串联谐振逆变器（精选5篇）
串联谐振逆变器 篇1
电力电缆经常作为发电厂、变电所及工矿企业的动力引入 (或引出) 线, 在城乡电网中大量使用, 在国内已有越来越多的交联聚乙烯绝缘电力电缆替代原有的充油油纸绝缘电力电缆。交联电缆在投运前的交接试验项目上要求进行交流耐压, 但由于电力电缆是大容量设备, 且距离越长容量越大, 现场没有足够容量的试验变压器能满足要求。因此, 有的地方仍在沿袭使用直流耐压的试验方法。近年来, 国际、国内的很多研究机构的研究结果表明, 直流试验对交联聚乙烯电缆有不同程度的损害。为保障交联电缆的安全运行, 国家对电缆的交接和预防性试验做出了新的规定, 即用交流耐压试验替代原来的直流耐压试验, 以避免直流试验对电缆造成损伤, 保证电缆安全可靠运行。
1 交联电缆直流耐压试验的缺点
高电压试验技术的一个通用原则:试品上所施加的试验电压场强必须模拟高压电器的运行工况。这就意味着试验中的故障机理应与电器运行中的机理有相同的物理过程。按照此原则, 交联电缆进行直流耐压试验的缺点主要表现在以下几个方面。
1) 直流电压下, 电场强度是按照电阻率分布的, 而交联聚乙烯电缆绝缘层中的材料含有很多成分, 其电阻率分布是不均匀的, 同时电阻率受温度等因素影响比较大, 所以在直流电压下, 交联聚乙烯电缆绝缘层中的电场分布是不均匀的, 这就可能在直流试验过程中出现绝缘层有的地方电场很强, 有的地方电场却比较弱的情况, 导致局部绝缘击穿, 在运行中引起事故。
2) 交联聚乙烯电缆在直流电压下会产生“记忆”效应, 存储积累单极性残余电荷。一旦有了由于直流耐压试验引起的“记忆性”, 需要很长时间才能将这种直流电压释放。电缆如果在直流残余电荷未完全释放之前投入运行, 直流电压便会叠加在工频电压峰值上, 使得电缆上的电压值远远超过其额定电压, 从而有可能导致电缆绝缘击穿。
3) 直流耐压试验所施加的直流电压电场强度分布状况与运行中的交流电压电场强度分布状况不同, 直流耐压试验并不能模仿运行状态下电缆承受的过电压, 而且也不能有效的发现电缆本身及电缆接头和施工工艺上的缺陷。
实践也表明, 直流耐压试验不能有效地发现交流电压作用下的某些缺陷, 如在电缆附件内, 绝缘若有机械损伤等缺陷, 在交流电压下绝缘最易发生击穿的地点, 在直流电压下往往不能击穿。
2 交联电缆交流耐压试验方法
交联电缆交流耐压试验通常采用谐振交流耐压试验, 主要有两种方式:即可调电感型谐振试验方式和变频谐振试验方式。由于可调电感型谐振试验设备重, 可移动性差, 不利于现场使用, 所以多采用变频谐振试验方式进行。
变频谐振试验方法不但能满足高压交联电缆的耐压要求, 而且具有重量轻、可移动性好的优点, 适宜现场试验。该方法采用固定电抗器作为谐振电抗器, 以调频的方式实现谐振, 频率的调节范围为30～300Hz, 符合CIGRE WG21.09《高压绝缘电缆竣工试验建议导则》中推荐使用工频及近似工频 (30～300Hz) 的交流电压。这种交流电压可以重现与运行工况下相同的场强, 并已被证明是最有效的方法。
2.1 变频串联谐振原理
变频串联谐振耐压试验是利用电抗器的电感与被试品电容实现串联谐振, 这已经成为当前高电压试验的新的方向和潮流, 在国内外得到了广泛应用。变频式采用固定电感电抗器, 通过调节激励电源的频率使其与试验回路的固有频率相同, 串联回路达到谐振状态, 从而在被试品上产生高电压或大电流, 实现对被试品耐压试验的目的。其特点是试验设备体积小、重量轻, 品质因数高, 使用方便, 串联谐振的等值电路, 如图1所示。
图1中L为电感;C为电容 (包括被试电容、电容分压器、高压试验回路电容) 。
由图1可得:
undefined;
当串联谐振时, XL=XC;即:1/2πfC=2πfL;UC=UsXC/R=UsXL/R;谐振频率f=1/2π;谐振回路电流, 即试品电流为:
undefined;
谐振回路的品质因数为Q:
undefined;
