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        諧波試驗用寬頻大電流發(fā)生裝置研究

        2018-07-18 01:52:48許靈潔李航康呂幾凡
        電氣技術(shù) 2018年7期
        關(guān)鍵詞:頻響諧波線性

        許靈潔 陳 驍 郭 鵬 李航康 呂幾凡

        (國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院,杭州 310014)

        隨著電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,各種新能源層出不窮,隨之而來的各種電力電子設(shè)備,比如大功率變頻器、逆變裝置,大功率DC-DC變換裝置等都會給電網(wǎng)帶來豐富的諧波,過高的諧波污染了正常的電網(wǎng),給電能質(zhì)量帶來很大的負(fù)面影響。通常諧波電能研究都局限于二次電能,而直接研究一次的諧波成分除了高性能的寬頻傳感器外,還務(wù)必配備能輸出理想諧波成分的一次諧波電流,國內(nèi)通常的做法是用任意波發(fā)生器作為諧波信號源,配備線性功率放大器,推動寬頻升流變壓器輸出所需的諧波大電流,這種方法缺點是,升流變壓器不能輸出直流電流,而且本身對高次諧波有衰減,需要對諧波信號源的輸出進行反饋調(diào)節(jié)[1-3]。國外Fluke公司的跨導(dǎo)放大器產(chǎn)品52120A具備輸出120A的能力,但是價格昂貴,不便推廣。本文介紹的這種電流源采用線性放大器疊加的方法,達到了 500A的輸出能力,并且從直流到50次諧波,均有良好的輸出特性。

        1 諧波源裝置總體結(jié)構(gòu)及工作原理

        簡單的諧波大電流發(fā)生器可以由多個功率放大器組合而成,如圖1所示,Vi為輸入的諧波參考信號電壓,由于輸入為各種頻率的諧波信號,可以是單頻率的電壓也可以是復(fù)合的諧波信號,而功率放大器為了保持各次諧波的頻響特性和幅值特性一致,基本上不能通過電容進行濾波,導(dǎo)致組合電路極易發(fā)生震蕩現(xiàn)象,而且難以消除。造成震蕩的原因主要是由于各放大器的頻響差異,要解決這個問題,最好的方法是各放大器電源分離,獨立后的各放大器輸出可以任意組合,也無需限流電阻保護了。

        圖1 簡單組合型諧波電流發(fā)生器

        本裝置從本質(zhì)上講是一種跨導(dǎo)放大器,而且是多組跨導(dǎo)放大器的組合,所以從結(jié)構(gòu)上看,可以分為嵌入式軟硬件系統(tǒng)、諧波信號源(又稱程控數(shù)字信號源)、大功率跨導(dǎo)放大器、測試回路等部分,如圖2所示。

        2 裝置的關(guān)鍵技術(shù)研究

        2.1 信號的隔離放大

        本裝置采用了多個獨立跨導(dǎo)放大器組合的形式,所以不能共用一個諧波信號源,需要將諧波源經(jīng)過隔離后推動各個跨導(dǎo)放大器,而這種隔離放大器不但需要完全的電氣隔離,而且要有很好的頻響和性能一致性,在模擬技術(shù)中,隔離放大器通常分為磁調(diào)制隔離放大器和近年來發(fā)展迅速的線性光隔離放大器。本文中裝置采用的是線性光耦HCNR201[4-7],實現(xiàn)諧波模擬電壓信號與放大器之間的線性隔離。線性光耦隔離與普通光耦隔離相比,改變了普通光耦的單發(fā)單收模式,增加一個用于反饋的光電二極管并且增大了線性區(qū)域,如圖3所示。兩個光電二極管都是同樣特性的非線性,可通過反饋通路的非線性來抵消直通通路的非線性,從而實現(xiàn)信號的線性傳遞。

        圖2 新型的采用隨動電源技術(shù)的諧波源

        圖3 線性光耦內(nèi)部結(jié)構(gòu)

        HCNR201是一種高精度線性光耦器件,直流非線性典型值為 0.01%,最大 0.05%,同時擁有高達1MHz的帶寬和-65×10-6的增益溫度系數(shù),所以非常適合進行高水平的信號隔離。

        通過外接不同的分立器件,可以實現(xiàn)交直流電流和電壓的光電隔離轉(zhuǎn)換電路,應(yīng)用電路如圖4所示。HCNR201由高性能的 AlGaAs型發(fā)光二極管D1及兩個具有嚴(yán)格比例關(guān)系的光電二極管 PD1和PD2構(gòu)成。當(dāng)發(fā)光二極管中流過電流 If時,其所發(fā)出的光會在光電二極管中 PD1、PD2感應(yīng)出正比于LED 發(fā)光強度的光電流 IPD1、IPD2,其中 If、IPD1、IPD2滿足以下關(guān)系:

