大功率低局放量變頻電源設(shè)計(jì)

亢銀柱++王天正++俞華++李艷鵬

摘 要：隨著我國高壓電網(wǎng)，特別是特高壓電網(wǎng)布局的不斷完善，對(duì)這些電網(wǎng)監(jiān)測的重要性也日益凸顯出來。該文提出了一種大功率低局放量變頻電源設(shè)計(jì)方案，應(yīng)用于高壓電網(wǎng)的監(jiān)控電氣設(shè)備中，首先介紹了變頻電源在初級(jí)放大、前級(jí)放大和后級(jí)放大回路的設(shè)計(jì)方案，提出了低局放量變頻電源保護(hù)回路的分析和設(shè)計(jì)思路并完成了相關(guān)設(shè)計(jì)工作。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該文設(shè)計(jì)的大功率低局放量放大變頻電源可實(shí)現(xiàn)正弦波信號(hào)保真度和抗干擾能力強(qiáng)，電源頻率及輸出電壓可調(diào)節(jié)的功能，可以滿足試驗(yàn)需要。

關(guān)鍵詞：大功率 低局放量 變頻電源

中圖分類號(hào)：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）05（c）-0104-02

目前，國家高壓電力系統(tǒng)正在快速發(fā)展階段，電力負(fù)荷和遠(yuǎn)距離大容量輸電需求也在大幅度增加，越來越多的高壓電氣設(shè)備應(yīng)用在電力系統(tǒng)中，為了監(jiān)測這些設(shè)備的絕緣運(yùn)行狀況，確保電力系統(tǒng)的平穩(wěn)性和安全性，很有必要對(duì)其進(jìn)行高壓試驗(yàn)[1-3]。該文提出了一種大功率低局放量變頻電源試驗(yàn)裝置并應(yīng)用在電力系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)中，介紹了此裝置的技術(shù)研究和實(shí)際應(yīng)用。變頻電源主要采用電力電子技術(shù)來實(shí)現(xiàn)并能夠進(jìn)行微機(jī)測量與控制?；芈分兄饕捎每勺冾l標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)，通過逐級(jí)放大，實(shí)現(xiàn)大功率輸出，最大可達(dá)450 kW，最終輸出的波形失真度小，滿足系統(tǒng)需求。

1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)原理

1.1 回路分析

變頻電源本質(zhì)上是一個(gè)功率放大器，可將微弱的正弦波信號(hào)放大使功率達(dá)到數(shù)千瓦[4]。該文大功率低局放變頻電源的回路流程圖如圖1所示，整個(gè)放大器分為三級(jí)：初級(jí)放大、前級(jí)放大和后級(jí)放大。該回路中整個(gè)功率輸出均由三極管完成，每個(gè)部件放大功率逐級(jí)抬高[5]。

為實(shí)現(xiàn)波形失真小，效率高，變頻電源設(shè)計(jì)中放大回路采取對(duì)稱放大的電路設(shè)計(jì)，回路元器件采用大量大功率三極管并聯(lián)從而構(gòu)成達(dá)林頓回路，保證回路中電流的平分避免電路高負(fù)荷運(yùn)行出現(xiàn)故障[6]。

1.2 初級(jí)放大回路的分析與設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)初級(jí)放大且降低放大回路引起的信號(hào)失真，該文采用TDA2030作為主要器件。經(jīng)過TDA2030輸出給前級(jí)放大回路，完成此次放大。其輸出信號(hào)經(jīng)過升壓推動(dòng)變壓器，可升高電壓幅值，將初始信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓較高的信號(hào)，為防止輸出波形失真，保證信號(hào)損耗小且不增加額外干擾，該設(shè)計(jì)提出在電路中增加負(fù)反饋模塊，即在輸出端加一個(gè)變壓器，當(dāng)出現(xiàn)信號(hào)波形出現(xiàn)畸變，反饋?zhàn)儔浩骺蓪?duì)其進(jìn)行信號(hào)補(bǔ)償。負(fù)反饋回路流程圖如圖2所示。

該設(shè)計(jì)中采用電壓串聯(lián)負(fù)反饋，反饋的基本器件為多繞組變壓器，采用多層屏蔽技術(shù)。在電路的工作過程中可實(shí)現(xiàn)放大器的功能，可提高原始邊的電壓，從而達(dá)到推動(dòng)和反饋的功效。

1.3 前級(jí)和后級(jí)放大回路的分析與設(shè)計(jì)

前級(jí)放大回路由大功率三極管組成一個(gè)對(duì)稱放大回路，在某一周期中，當(dāng)處于電壓的正半波時(shí)，放大回路中相對(duì)的兩個(gè)臂開始工作，負(fù)半波另外兩只臂工作，電壓輸出時(shí)兩個(gè)半波合成一個(gè)周期，剛好為一個(gè)完整的正弦波，至此完成了一次放大過程，推動(dòng)變壓器的極性控制三極管的工作[7]。主回路的電源由交流380 V輸入，通過整流硅堆，經(jīng)過濾波電抗器和濾波電容器，輸出直流，電壓為540 V，為輸入電壓的1.414倍[8]。此外，該文在前級(jí)放大回路中添加了預(yù)合閘模塊，能有效防止跳閘的發(fā)生。

2 低局放量變頻電源保護(hù)回路分析與設(shè)計(jì)