则UC=QUs, 即被试品上的电压为励磁电压的Q倍。输入功率P=UsIscosδ, 谐振时, 负荷为纯电阻性的, 即cosδ=1, 故P=UsIs, 而加在被试品上的容量PS是施加的电压UC和电流I的乘积:
PS=UCIs=QUsIs=QP。
也就是在被试品上得到的容量为试验电源容量的Q倍。换言之, 小容量的试验变压器可以对大容量的试品进行耐压试验。实际试验回路中的Q值一般可以达到20～70, 激励电压仅为试验品谐振电压的1/Q, 激励功率亦为谐振功率的1/Q。
采用变频串联谐振的方法做电缆交流耐压试验, 可大幅度地减小试验电源容量, 如做2km长的110kV电缆交流耐压试验, 至少需要1500kVA以上容量的试验变压器和调压器, 而采用变频串联谐振的方法, 仅需要30kVA试验电源。
2.2 交联电缆变频串联谐振交流耐压试验装置及工作程序
1) 试验装置由调频电源、激励变压器、谐振电抗器和电容分压器组成。
被试品的电容与电抗器构成串联谐振回路, 分压器并联在被试电缆上, 用于测量被试电缆的谐振电压值, 并作为过电压保护信号。调频调压的功率经激励变压器耦合给串联谐振回路, 提供串联谐振的激励功率。
2) 试验工作程序:
首先调节调频调压电源输出频率, 根据谐振时被试电缆上的电压找到谐振点, 再增加调频调压电源输出电压, 使被试电缆上的电压达到规定值。在此电压值下, 保持规定的耐压时间后, 降低电压到零, 完成变频谐振耐压试验全过程。
3 试验标准
按照有关规定, 甘肃省电力公司已经取消了现场对交联聚乙烯绝缘电力电缆的直流耐压试验, 并根据相关国家标准结合行业要求相应制订了交联聚乙烯绝缘电力电缆交接及预防性试验的标准, 见表1。
4 运用实例
2008年4月15日, 对兰州供电公司35kV辛堡子变电所10kV出线电缆进行了交流变频串联谐振耐压试验, 在整个试验过程中, 没有发生闪络或击穿现象, 电缆安全运行至今, 见表2。
5 结束语
在实际的运用中, 除了交联电缆, 发电机、大型变压器、GIS组合电气、耦合电容器等设备在耐压试验时都呈现容性, 对于这些容性负载, 都可以采取串联谐振的方法进行交流耐压试验, 这不仅可以几十倍的降低电源容量, 减小设备体积, 还可以使试验更加安全、方便、有效。
摘要：列举了交联电缆直流耐压试验的缺点, 论述了变频串联谐振系统进行高压电力电缆谐振耐压试验的基本原理, 并通过采用变频串联谐振系统在工程实践中的应用实例, 论证了变频串联谐振方法在交联电缆现场交流耐压中的效果和可行性。
关键词：交联电缆,变频,谐振,试验
参考文献
[1]江苏省电力工业局, 江苏省电力试验研究所.电气试验技能培训教材[M].北京:中国电力出版社, 1998:256-258.
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[3]GB11017-89, 额定电压110kV铜芯、铝芯交联聚乙稀绝缘电力电缆[S].北京:国家标准化委员会出版, 1998.
RLC串联谐振频率测定方法新探 篇2
1 理论分析
RLC串联电路如图1所示。其中r为电感绕线电阻,这里忽略了电源内阻、导线的连接电阻以及电容器所形成的漏电电阻。
当电路发生谐振时,在谐振点上,电路中有如下关系:
undefined
Q=f0/BW
作出RLC串联电路的谐振曲线,如图2所示。由谐振曲线可知,电路Q值越高,谐振曲线越尖锐,电路的选择性越好;相反,电路Q值越低(如R较大),电路的选择性越差。
在串联谐振电路实验中对于测量谐振频率采用传统的测量方法是送入不同频率的US,测量各频率点的UR值,绘出幅频特性曲线,在此曲线上最高点对应的频率即为该电路的谐振频率。但往往会出现最高点不止一处的情况,特别是当电路Q值较低时情况尤其突出,电阻两端电压在谐振点附近几乎不变,很难确定真正的谐振频率点,这样测出的谐振频率误差较大。为解决此问题,我们先分析一下电路中的电压关系,定性作出如图3所示的谐振频率点对应的相量图。