        伺服電流增益:k1=IPD1/If

        正向增益:k2=IPD2/If

        式中,k1、k2分別為發(fā)光二極管PD1、PD2的電流傳輸比,k3為該光耦的傳輸增益,k3=IPD2/IPD1=k2/k1,其典型值為1。

        圖 4為帶有交越失真補償?shù)木芙涣鞲綦x電路,運放A1、A2分別負(fù)責(zé)正負(fù)半周的轉(zhuǎn)換,兩個運放拼用一組工作電源,運放 A3負(fù)責(zé)二次的合成輸出,該運放獨立供電,C1、C2、C3為濾波電容,考慮到線路要求的頻響,3個電容的容量值都是幾十個pF的水平。

        圖4 交流信號光隔離

        假設(shè)正半周時,流過 D7的電流為 If,流過 R1的電流為I1,流過R5的電流為I3,有

        同理,負(fù)半周時有

        本裝置中選擇 R1=R2=100kΩ,R5=20kΩ,那么當(dāng)額定輸入電壓為 5V時,隔離放大器額定輸出為1V,至此,線路已完成交流信號的隔離兼衰減任務(wù)。

        2.2 電源隨動的線性放大器

        1)OPA512簡介

        OPA512是由Burr-Brown公司生產(chǎn)的一款輸出功率大、低失真和耐持久的功率放大器,用于驅(qū)動各種電阻和無功負(fù)載,其互補的A/B級輸出級為交越失真應(yīng)用提供了卓越的性能。發(fā)生故障時電流限制電路通過限流電阻為放大器和負(fù)載提供保護。OPA512的偏置輸出晶體管采用激光修整單片集成電路來設(shè)計,提供優(yōu)異的低電平信號保真度和高輸出電壓擺幅,提高了性能和可靠性。該混合集成電路采用密封TO-3封裝,所有電路與外殼電氣隔離,這樣可以直接安裝在底盤或散熱器上,而無需繁瑣的絕緣硬件,并提供最佳的熱傳遞。

        圖5所示為OPA512的安全工作區(qū)特性曲線,當(dāng) OPA512工作在安全線性區(qū)時,輸出電流隨著輸入電壓呈線性關(guān)系;當(dāng) OPA512工作在截至區(qū)時,輸出電流是固定不變的。可以從圖中看到,如果要輸出10A的交流電流,在結(jié)溫85℃時,管子兩端的電壓就只能允許 5~6V,為了適應(yīng)不同的負(fù)載,本裝置將供電的直流電壓設(shè)計成與負(fù)載電壓隨動的特性,這是本文要說明的一大特點。

        圖5 OPA512安全工作區(qū)特性曲線

        2)隨動電源工作原理

        OPA512的隨動電源控制電路主要由峰值電路單元、加法器單元、控制電壓為0~5V的12V可調(diào)開關(guān)電源單元以及供電單元六部分組成,如圖6所示。每個 OPA512配備一組正負(fù)電壓的隨動電源,信號通過隔離單元的將輸入信號與輸出電流之間電源和地隔離開來,從而使每個 OPA512輸出電流都相互獨立,峰值電路單元的作用是求交流信號的輸出電壓峰值;通過加法器單元將 OPA512輸出信號的峰值和基準(zhǔn)值(當(dāng)OPA512輸出為0時,給其供電的起始電壓控制信號)相加產(chǎn)生獨立的0~5V控制信號,該控制信號控制可調(diào)開關(guān)電源確保OPA512在大電流輸出情況下,對輸出負(fù)載有非常好的自適應(yīng)能力。電流源系統(tǒng)為了滿足疊加的要求,每個模塊的隔離前后所用運放的電源均采用了互相隔離的傳統(tǒng)直流供電單元。

        圖6 隨動電源控制信號發(fā)生電路

        假如輸出電流為IL,負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓降為U1,進入隨動控制電路后,第一級反相放大器輸出為,進入峰值保持電路后有,接近直流波形,最后反相加法器輸出為

        當(dāng)輸出電流很小或負(fù)載很小時,輸出電壓 U1接近為零,這時U4≈VR5/R4,隨著電流增大或者負(fù)載增大,輸出電壓U4也同步增大,將放大器工作電壓與輸出電壓差基本保持在 5~6V,使得放大器處于最佳工作狀態(tài)。

        圖7所示為工作電源與輸出電壓隨動的情況,一種情況為簡單的隨動模式,工作電壓隨著輸出電壓變化,開關(guān)電源的控制信號屬于直流信號;另一種情況為理想隨動模式,此時將開關(guān)電源的正電源在信號負(fù)半周時處于最小的允許電壓,負(fù)電源在信號的正半周也處于最小的允許值上面,其余時間隨著波形提升各自的正負(fù)電壓,這種模式最大程度地降低了功率放大器的內(nèi)部損耗,使得器件效率達到最佳。

        圖7 隨動電源與信號波形圖

        2.3 恒流源

        恒流源的原理如圖8所示,首先輸入信號經(jīng)過隔離電源進入OPA512同向輸入端,采樣電阻Rs一端接地,另一端接 OPA512的反向輸入端構(gòu)成交流反饋回路,取輸出電流時,一端接 OPA512輸出另一端接反向輸入端,此時有

