大功率变频电源的研究和应用

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|稳压器容量都非常大,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。


试验变频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电源发展的主流趋势。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、直流母线电压电流和高压量的采集变换。显示和故障记忆单元接入由4个EPA口构成的串行总线。

3　控制系统软件设计


控制系统软件采用C－196语言编制,软件主要包括：主程序、电压和频率给定程序、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。


控制软件的首要任务是产生SPWM脉冲,为了节省机时,提高运行速度,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）,因此只要建立0°～180°的正弦数据表即可使用。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。软件运行时,循环查询正弦表数据,控制波形发生器WFG即可产生所需的SPWM控制脉冲。


变频电源主程序完成系统初始化及参数设定等功能,电压和频率给定程序,捕捉旋转编码器输出的给定脉冲,进行给定计数和方向辨别。波形中断程序为控制系统软件的核心,中断优先级最高,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脉冲波的占空比,达到稳定输出电压的目的。数字锁相程序采用捕捉中断,计算电压和电流的相位差,并实时调整输出频率,直到电压和电流同相。外部中断程序响应各保护电路的保护信号,封锁脉冲输出,记忆故障参数。

4　抗干扰措施


在硬件上采用磁平衡式电压电流互感器进行强弱电隔离,信号传输采用屏蔽电缆,并一点接地。模拟信号在进入微处理器AD前进行多级滤波,最大限度消除虚假信号的侵入。控制板设计中,数字电路和模拟电路分开布置,数字地与模拟地采用一点连接,消除数字电路和模拟电路的相互干扰及地电位的不平衡。控制电源采用开关电源,加装电源滤波器,滤除馈入的共模干扰信号。主控板采用电源监控芯片,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,采用80C196 MC微处理器中看门狗功能,在容易引起系统死循环或软件颠覆的位置加入监视点,出现故障时系统自动复位。对可能引起电源输出超限的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的不正常输出。

5　结束语


根据以上原则研制开发的大容量试验变频电源已在现场交流耐压试验中成功应用,取得良好效果。该电源体积小、重量轻、输出功率大,输出电压和频率稳定度高,可方便地组成串联谐振耐压试验系统,对变压器、发电机、GIS和高压交联聚乙烯电缆等容性设备进行交流耐压试验,可广泛应用于电力系统基建和修试单位的设备安装和检修试验等工作中。