由相量图可以看到undefined,即存在undefined,又因为谐振时UL0=UC,因此在谐振点有undefined。而由图1所示undefined为电感元件两端的电压,它包括了绕线电阻r两端的电压,理论分析可以将L和r作为两个独立的元件来分析,但实际上它们是位于同一元件之中的,因此在实际测量中我们只能测得UL,而Ur的大小是测量不到的。通过进一步研究发现,电路谐振时Ur=US-UR,所以可以通过测量UR、UC、UL的值,并进行Ur=US-UR的计算,找到满足undefined的点即为谐振点,该点对应的频率就是准确的谐振频率。这样我们只要在谐振点附近直接测量UC及UL,每隔100Hz测量一组数据,找出满足undefined的点,即为谐振点。
2 方法实现
为了进一步说明方法的应用,下面通过具体的实验过程来实现谐振频率的测定。
实验电路即图1所示电路,US=4V,L=2.5mH,C=0.1μF ,R=110Ω,r=10Ω。
步骤1:依次改变输入信号的频率,注意保持US=4V,每改变一次频率就测量一次UR的值,这样就得到了如表1所示的一组数据。
步骤2:从表1中可以看到对应UR最大值(3.6V)的点有好几个,理论上可以推断谐振点就位于这一区域之中,但很难最后确定哪一点为谐振点,因此在这一段范围内专门测UL及UC的值,测得数据如表2所示,从中可以算出在f=9.9kHz处有:Ur=US-UR=0.4,因此,UL、UC、Ur三者满足undefined,即undefined,这样我们就可以确定该电路的谐振频率为f0=9.9kHz。
最后对实验电路的元件进行了测定,其中L=2.69mH,C=95.55nF,r=10.81Ω,按此实际值计算理论上的谐振频率为f0=9.93kHz。可见按以上方法具有足够的准确性。如果以常规方法来测定,由于无法确定准确的点,显然误差较大。
3 计算机仿真
在Tina Pro软件中创建图1所示的仿真电路,元件值取实际测定值,设置测量标识符,用于标识电路中元件电压的仿真计算值。进行交流分析,按“功能菜单分析AC分析”,打开交流分析功能表,单击“AC传输特性”分析项,得到RLC串联电路的谐振曲线,如图4所示,可见谐振频率在10KHz附近。再利用“AC结果表”分析功能在谐振点附近直接测量Uc及UL,每隔100Hz测量一组数据,直到出现如图5所示的
结果,满足undefined,此点对应的输入正弦信号的频率为9.928KHz,显然这个频率就是谐振频率,与理论计算相符。为进一步说明仿真的效果,启动“矢量图”分析功能,得到谐振点对应的相量图如图6所示,结果与理论分析一致,测定方法得到进一步验证。
电压/电流UC5.56VUL5.57VUL05.56VUR3.64VUr357.92mVUs4V
图5 仿真结果
4 结束语
通过理论分析和实验,不但可以使学生学习准确的测定方法,而且使其对于RLC串联电路的相量关系有更为清楚的认识,从而加深对概念的理解。计算机仿真更有利于学生理解和掌握理论知识,激发学生的想象能力,有助于提高其分析问题和解决问题的能力,是提高教学效率的有效辅助手段之一。
摘要：通过理论分析和实验,提出了一种较为准确的测定RLC串联谐振电路谐振频率的方法,并进行了计算机仿真,结果与理论分析一致。该方法具有原理清楚、准确性高的特点。
关键词：串联谐振电路,谐振频率,实验测定,计算机仿真
参考文献
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[2]李瀚荪.电路及磁路[M].北京:中央广播电视大学出版社,1994
[3]谷良.电路仿真软件Tina Pro导读[M].北京:中央广播电视大学出版社,2003:23-31.
[4]杜志勇.电子测量[M].北京:人民邮电出版社,2005.
[5]李加升.RLC串联电路的时域分析及实验仿真[J].湖南第一师范学报,2007(4).
[6]任萍.电阻、电感、电容串联实验的改进[J].物理教学探讨,2007(10).
