大功率试验变频电源研究成果及使用

　　随着电力事业不断发展，变压器，发电机，断路器，gis，110 k v及220kv交联聚乙烯电缆等高压电力设备使用越来越广泛。根据《电气装置安装工程电气设备交接试验基准》gb50150-91与《电力设备预防性试验规程》dl/t096-1996条件，此类高压电力设备安装验收与年度检修中，均需进行交流耐压试验项目，然而对这类电容性试品，使用常规工频耐压试验，所需试验设备与电源容量都非常大，在现场进行试验难度也很大。对于同一试品而言，使用变频谐振试验方法，所需电源容量与设备*小，重量也*轻。谐振试验系统在试品击穿时，谐振环境破坏，试品上电压与电流随的减小，这有助于保护谐振电源与试品安全。因此变频谐振耐压试验更适合现场使用。

　　1，变频试验电源基本原理知识

　　变频电源做为交流谐振耐压试验系统核心部分，条件调压，调频独立进行，输出电压0～400 v，频率30～300hz，且稳定度高，还条件在现场环境下有较强抗干扰能力。

　　在调频调压控制技术信息发展早期多使用pam方法，因此，变频电源逆变器输出交流电压波形仅仅能是方波，改变方波有效值，仅仅能通过改变方波幅值，即中间直流电压幅值来完成。随着全控型迅速开关元件gtr，igbt，mosfet等出现，才逐渐发展为pwm方法。由于调节pwm波占空比就能调节电压幅值，所对逆变环节可同时完成调压与调频任务，整流器无需控制，设备构造更简单，控制更方便。输出电压由方波提升为pwm波，减少了输出电压低次谐波含量。

　　spwm是对正弦波作为标准波调制波，用一列等幅三角波载波及标准正弦波相相比较产生pwm波控制方法。如所示，当标准正弦波高于三角波时，使相应开关元件导通;当标准正弦波低于三角波时，使相应开关元件截止。由此，逆变器输出电压波形为所示脉冲列，其特性是：半个周期中各脉冲等距等幅不等宽，总是中间宽，两边窄，各脉冲面积及该区间正弦波下面积成比例。这种脉冲波经过低通滤波后可得到及调制波同频率正弦波，正弦波幅值与频率由调制波幅值与频率决定。这就是变频电源调频调压原理知识。

　　试验变频电源主电路原理知识如所示。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，经过中间滤波电容储能与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。逆变部分使用spwm控制方法，将直流电压逆变为电压与频率可调spwm脉冲波。电感l与电容c3结合低通滤波器lc，滤出高频载波成分。为了限制电容器充电电流，在整流桥输出端及储能电容的间串入一个限流电阻r1，仅仅在接入电源*初短时间内将限流电阻r1串入，当电容器两端电压升到一定值后，闭合接触器jc2将电阻r1切除。

　　低通滤波器lc输出设计方案是否合适，直接影响变频电源输出电压波形失真度，因此滤波器设计方案原则是考虑*高输出频率，仅仅要*高输出频率下正弦波失真度得到足够，则低频输出时由于载波比增加，正弦波失真度可自然足够。

　　由于电源容量很大，igbt关断与开通电流都很大，主电路引线电感lp存在，将在igbt功率回路中引起浪涌电压，其能量及vpeak/2lpi2成比例，较高浪涌电压将增加功率元件开关损耗，并危及元件安全。因此在大功率使用时必须采取措施减少主回路配线电感，并用缓冲吸收电路来减少电压尖峰值。

　　2，控制系统解决方案

　　先进控制策略，高性能控制ic与高速开关元件相组成是变频电源发展主流趋势。在sp-wm波形生成中，已很少使用模拟方法，原因是该方法电路复杂，元件一致性差，输出波形易受元件老化，外界干扰等因素影响，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优越性，所对本变频电源使用intel公司16位单片机80c196mc作为控制核心，结合全数字化控制系统。80c196mc是专门为电机高速控制所设计方案一种真正16位单片机，广泛使用于变频控制中。它有独具特色波形发生器wfg，a/d转换器，事件处理阵列epa等，控制系统可大大简化。请登陆:输配电设备网 浏览更多资料

　　4路spwm脉冲控制信号由三相波形发生器wfg产生，输出电压与电流相位脉冲信号输入2路epa捕捉口，进行相位差检验。2个接触器jc1与jc2由主控板控制，完成运行与保护功能。6路十位a/d转换器完成输出电压电流，直流母线电压电流与高压量收集变换。显示与问题记忆单元接入由4个epa口构成串行总线。

　　3，控制系统软件设计方案

　　控制系统软件使用c-196语言编制，软件主要包括：主程序，电压与频率给定程序，波形中断程序，电压闭环控制程序pi，数字锁相环程序及外部中断程序等。

　　控制软件首要任务是产生spwm脉冲，为了节省机时，提升启动速度，首先构造正弦波数据表。正弦数据表具有反对称性，即sinα=-sin-α，因此仅仅要创建0°～180°正弦数据表就能运用。由0°开始，每隔0.15°安排1项数据，直到179.5°，共计1200项数据，存入eprom中。软件启动时，循环查询正弦表数据，控制波形发生器wfg就能产生所需spwm控制脉冲。变频电源主程序完成系统初始化及型号参数设定等功能，电压与频率给定程序，捕捉旋转编码器输出给定脉冲，进行给定计数与方向辨别。波形中断程序为控制系统软件核心，中断优先级*高，完成正弦数据表查询，波形发生器数据重置，占空比计算等功能。电压闭环子程序进行pi控制算法计算，实时调整spwm脉冲波占空比，达到稳定输出电压目。数字锁相程序使用捕捉中断，计算电压与电流相位差，并实时调整输出频率，直到电压与电流同相。外部中断程序响应各保护电路保护信号，封锁脉冲输出，记忆问题型号参数。

　　4，抗干扰措施

　　在硬件上使用磁平衡式电压电流互感器进行强弱电隔离，信号输出使用屏蔽电缆，并一点接地。模拟信号在进入微处理器ad前进行多级滤波，*大限度消除虚假信号侵入。控制板设计方案中，数字电路与模拟电路分开布置，数字地及模拟地使用一点连接，消除数字电路与模拟电路相互干扰及地电位不平衡。控制电源使用开关电源，加装电源滤波器，滤除馈入共模干扰信号。主控板使用电源监控ic，监视电源电压，出现电压不稳时将系统复位。

　　软件上，数字滤波消除脉冲干扰，使用80c196mc微处理器中看门狗功能，在轻松引起系统死循环或软件颠覆位置加入监视点，出现问题时系统自动复位。对可能引起电源输出超限位置加入极限判别语句，保证任何情况都不会出现变频电源不正常输出。

　　5，结束语

　　根据对上原则研制研发大容量试验变频电源已在现场交流耐压试验中成功使用，取得良好效果。该电源体积小，重量轻，输出功率大，输出电压与频率稳定度高，可方便地结合串联谐振耐压试验系统，对变压器，发电机，gis与高压交联聚乙烯电缆等容性设备进行交流耐压试验，可广泛使用于电力系统基建与修试单位设备安装与检修试验等工作中。