大功率變頻電源的研究和應(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(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|穩(wěn)壓器容量都非常大,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。圖1為一般交流變頻諧振耐壓試驗(yàn)原理簡(jiǎn)圖。
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(kāi)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。如圖2所示,當(dāng)基準(zhǔn)正弦波高于三角波時(shí),使相應(yīng)的開(kāi)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(kāi)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(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圖3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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(mén)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。


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(kāi)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(kāi)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?？刂齐娫床捎瞄_(kāi)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(mén)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(kāi)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。