多逆变器并网系统谐振特性分析 篇3
基于可再生能源 (如风能、太阳能等) 的分布式发电技术是人类应对能源危机和环境污染的重要手段, 近年来越来越受到重视[1,2]。并网逆变器因其灵活的运行模式和良好的可控性, 成为可再生能源发电系统并网的主要接口之一[3,4]。由于可再生能源具有分布式接入特点, 各逆变器间大多满足并联关系。
并网逆变器通常采用脉冲宽度调制PWM (Pulse Width Modulation) 方式, 因此在输出波形中存在开关频率整数倍附近的高频谐波。为抑制高频开关产生的电压和电流纹波, 通常在并网逆变器和电网之间加入LCL滤波器。与单电感L滤波器相比, LCL滤波器对电流高频分量具有更强的抑制能力[5,6], 但LCL滤波器是一个三阶系统, 具有一个阻尼系数很低的谐振尖峰。大量文献研究了无源阻尼或有源阻尼抑制谐振峰值的技术[7,8,9,10,11,12], 这些文献基于单LCL逆变器模型, 针对LCL滤波器单个谐振峰进行抑制。而多LCL逆变器并网时, 各逆变器通过公共连接点PCC (Point of Common Coupling) 交互作用[13,14,15], 系统谐振特性不同于单逆变器系统[16,17]。文献[16]将逆变器等效为一个理想的电压源, 分析了并联LCL滤波器的谐振特性, 分析中没有考虑逆变器对系统谐振的影响, 多LCL滤波器的谐振特性并不等同于多逆变器并网系统的谐振特性。文献[17]基于离散传递函数建立了逆变器侧电流闭环控制的并网逆变器等效模型, 考虑逆变器对系统谐振的影响, 分析发现和单逆变器并网系统不同, 多逆变器并网系统存在2个谐振峰。但分析过程中假设所有逆变器参数、控制策略及控制参数均相同, 而实际系统中, 由于分布式电源的不同, 并联逆变器参数、控制策略及控制参数往往不同, 这些不同直接影响多逆变器并网系统谐振频率和谐振峰个数, 且增加了多逆变器系统谐振特性分析难度。
为了深入研究多逆变器并网系统谐振机理, 以采取有效的措施抑制系统谐振, 本文基于闭环传递函数法建立了电容电流和网侧电流双闭环控制的LCL并网逆变器诺顿等效模型, 利用所建立的模型分析多逆变器并网系统谐振特性及参数对系统谐振的影响。仿真验证了理论分析的正确性和准确性。
1 LCL并网逆变器诺顿等效模型
多个LCL并网逆变器构成的多逆变器系统通过PCC和弱电网并网运行, 其结构如图1所示。图中, ZL1i和ZL2i (i=1, 2, …, n) 分别为逆变器侧和网侧滤波感抗;ZCi (i=1, 2, …, n) 为滤波器容抗;Zg为交流弱电网的等效阻抗;ug为并网电网电压;ig为电网电流。
图1中第i个LCL单相并网逆变器的结构如图2所示。其中, 逆变器输入直流电压Udc由分布式电源提供;ig, i为逆变器电网侧电流;iC, i为滤波器电容电流;iL1i为逆变器侧电流。
当开关频率远远高于电网基波频率, 并忽略直流母线电压波动及开关频率以上的高次谐波时, 通过对功率器件开关状态在一个开关周期内进行平均运算所得模型[8,9]称为系统平均模型。图2中的逆变器采用并网电流和电容电流双闭环电流控制, 其控制框图如图3所示。图中, Gt, i (s) 为电流外环控制传递函数;Ginv, i (s) 为逆变桥增益传递函数。根据梅森公式, 图3可简化为图4。
由图4可知, 系统的输入输出满足以下关系:
其中, T为系统的环路增益;Gi为受控电流源控制系数;Yi为并联导纳。
由式 (2) 可知, LCL并网逆变器外特性可等效为如图5所示的诺顿等效电路。
将图1中的每个逆变器采用图5所示的等效诺顿模型替换, 可得多LCL逆变器并网系统结构图如图6所示。
由图6, 根据基尔霍夫电流定律, 可得公共并网点的电压uPCC满足式 (4) 。
将式 (4) 代入式 (2) 可得:
微电网中各逆变器并网电流的矩阵表达式如下:
式 (5) 给出了逆变器并网电流模型, 并网逆变器的电流由三部分组成:由自身桥臂产生;由其他并联桥臂产生, 反映并联逆变器间的交互作用;由并联电网产生, 反映多逆变器并网系统和并联电网的交互作用, 交互作用使多逆变器并网系统谐振特性变得复杂。
2 多逆变器并网系统谐振特性分析
2.1 并联逆变器数量对系统谐振的影响
