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(lái)越廣泛。根據(jù)《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50150－91）和《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》（DL／T096－1996）的要求，此類高壓電力設(shè)備的安裝驗(yàn)收和年度檢修中，均需進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)項(xiàng)目，然而對(duì)這類電容性試品，采用常規(guī)工頻耐壓試驗(yàn)，所需試驗(yàn)設(shè)備和電源容量都非常大，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)難度也很大。對(duì)于同一試品而言，采用變頻諧振試驗(yàn)方式，所需的電源容量和設(shè)備最小，重量也最輕。諧振試驗(yàn)系統(tǒng)在試品擊穿時(shí)，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(yàn)更適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。
1、變頻試驗(yàn)電源基本原理
變頻電源做為交流諧振耐壓試驗(yàn)系統(tǒng)的核心部分，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，且穩(wěn)定度高，還要求在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下有較強(qiáng)的抗干擾能力。
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(guò)改變方波的幅值，即中間直流電壓幅值來(lái)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(shí)完成調(diào)壓和調(diào)頻任務(wù)，整流器無(wú)需控制，設(shè)備結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)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)器件導(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)器件截止。由此，逆變器的輸出電壓波形為所示的脈沖列，其特點(diǎn)是：半個(gè)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(guò)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(yàn)變頻電源的主電路原理如所示。三相交流電壓經(jīng)過(guò)三相橋式不控整流電路整流成脈動(dòng)直流電壓，經(jīng)過(guò)中間濾波電容的儲(chǔ)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(shí)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(chǔ)能電容之間串入一個(gè)限流電阻R1，只在接入電源的最初短時(shí)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(jì)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(jì)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(shí)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(shí)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(lái)降低電壓尖峰值。
2、控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
先進(jìn)的控制策略、高性能的控制芯片和高速開關(guān)器件相結(jié)合是變頻電源發(fā)展的主流趨勢(shì)。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(fù)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(shù)字方法在可靠性、靈活性、可控性等方面具有模擬方法無(wú)法比擬的優(yōu)越性，所以本變頻電源采用Intel公司16位單片機(jī)80C196 MC作為控制核心，組成全數(shù)字化控制系統(tǒng)。80C196 MC是專門為電機(jī)高速控制所設(shè)計(jì)的一種真正16位單片機(jī)，廣泛應(yīng)用于變頻控制中。它有獨(dú)具特色的波形發(fā)生器WFG、A／D轉(zhuǎn)換器、事件處理陣列EPA等，控制系統(tǒng)可大大簡(jiǎn)化。 請(qǐng)登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng) 瀏覽更多信息
4路SPWM脈沖控制信號(hào)由三相波形發(fā)生器WFG產(chǎn)生，輸出電壓和電流相位脈沖信號(hào)輸入2路EPA捕捉口，進(jìn)行相位差檢測(cè)。2個(gè)接觸器JC1和JC2由主控板控制，完成啟動(dòng)和保護(hù)功能。6路十位A／D轉(zhuǎn)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(gè)EPA口構(gòu)成的串行總線。
3、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)軟件采用C－196語(yǔ)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(huán)控制程序（PI）、數(shù)字鎖相環(huán)程序及外部中斷程序等。
控制軟件的首要任務(wù)是產(chǎn)生SPWM脈沖，為了節(jié)省機(jī)時(shí)，提高運(yùn)行速度，首先構(gòu)造正弦波數(shù)據(jù)表。正弦數(shù)據(jù)表具有反對(duì)稱性，即sinα＝－sin（－α），因此只要建立0°～180°的正弦數(shù)據(jù)表即可使用。由0°開始，每隔0．15°安排1項(xiàng)數(shù)據(jù)，直到179．5°，共計(jì)1200項(xiàng)數(shù)據(jù)，存入EPROM中。軟件運(yùn)行時(shí)，循環(huán)查詢正弦表數(shù)據(jù)，控制波形發(fā)生器WFG即可產(chǎn)生所需的SPWM控制脈沖。變頻電源主程序完成系統(tǒng)初始化及參數(shù)設(shè)定等功能，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)和方向辨別。波形中斷程序?yàn)榭刂葡到y(tǒng)軟件的核心，中斷優(yōu)先級(jí)最高，完成正弦數(shù)據(jù)表查詢、波形發(fā)生器數(shù)據(jù)重置、占空比計(jì)算等功能。電壓閉環(huán)子程序進(jìn)行PI控制算法計(jì)算，實(shí)時(shí)調(diào)整SPWM脈沖波的占空比，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。數(shù)字鎖相程序采用捕捉中斷，計(jì)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。外部中斷程序響應(yīng)各保護(hù)電路的保護(hù)信號(hào)，封鎖脈沖輸出，記憶故障參數(shù)。
4、抗干擾措施
在硬件上采用磁平衡式電壓電流互感器進(jìn)行強(qiáng)弱電隔離，信號(hào)傳輸采用屏蔽電纜，并一點(diǎn)接地。模擬信號(hào)在進(jìn)入微處理器AD前進(jìn)行多級(jí)濾波，最大限度消除虛假信號(hào)的侵入。控制板設(shè)計(jì)中，數(shù)字電路和模擬電路分開布置，數(shù)字地與模擬地采用一點(diǎn)連接，消除數(shù)字電路和模擬電路的相互干擾及地電位的不平衡。控制電源采用開關(guān)電源，加裝電源濾波器，濾除饋入的共模干擾信號(hào)。主控板采用電源監(jiān)控芯片，監(jiān)視電源電壓，出現(xiàn)電壓不穩(wěn)時(shí)將系統(tǒng)復(fù)位。
軟件上，數(shù)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(tǒng)死循環(huán)或軟件顛覆的位置加入監(jiān)視點(diǎn)，出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。對(duì)可能引起電源輸出超限的位置加入極限判別語(yǔ)句，保證任何情況都不會(huì)出現(xiàn)變頻電源的不正常輸出。
5、結(jié)束語(yǔ)
根據(jù)以上原則研制開發(fā)的大容量試驗(yàn)變頻電源已在現(xiàn)場(chǎng)交流耐壓試驗(yàn)中成功應(yīng)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(wěn)定度高，可方便地組成串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)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)行交流耐壓試驗(yàn)，可廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)基建和修試單位的設(shè)備安裝和檢修試驗(yàn)等工作中。
（轉(zhuǎn)載）
