大功率試驗變頻電源研究與應(yīng)用

隨著電力事業(yè)的不斷發(fā)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)備的應(yīng)用越來越廣泛。根據(jù)《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn)》（GB50150－91）和《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》（DL／T096－1996）的要求,此類高壓電力設(shè)備的安裝驗收和年度檢修中,均需進(jìn)行交流耐壓試驗項目,然而對這類電容性試品,采用常規(guī)工頻耐壓試驗,所需試驗設(shè)備和電源|穩(wěn)壓器容量都非常大,在現(xiàn)場進(jìn)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(shè)備最小,重量也最輕。諧振試驗系統(tǒng)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(hù)諧振電源和試品的安全。因此變頻諧振耐壓試驗更適合現(xiàn)場應(yīng)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(tǒng)的核心部分,要求調(diào)壓、調(diào)頻獨立進(jìn)行,輸出電壓0～400 V,頻率30～300 Hz,且穩(wěn)定度高,還要求在現(xiàn)場環(huán)境下有較強(qiáng)的抗干擾能力?！?/p>

　　在調(diào)頻調(diào)壓控制技術(shù)發(fā)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(guān)器件GTR、IGBT、MOSFET等的出現(xiàn),才逐漸發(fā)展為PWM方式。由于調(diào)節(jié)PWM波的占空比即可調(diào)節(jié)電壓幅值,所以逆變環(huán)節(jié)可同時完成調(diào)壓和調(diào)頻任務(wù),整流器無需控制,設(shè)備結(jié)構(gòu)更簡單,控制更方便。輸出電壓由方波改進(jìn)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(zhǔn)波（調(diào)制波）,用一列等幅的三角波（載波）與基準(zhǔn)正弦波相比較產(chǎn)生PWM波的控制方式。如圖2所示,當(dāng)基準(zhǔn)正弦波高于三角波時,使相應(yīng)的開關(guān)器件導(dǎo)通;當(dāng)基準(zhǔn)正弦波低于三角波時,使相應(yīng)的開關(guān)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(qū)間正弦波下的面積成比例。這種脈沖波經(jīng)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定。這就是變頻電源調(diào)頻調(diào)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(jīng)過三相橋式不控整流電路整流成脈動直流電壓,經(jīng)過中間濾波電容的儲能和濾波成為平滑直流電壓。逆變環(huán)節(jié)由4塊IGBT構(gòu)成全橋逆變器,反并聯(lián)二極管完成IGBT關(guān)斷時的續(xù)流工作,R、C、D構(gòu)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?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,只在接入電源的最初短時間內(nèi)將限流電阻R1串入,當(dāng)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(shè)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(shè)計原則是考慮最高輸出頻率,只要最高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(guān)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(guān)損耗,并危及器件的安全。因此在大功率應(yīng)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。