逆变器A、B和C的参数见表1, 其中, L1和R1分别为逆变器侧滤波电感及其电阻;L2和R2分别为网侧滤波电感及其电阻。3个逆变器均采用双环控制, 电容电流内环采用比例控制, 并网电流外环采用PI控制。根据文献[18-19]的弱电网阻抗计算方法, 并联弱电网的等效电感为1.5 m H, 等效电阻为0.5Ω, 电网电压为220 V。由式 (6) 可知, 并网电流3个组成部分的传递函数分母相同, 即有相同极点和类似的谐振特性, 因此本文分析Ri部分。图7 (a) 、 (b) 和 (c) 分别给出了含不同数量逆变器的并网系统谐振特性。图7 (a) 系统全部由逆变器A组成, 图7 (b) 系统由逆变器A和B按1∶1的比例组成;图7 (c) 系统由逆变器A、B和C按1∶1∶1的比例组成。
图7的仿真结果表明, 多逆变器并网系统存在多个正谐振峰, 其个数和逆变器的种类有关, 较低的谐振频率随逆变器个数增加而减小;系统中逆变器的组成比例固定时, 并联逆变器的数量不影响系统的谐振峰个数。
2.2 逆变器组成比例对系统谐振的影响
多逆变器并网系统由6台逆变器组成, 系统有2种不同的组成方案。方案1为系统由逆变器A和B组成;方案2为系统由逆变器A、B和C组成。2种方案下, 逆变器组成比例如表2所示。图8 (a) 和图8 (b) 给出了2种组成方案下系统的谐振特性。
图8的仿真结果表明系统的谐振峰个数和系统的组成方案密切相关, 相同数量的逆变器、不同的组成方案系统的谐振特性不同。
2.3 仿真验证
在MATLAB中建立2个逆变器并网系统仿真模型, 逆变器参数同表1。由图7 (a) 和 (b) 可知, 2个逆变器A并联时系统谐振频率为425 Hz, 逆变器A和B并联时系统谐振频率为490 Hz。考虑并网系统的基波频率为50 Hz, 因此当2个逆变器A并联时, 在其中一个逆变器的给定值中注入5%的450 Hz谐波;而当单逆变器A和B并联时, 在逆变器A给定值中注入5%的500 Hz谐波。图9 (a) 和 (b) 给出了2种情况下逆变器A并网电流及其THD分析结果。图10给出了以上2种情况下, 逆变器A中注入5%的不同频率谐波时, 逆变器A并网电流THD分析结果。
图9和10的仿真结果验证了诺顿模型的适用性, 谐振分析结果的正确性和准确性。
3 参数对系统谐振的影响
多逆变器并网系统的谐振特性和系统控制参数及并网电网强度密切相关。基于分析结果, 利用逆变器控制参数的协调优化设计有效抑制系统谐振。
3.1 控制参数对系统谐振的影响
以逆变器A和B组成的并网系统为例, 图11、12分别给出了电容电流内环参数H1i和并网电流外环控制参数KP、KI对系统谐振特性的影响。
从图11的仿真结果可以看出, 随着电容电流内环控制参数的增大, 系统谐振频率减小, 但较低谐振频率的谐振峰值基本不变。从图12可以看出, 随着并网电流外环控制参数KP的增大, 系统谐振频率和谐振峰值均增大;而并网电流外环控制参数KI对系统的谐振频率没有影响, 随着KI的增大, 系统较低谐振频率的谐振峰值有所减小。
3.2 并网阻抗对系统谐振的影响
图13给出逆变器A和B组成的并网系统谐振特性和并网阻抗的关系 (本文验证时忽略电阻Rg) 。
从图13可以看出, 并网阻抗对系统较高的谐振频率没有影响, 而随着并网阻抗的增大, 系统较低的谐振频率会减小。
4 结论
本文基于闭环传递函数法建立了LCL并网逆变器诺顿等效模型, 分析了多逆变器并网系统的谐振特性及控制参数对谐振的影响, 得出如下结论。
a.当系统中的逆变器完全相同时, 系统仅存在2个谐振峰, 较高谐振频率不变, 而较低频率随着并联逆变器数量的增加而减小。
b.当系统中的逆变器不同时, 系统会产生多个谐振峰, 谐振峰个数随着不同逆变器个数的增加而增加。
c.系统的谐振频率和逆变器控制参数相关, 其随着电容电流放大系数的增大而减小, 随着并网电流外环控制参数KP的增大而增大, 基本不受并网电流外环控制参数KI参数的影响。
d.系统较低谐振频率随着并网阻抗的增大而减小。
摘要：基于闭环传递函数法建立了LCL并网逆变器诺顿等效模型, 利用所建立的模型分析了并联逆变器数量、组成和系统控制参数对系统谐振特性的影响。分析结果表明:和传统单逆变器系统相比, 多逆变器并网系统存在多个谐振频率, 谐振频率个数和系统中的逆变器种类相关, 较低的谐振频率随着逆变器数量的增加而减小, 随着并网阻抗的增大而减小;谐振频率随着电容电流内环参数的增大而减小, 随着并网电流外环控制参数KP的增大而增大, 基本不受并网电流外环控制参数KI的影响。仿真分析结果证明了理论分析的正确性。
