。

　　變頻電源主程序完結(jié)體系初始化及參數(shù)設(shè)定等功用,電壓和頻率給定程序,捕捉旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的給定脈沖,進(jìn)行給定計(jì)數(shù)和方向區(qū)分。波形中止程序?yàn)椴倏伢w系軟件的中心,中止優(yōu)先級最高,完結(jié)正弦數(shù)據(jù)表查詢、波形發(fā)生器數(shù)據(jù)重置、占空比核算等功用。電壓閉環(huán)子程序進(jìn)行PI操控算法核算,實(shí)時(shí)調(diào)整SPWM脈沖波的占空比,到達(dá)安穩(wěn)輸出電壓的意圖。數(shù)字鎖相程序選用捕捉中止,核算電壓和電流的相位差,并實(shí)時(shí)調(diào)整輸出頻率,直到電壓和電流同相。外部中止程序呼應(yīng)各維護(hù)電路的維護(hù)信號,封閉脈沖輸出,回憶毛病參數(shù)。

　　4　抗攪擾辦法

　　在硬件上選用磁平衡式電壓電流互感器進(jìn)行強(qiáng)弱電阻隔,信號傳輸選用屏蔽電纜,并一點(diǎn)接地。模仿信號在進(jìn)入微處理器AD前進(jìn)行多級濾波,最大極限消除虛偽信號的侵入。操控板規(guī)劃中,數(shù)字電路和模仿電路分隔安置,數(shù)字地與模仿地選用一點(diǎn)銜接,消除數(shù)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(guān)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(jiān)控芯片,監(jiān)督電源電壓,呈現(xiàn)電壓不穩(wěn)時(shí)將體系復(fù)位。

　　軟件上,數(shù)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(huán)或軟件推翻的方位參加監(jiān)督點(diǎn),呈現(xiàn)毛病時(shí)體系主動復(fù)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(xiàn)變頻電源的不正常輸出。

　　5　結(jié)束語

　　依據(jù)以上準(zhǔn)則研制開發(fā)的大容量實(shí)驗(yàn)變頻電源已在現(xiàn)場溝通耐壓實(shí)驗(yàn)中成功運(yùn)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(wěn)度高,可便利地組成串聯(lián)諧振耐壓實(shí)驗(yàn)體系,對變壓器、發(fā)電機(jī)、GIS和高壓交聯(lián)聚乙烯電纜等容性設(shè)備進(jìn)行溝通耐壓實(shí)驗(yàn),可廣泛運(yùn)用于電力體系基建和修試單位的設(shè)備裝置和檢修實(shí)驗(yàn)等作業(yè)中。

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