該文提出的試驗(yàn)裝置中采用了回路直接保護(hù)模塊來解決裝置結(jié)構(gòu)響應(yīng)速度不夠的缺陷，由于電子元件處于工作狀態(tài)時(shí)，容易發(fā)生短路、過壓等問題，該文提出來利用快速晶閘管的快速關(guān)斷特性來實(shí)現(xiàn)大電流的通斷功能。晶閘管在回路中相當(dāng)于可控的單相導(dǎo)電開關(guān)。無論短路還是導(dǎo)通均可承受來自電路的負(fù)荷。該文試驗(yàn)裝置中變頻電源內(nèi)的快速晶閘管采用Q602，其主要特性參數(shù)如下：通態(tài)平均電流Ira=1 000 A，斷態(tài)重復(fù)峰值電壓Udrm=1 100 V，斷態(tài)臨界電壓上升率du/dt=800，通態(tài)電流上升率di/dt=550，門極觸發(fā)電流Igr≤350 mA，門極觸發(fā)電壓≤3 V。當(dāng)電路出現(xiàn)故障時(shí)，回路中三極管仍處于放大狀態(tài)，可能導(dǎo)致元器件壽命短或者直接損壞[9]，所以僅通過電源得斷開并不能排除所有故障，因此該文還提出一種采用切斷初始信號(hào)源的方式來實(shí)現(xiàn)變頻電源輔助回路的保護(hù)。

3 變頻電源低局放量控制措施及現(xiàn)場測試

變頻電源中的元器件處于工作狀態(tài)時(shí)，尤其在二極管導(dǎo)通的瞬間，回路會(huì)突然產(chǎn)生一個(gè)高頻信號(hào)，而這些高頻信號(hào)會(huì)對(duì)現(xiàn)場測量局部放電工作帶來很大的影響。這種干擾與變頻電源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及電路設(shè)計(jì)過程中采用的元器件有關(guān)，且在于輸出的每個(gè)環(huán)節(jié)中。因此降低這些干擾至不影響變頻電源正常使用是亟待解決的問題之一。

該文提出了一種抗干擾措施，可將二極管導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的高頻信號(hào)濾掉，即在后級(jí)放大回路中的電源整流硅堆上并聯(lián)高壓高頻電容。既可濾除來自電源的干擾又可降低各放大回路的擾動(dòng)影響。經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)顯示，在一定范圍，并聯(lián)電容越大，濾除干擾能力越強(qiáng)。但當(dāng)電容量達(dá)到一定時(shí)，將增加變頻電源的輸出功率，影響試驗(yàn)結(jié)果。

此外，為解決多臺(tái)450 kW大功率低局放變頻電源的并聯(lián)輸出倍數(shù)功率使用，進(jìn)行2臺(tái)450 kW低局放變頻電源并機(jī)輸出2倍功率900 kW負(fù)載試驗(yàn)，試驗(yàn)取得圓滿成功，滿負(fù)載連續(xù)運(yùn)行24 h。

4 結(jié)論

該文提出了一種大功率低局放量變頻電源的設(shè)計(jì)方案，并且試驗(yàn)取得圓滿成功，主要工作總結(jié)如下。

（1）變頻電源的放大回路采取了對(duì)稱放大的方法從而達(dá)到波形失真很小、輸出效率高的目的。

（2）該設(shè)計(jì)在初級(jí)放大回路的輸出端加上變壓器來實(shí)現(xiàn)電路的負(fù)反饋功能，當(dāng)出現(xiàn)信號(hào)波形畸變，反饋?zhàn)儔浩骺蛇M(jìn)行補(bǔ)償，保證輸出波形不失真的同時(shí)使信號(hào)損耗小且不增加額外干擾項(xiàng)。

（3）該文在低局放量變頻電源保護(hù)回路設(shè)計(jì)中，變頻電源利用回路直接保護(hù)以解決機(jī)械傳動(dòng)造成的動(dòng)作慢的問題，利用快速晶閘管來實(shí)現(xiàn)大電流的關(guān)斷，避免電子元器件在工作中易發(fā)生故障，采取切斷信號(hào)源方法來實(shí)現(xiàn)變頻電源輔助回路的保護(hù)。

（4）為解決二極管導(dǎo)通時(shí)對(duì)測量帶來的干擾問題，該文提出在后級(jí)放大回路的電源整流硅堆上并聯(lián)高壓高頻電容，從而排除二極管導(dǎo)通產(chǎn)生高頻信號(hào)的干擾。

該文設(shè)計(jì)在回路中上千只三極管同時(shí)放大的工作狀況下，器件的自身損耗很大，因此會(huì)產(chǎn)生較高的熱量，所以器件的散熱問題需要考慮的問題之一。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉江明.變頻電源在電力變壓器局部放電試驗(yàn)中的應(yīng)用研究[D].浙江大學(xué)，2011.

[2] 羅威.高壓試驗(yàn)用大功率變頻電源及其計(jì)算機(jī)監(jiān)控的研究與開發(fā)[D].湖南大學(xué)，2002.

[3] 潘華.特高壓電器局部放電和交流耐壓試驗(yàn)裝置的研究與開發(fā)[D].湖南大學(xué)，2008.

[4] 孟慶山.變頻電源在電力變壓器局部放電試驗(yàn)中的應(yīng)用研究[J].機(jī)電一體化，2014（1）：42-43.

[5] 譚立新.計(jì)算機(jī)監(jiān)控的高壓試驗(yàn)用大功率變頻電源[J].廈門理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006（14）：32-35.

[6] 劉宏，黃錦恩，王離九.大功率晶體管并聯(lián)研究[J].電力電子技術(shù)，1994（1）：26-30.

[7] 劉宏亮.特高壓電器局部放電和交流耐壓試驗(yàn)裝置的研究與開發(fā)[J].河北電力技術(shù)，2008，27（4）：43-45.

[8] 孫錦，方超，曹亮.變頻器輸入電抗器及直流濾波電容器的設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用科技，2014（2）：16-20.

[9] 周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛華.變頻調(diào)速系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)與調(diào)試[M].北京：人民郵電出版社，2009：25-28.