串联谐振单相全桥逆电路的设计 篇4
1 电路设计
1.1 主电路及工作原理
串联补偿逆变电路如图所示:
电路由三相晶闸管全控整流桥、滤波电容、平波电感、单相全控桥式逆变电路、续流二极管、负载构成。
其中, 三相晶闸管全控整流桥主要是用来整流生成脉动的直流电。要求是恒压源, 因此电路中需要大滤波电容, 而当电容足够大时, 可认为输入是恒压, 而平波电感在此起切断直流作用。
串联补偿逆变电路主要通过自然换流的方式实现晶闸管之间的转换, 其工作原理:晶闸管SCR1、SCR4首先被触发, 电流经过SCR1、负载、SCR4, 正端流入负端流出, 附带的补偿电容C也充上了电。由于电流为正弦波, 而当电流为负向时, 则通过续流二极管D1、D4续流, 并给同桥臂的SCR1、SCR4加上反压, 并关断。一段时间后, SCR1、SCR4被完全断开, 晶闸管SCR2、SCR3被触发。且立刻导通。补偿电容C通过后续续流二极管、晶闸管回路放电。放电完成后, 续流二极管不再通过电流。而电容C开始反充电。而当电流再一次为负时, 通过续流二极管D2、D3续流, 且为SCR2、SCR3加上反压, 并使它们断开。最后当SCR2、SCR3断开后, 晶闸管SCR1、SCR4被触发, 而电容C则通过续流二极管和被触发的晶闸管回路放电。放电完成后, 续流二极管中不再有电流, 整个回路重复以上过程。
1.2 串联谐振逆变电路特性
通过对串联补偿逆变电路等效电路的分析, 其具有电压累加特性。电压在谐振电容上时叠加过程每半波都有一个, 除非回路工作于稳态。电压在电容C和电感L上则会渐升, 最后获得电源电压3—5倍的稳态电压。除此之外, 自然换流的特性, 也使晶闸管产生关断动作。且实际工作中, 最多只有两只晶闸管处于导通状态。
2 参数计算
2.1 三类基本元件取值
由主电路中发生串联谐振的条件, 可得:
当感抗等于容抗, 即:
主电路发生串联谐振。因此电阻、电容、电感的取值由此决定。
2.2 晶闸管的电压、电流额定值
把幅值为矩形波展开成傅里叶级数[1]得:
其中基波的幅值和基波有效值分别为:
一个周期内晶闸管两端电压的波形组成为:电压为0前半周期及电压为的后半周期。则, 此时的电压有效值为:
最大电压为:ud
所以, 额定电压为:
而电流有效值:
式中, 额定电流为:
3 触发电路设计
由于要产生门极触发脉冲, 且晶闸管在需要的时刻由阻断会转为导通的晶闸管触发电路设计要求。包括:相位控制电路、触发脉冲的放大和输出电路。
本文主电路采用移相调压控制方式, 通过移相来调节输出电压脉冲宽度, 实现主电路的调压功能。触发电路输出信号用来控制各个晶闸管的导通, 根据要求, 触发电路如图所示。即基于TCA785的触发电路, 该电路主要由锯齿波的形成、脉冲形成与放大环节、脉冲移相环节等部分组成。
4 保护电路设计
由于之前所述的晶闸管变流装置在运行过程中产生过流、过压, 所以实际中需要设计保护电路。
4.1 过电压保护
针对于主电路, 过压保护主要有:浪涌过电压保护、阻容保护、压敏电阻保护。此设计中晶闸管关断过程中产生的尖峰状的瞬时过压, 所采用的保护措施就是器件侧阻容保护。
4.2 过电流保护
实际中通常用作过电保护的: (直流) 快速熔断器、交流断路器。
5 总结
本设计的初衷主要是串联谐振单向全桥逆变电路的输出电压可调, 同时实现对工件的感应加热。在单相全桥逆变电路的基础上, 将直流电压逆变为中频方波, 并加到负载:串联振荡电路。实现对工件进行感应加热。采用了TCA785构成的脉冲触发电路。实现了基本功能但仍有大量不足之处需要改进和完善。
摘要：本文采用基于晶闸管构成的单相全桥逆变电路, 通过逆变的方法将直流电压变化为中频方波 (电压) , 并连接到负载串联振荡电路 (感应线圈、补偿电容组成) , 且整体可以实现对工件的加热、感应加热电源等方面。
关键词：串联谐振单相全桥逆变电路,触发电路,保护电路,晶闸管
参考文献
[1]王兆安, 黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社, 2008.
