亢銀柱++王天正++俞華++李艷鵬

摘 要：隨著我國(guó)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(cè)的重要性也日益凸顯出來(lái)。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(guó)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(lái)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(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)并能夠進(jìn)行微機(jī)測(cè)量與控制。回路中主要采用可變頻標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)，通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)整流硅堆，經(jīng)過(guò)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(lái)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(guò)壓等問(wèn)題，該文提出來(lái)利用快速晶閘管的快速關(guān)斷特性來(lái)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(wú)論短路還是導(dǎo)通均可承受來(lái)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(guò)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(lái)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(chǎng)測(cè)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(chǎng)測(cè)量局部放電工作帶來(lái)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(guò)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(wèn)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(lái)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(chǎng)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(lái)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(wèn)題，利用快速晶閘管來(lái)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(lái)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(cè)量帶來(lái)的干擾問(wèn)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?yè)p耗很大，因此會(huì)產(chǎn)生較高的熱量，所以器件的散熱問(wèn)題需要考慮的問(wèn)題之一。

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