        圖8 恒流源原理圖

        根據(jù)運算放大器虛短原理:U-=U+,因此有

        而當(dāng)電流 I增加時,反向輸入端電壓也需要響應(yīng)的增加,輸出電壓也會隨之增大,根據(jù) OPA512的工作特性,為了讓其工作在安全線性區(qū),工作電壓與輸出電壓之差應(yīng)保持在恒定的區(qū)域,這樣OPA512才能輸出穩(wěn)定的電流,因此,工作電壓 Us也應(yīng)相應(yīng)的增加。

        為了讓 OPA512工作在安全線性區(qū),隨動電源的控制電壓模塊輸出合適的控制電壓,運放輸出電壓增加時工作電壓也會響應(yīng)的增加,保障差別在5~6V之間,從而保證了OPA512工作在安全線性區(qū)。

        本裝置每個模塊的恒流源采樣電阻為0.1Ω,隔離放大器輸出到恒流源電壓1V時輸出10A電流,與輸出回路的電阻值無關(guān)。

        2.4 基于FPGA的諧波信號發(fā)生器

        諧波信號發(fā)生器本質(zhì)上講就是一個任意波發(fā)生器,將需要輸出的波形用數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確表達成時間量的函數(shù),按時間輸出各點的瞬時值,形成一個ROM 表,通過串口的方式將產(chǎn)生的 ROM 表傳到FPGA內(nèi)部生成的串口控制器,并將數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)部ROM中。正常工作時,F(xiàn)PGA內(nèi)部生成的DA控制器,采用 SPI總線的方式將 ROM表中數(shù)據(jù)依次送往DA芯片,根據(jù) ROM表中的數(shù)據(jù)并參照穩(wěn)定的直流基準(zhǔn),輸出符合預(yù)先設(shè)定的波形,原理結(jié)構(gòu)如圖9所示。

        圖9 諧波發(fā)生器工作原理圖

        比如,要輸出一個基波與三、五次諧波,可以用函數(shù) y=A1sin(ωt+θ1)+A2sin(3ωt+θ2)+A3sin(5ωt+θ3)進行描述,并按照等分的時間間隔算出各個瞬時值。

        3 頻率響應(yīng)能力的試驗與數(shù)據(jù)

        1)測試數(shù)據(jù)分析

        作為諧波測試用的寬頻恒流電流源,最主要的實驗數(shù)據(jù)為恒流源的頻響特性曲線和穩(wěn)定性指標(biāo)。

        選擇最基本的10A電流模塊做頻響試驗,輸入電壓從直流到 10kHz,分析輸入輸出傳輸比對頻率的變化規(guī)律。

        表1 基本電流模塊頻率響應(yīng)測試傳輸比數(shù)據(jù)

        頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)分析:

        (1)50Hz與直流傳輸比相比的頻響特性

        20log(1.9458/1.9372)=0.03467dB

        (2)2kHz與直流傳輸比相比的頻響特性

        20log(1.9487/1.9372)=0.05141dB

        (3)3kHz與直流傳輸比相比的頻響特性

        20log(1.9532/1.9372)=0.07144dB

        (4)5kHz與直流傳輸比相比的頻響特性

        20log(1.9772/1.9372)=0.17752dB

        可以看到,3kHz信號與直流相比傳輸比變化不到0.1dB,完全可以滿足60次以內(nèi)諧波的分析需求。

        2)測試波形研究

        圖10至圖15中實線波形為信號電壓波形,虛線波形為恒流源輸出電流的波形。

        通過對單次諧波波形的測量,除了觀察波形質(zhì)量,也可用高精度萬用表復(fù)核電流源的頻響特性。

        通過觀察全頻譜的方波波形,可以看到電流源由良好的動態(tài)特性,在方波上升沿和下降沿沒有看到明顯的過沖或變形過程,說明電流源對高次諧波有較好的頻響特性。

        圖10 50Hz基波信號的輸入輸出波形

        圖11 2kHz單次頻率波的輸入輸出波形

        圖12 全頻譜的方波輸入輸出波形

        圖13 三、五、七次全奇次復(fù)合諧波的輸入輸出波形

        圖14 二、四、六、八次全偶數(shù)次諧波的輸入輸出波形

        圖15 從二到九次全諧波輸入輸出波形

        圖16為諸暨東牽引站(電氣化鐵路)采集的某個互感器二次實際電流波形和成分,可以看見其成分接近2~9次全諧波的波形,如果用本裝置發(fā)生的諧波電流去研究牽引站的電流互感器諧波誤差將是非常有效的。

        圖16 高鐵牽引站實際錄波波形

        表2 錄波儀的諧波成分讀數(shù)

        4 結(jié)論

        諧波大電流發(fā)生裝置在高鐵牽引站等電流互感器諧波誤差特性研究[8],寬頻電流特性研究以及電能質(zhì)量研究方面有著廣泛的用途[9-12],很寬的頻響特性也可以被應(yīng)用在當(dāng)前的直流電能研究上,能夠在直流電流波形上疊加非常精準(zhǔn)的紋波波形,裝置中采用的隨動電源新技術(shù)也可以被推廣到其他大功率線性放大器上,那必將更有效地發(fā)揮放大器的功率,降低放大器的內(nèi)部損耗,提高整個線路的工作效率。

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