串联谐振逆变器 篇5
为了预防电力装置运行中的绝缘故障,电力装置在投运前及运行中都需要进行严格的绝缘耐压试验。以往工频交流试验装置主要是高压试验变压器和电力变压器,体积和电源容量大,试验装置笨重,不能自动调频、调压,难以适应当今大电网、高电压、高自动化的发展趋势[1]。智能型高压变频串联谐振试验电源装置嵌入新型智能调频、调压算法,利用大功率开关器件绝缘栅双极晶体管(IGBT)代替以往的模拟器件逆变产生特高压试验所需的交流电压,同时利用LC串联谐振原理使输出电压等级可达高压、超高压级别。该装置使工频交流试验现场调试更加方便稳定,并且有效地保护了实验装置以及测试品。
1 耐压试验装置结构和原理
智能型高压变频串联谐振试验装置是一种用小容量低电压的电源获得高电压大容量的输出成套试验装置,该装置主要由变频电源主控器、励磁变压器、电抗器和电容分压器组成[2]。
试验装置整体结构如图1所示,变频电源主控器输出幅值为0~400 V、频率为30~300 Hz的连续可调交流电压信号[3]。该信号经过励磁变压器升压后传输给由电抗器和测试品电容串联组成的LC谐振回路。因为高压试验需要的电压等级较高,为了安全及操作方便,采用先调频后调压的策略,即先用智能矫正器(实现装置频率f的闭环控制和频率步长大小调节)智能寻找进入谐振状态的频率fn,使回路达
到谐振状态,然后再调节谐振回路电容电压的有效值使之达到期望电压值,从而获得高电压大容量。图1中L1和L2是高压电抗器[4],两者等效为谐振电抗L。Ch、Cl和Ct分别是电容分压器高压臂电容、低压臂电容和测试品等效电容,三者等效为谐振电容Ce。
谐振时,高压电抗器感抗等于谐振电容容抗,即XC=XL,测试品两端电压值达到UCt。
其中,U为励磁变压器二次侧输出电压;Q为谐振电路的品质因数。
2 智能型高压变频串联谐振试验电源主控器硬件设计
智能型高压变频串联谐振试验电源主控器的结构图如图2所示,其主要包括DSP运算控制电路(智能调频、调幅控制模块)、三相全桥不可控整流电路、Buck变换电路、逆变电路、数据显示及人机交互电路、保护电路以及通信电路[2]。
本装置运用了TI公司的TMS320F28335处理芯片作为核心控制CPU,利用DSP高速运算的特性,集成DSP常用的外围电路,满足了智能型高压变频串联谐振试验装置高稳定性、高精确度的要求。DSP产生频率可调的SPWM波和占空比可调的PWM波后,经I/O口分别输送给逆变电路和功率调节电路[5]。外部存储器模块由DSP控制,主要用于存储试验的重要设置以及试验数据,使装置重启动之后无需重新设置;输入模块直接与DSP相连,用户可以通过直接对DSP输入命令来调节正弦波的频率;显示模块主要显示试验电压、频率等数据,并通过人机界面进行实验数据的相关设置[6]。
2.1 功率调节电路
功率调节(Buck变换器)模块的基本思路就是通过控制开关器件的开断,来调节流过开关器件的直流电压,从而达到功率调节的目的。智能型高压变频串联谐振试验电源装置的电源主回路主要有整流电路、直流传输电路、逆变电路以及负载电路。
智能型高压变频串联谐振试验电源采用三相不可控的整流电路;逆变电路模块输出频率可调的正弦波;直流传输电路采用直流斩波(Buck电路)方式进行功率调节,通过改变PWM波占空比的大小来调节直流输出电压。功率调节模块示意图如图3所示。
三相不可控整流模块得到的直流电压输入功率调节模块,由DSP生成的占空比可调的PWM波经IGBT驱动模块来控制斩波电路中IGBT的关断,这样就可以调节输送给逆变电路的电压幅值。
2.2 逆变电路
逆变电路是整个装置的核心部分,其稳定情况关系着整个装置的安全运行和试验数据的精度。从购买方便、技术成熟、设计简化、性能稳定等因素考虑,本文采用大功率IGBT作为开关器件。IGBT的驱动方法主要有以下3种[7]。
a.脉冲变压器驱动电路:一个小脉冲经过变压器后,经过一个过保护电阻开通IGBT的栅极。
b.光耦隔离驱动电路:将PWM波经过小延时的高速光耦后放大,从而驱动IGBT的栅极。
c.集成驱动模块:由成品的驱动模块驱动IGBT,可以提高装置的可靠性,该类芯片主要有富士的EXB840、三菱的M57962L等。
智能型高压变频串联谐振试验电源运用集成驱动模块进行驱动,集成模块采用美国国际整流器公司的IR2110高压集成电路元件,外围电路简单,性能良好。逆变电路[8,9]如图4所示,图中U为Buck电路输出的电压,VD1和C2分别是自举二极管和自举电容,它们的选择都有严格的限制。交替开通和关断VT1、VT2、VT3、VT4就可以在逆变器的输出端获得交变的电压。IGBT的开断由DSP产生的SPWM波来控制,电压幅值取决于逆变器的输入端电压值,频率取决于SPWM波的频率[10]。
2.3 保护电路
在串联谐振电路中,比较难处理的故障是上下桥臂直通,其由负载短路或者开关器件因触发脉冲而误动作等诸多因素引起。上下桥臂直通短路后,回路的电流在短时间内会上升到很大的幅值,很快烧毁开关器件,因此必须附加各种保护电路。保护电路分为过压保护电路、过流保护电路、欠压保护电路和欠流保护电路等。
智能型高压变频串联谐振试验电源的过压保护措施有2种[6]:一种是外加吸收电路,另一种是针对逆变器输入端电压设计保护电路。当逆变器的输入端电压超过设定值时启动保护电路。本电源装置采用第2种过压保护方法,具体原理如图5所示。在逆变器输入端的滤波电容C两端,用电阻分压获得电压信号U2,与LM319负向输入端的基准电压信号Ub2相比较。当U2大于Ub2(即过电压)时,LM319输
出高电平,使光耦的一次侧导通,二次侧输出低电平,经CD40106B反相后变成高电平的过电压信号U0。
3 智能型高压变频串联谐振试验电源主控器软件设计
3.1 软件流程
智能型高压变频串联谐振试验电源的核心算法是SPWM波形生成算法和智能调频调压算法,装置的软件流程和保护中断流程如图6、7所示。结合图1可知,装置对逆变输出侧电压U0以及电容分压器电压UC采样,通过FFT运算得到U0和UC相位。当相位相差90°时,SPWM的频率等于谐振频率,此时外部电抗器与电容器产生谐振,电容分压UCh达到最大值,由于Cl较小,UCh≈UCt为励磁变压器输出电压的Q倍。
3.2 SPWM波形生成算法
本装置采用的是对称规则采样法生成SPWM波[11],即通过设置DSP的T1PR(以定时器1为例)生成三角波与正弦调制波Ursinωt相交,由交点处决定SPWM波的脉宽[12]。对称规则采样法原理见图8。
假设三角载波的幅值Uc为单位量1,则正弦调制波的幅值Ur就是调制度m。图8中的三角波和正弦波均是经过向上平移单位量1得到的,与过横坐标轴得到的结果一致。利用底点采样,根据相似三角形原理,可得关系式如式(3)所示。
其中,m为调制度,0≤m≤1;ω为正弦信号波角频率;δ为开通时刻脉冲宽度;Tc为三角波载波周期。因此可得开通时刻的脉冲宽度:
ωt=2π(k+3/4)/N k=0,1,2,…,N-1(5)其中,N为载波比,2π/N为三角波周期Tc所对应的弧度,k为一个周期内采样计数值。
由以上分析得DSP的比较单元1的比较寄存器CMPR1的值为:
其中,Tt为EVA通用定时器1的时钟周期。
3.3 智能调频算法
相对于通过FFT计算相位差来实现调频的方法,智能调频主要通过智能矫正器的控制开关来实现[6]。智能矫正器的原理如图9所示。结合图1,通过实时监测UCh,并通过锁相环节计算出实时频率,把实时频率与频率设定值f0相比较得出其差值ef 0。设定阈值P,当差值|ef0|>P时,进入频率粗调环节,调节步长为1 Hz;当|ef0|≤P时,进入下一个微调环节。若分压UCh达到最大值,说明电路已经进入谐振,若没有达到最大值,则进入步长为0.1 Hz的微调环节。
3.4 智能调压算法
传统PI控制器简单易于实现,在控制领域得到了广泛的应用,但已不适用于智能型高压变频串联谐振试验电源装置,例如快速性和稳定性之间的矛盾尤为突出。因此本文提出模糊控制算法和最优非线性PI控制相结合的方法来增强装置的控制性能[6]。模糊最优非线性PI控制环节,实现模糊控制和最优控制等算法,提出的模糊最优调幅控制策略,在大偏差范围内采用模糊控制,以获得更好的瞬态性能;在小偏差范围内采用最优非线性PI控制。这样使本装置的调压算法兼顾快速性和稳定性。
4 实验数据分析
高压容性设备现场耐压试验应该优先选用工频试验[13],而智能型高压变频串联谐振试验电源装置的频率调节范围是30~300 Hz。所以为了将试验频率尽可能限制在50 Hz左右且满足容值不同的容性设备,电抗器采用多台并联和串联的灵活连接方式。装置运行稳定,易于调节。具体组合方式见表1。
表中以额定电压10 kV、横截面积300 mm2的XLPE电缆试验为例。由于电缆长度与容值成正比关系,所以根据不同的电缆长度选择不同组合方式的电抗器,这样保证了在试验频率尽可能接近工频的情况下,试验电流可以有明显的变化。
110 kV开关实验设备试验参数配置为:8台电抗器串联,从而使开关实验设备在工频附近谐振;感抗、额定电流和额定电压分别为1 040 H、1 A、216 k V,测试品电容为0.01μF,试验频率为49 Hz,试验电流为0.6 A。220 k V电力变压器中性点耐压试验参数配置为:7台电抗器串联,感抗、额定电流、额定电压分别为910 H、1 A、189 k V,变压器电容量为0.03μF,试验频率为30 Hz,试验电流为0.9 A。
5 结语