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        大電流直流發(fā)生器控制電路參數(shù)設(shè)計(jì)

        2018-08-03 09:11:22盧正通樂(lè)彥杰彭維龍
        關(guān)鍵詞:紋波三相頻譜

        盧正通 樂(lè)彥杰 彭維龍 孫 璐 高 震

        (國(guó)網(wǎng)舟山供電公司)

        0 引言

        隨著海洋輸電技術(shù)的不斷發(fā)展,海底直流電纜及其試驗(yàn)裝備也在不斷升級(jí)。為了能夠檢測(cè)大容量、遠(yuǎn)距離海底直流電纜的電氣性能,研制高可靠性、高精度的電纜試驗(yàn)裝備勢(shì)在必行。大電流直流發(fā)生器是直流電纜試驗(yàn)的核心部件,其性能直接影響著試驗(yàn)系統(tǒng)的供電質(zhì)量和電纜性能[1]。本文通過(guò)對(duì)大電流發(fā)生器的電路參數(shù)設(shè)計(jì),對(duì)控制電路進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證,驗(yàn)證該控制電路參數(shù)的合理性。

        1 直流發(fā)生器數(shù)學(xué)模型

        由于直流發(fā)生器核心是整流技術(shù),下面以三相橋式整流電路進(jìn)行工作特性分析。

        如圖1所示,大電流直流發(fā)生器采用整流技術(shù),交流測(cè)由三相電源供電。一般要求負(fù)載容量較大或要求直流電壓脈動(dòng)較小、容易濾波[2]。在交流電源一定的情況下,電路的性能由導(dǎo)通角α 和負(fù)載決定。

        圖1 整流電路原理圖

        (1)帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況

        當(dāng)α ≤60°時(shí),ud波形均連續(xù),對(duì)于電阻負(fù)載,id波形與ud波形形狀一樣且連續(xù)。

        當(dāng)α >60°時(shí),ud波形每 60°中有一段為零,ud波形不能出現(xiàn)負(fù)值,帶電阻負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流電路α 角的移相范圍是120°。

        (2)阻感負(fù)載時(shí)的工作情況

        α ≤60°時(shí),ud波形連續(xù),工作情況與帶電阻負(fù)載時(shí)十分相似。當(dāng)電感足夠大的時(shí)候,id的波形可近似為一條水平線[3]。

        α >60°時(shí),阻感負(fù)載時(shí)的工作情況與電阻負(fù)載時(shí)不同。電阻負(fù)載時(shí),ud波形不會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。阻感負(fù)載時(shí),ud波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。帶阻感負(fù)載時(shí),三相橋式全控整流電路的α 角移相范圍為90°。

        (3)定量分析

        當(dāng)整流輸出電壓連續(xù)時(shí)(即帶阻感負(fù)載時(shí),或帶電阻負(fù)載α ≤60°時(shí))的平均值為:

        帶電阻負(fù)載且α >60°時(shí),整流電壓平均值為:

        輸出電流平均值為:

        大電流直流發(fā)生器采用三相橋式整流LC濾波電路,其工作原理是:三相380V交流電經(jīng)過(guò)空開(kāi)、接觸器到晶閘管,經(jīng)過(guò)晶閘管調(diào)壓至173V后輸入至三相橋式整流電路,整流輸出得到脈動(dòng)的直流電,再由電感電容組成的LC濾波電路濾波后在電源的輸出端得到比較穩(wěn)定的較小紋波的直流電源。

        2 直流發(fā)生器電路參數(shù)設(shè)計(jì)與仿真

        由于實(shí)際直流輸電工程中,電纜輸送距離遠(yuǎn)、容量大,為了滿足高壓直流電纜試驗(yàn)的需求,這里要求系統(tǒng)最大輸出電壓、電流和功率為 10V、5000A和50kW,這里電纜試品在整流回路中的 R、L值分別為 0.72mΩ、0.072mH,大電流直流發(fā)生器仿真模型如圖2所示。

        圖2 大電流直流發(fā)生器仿真模型

        其中仿真系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)下表。

        表 仿真參數(shù)表

        圖3 輸出電壓波形及其頻譜圖

        三相橋式全控整流電路通過(guò)調(diào)節(jié)控制角α 控制電源的輸出電壓,針對(duì)電阻值為0.72mΩ、電感值為0.072mH的 RL串聯(lián)負(fù)載,當(dāng)負(fù)載電流剛好達(dá)到5000A滿足要求時(shí),α 取值為64.9°。此時(shí)直流發(fā)生器的輸出電壓、電流波形和頻譜分析如圖3a、b和圖4a、b所示,頻譜分析數(shù)據(jù)取至相應(yīng)的截取圖 4a虛線處,得到其0~100Hz的頻譜圖。

        由圖3a可知,輸出電壓在起始階段有劇烈振蕩,經(jīng)過(guò)10s后逐步趨于穩(wěn)定,在3.6V附近作小幅低頻振蕩,穩(wěn)定后出現(xiàn)的最大電壓值和最小電壓值分別為3.608V和3.594V,由此可得出其紋波系數(shù)為0.389%;由圖 3b可知,信號(hào)主要集中于低頻段[7],工頻分量已衰減至可忽略不計(jì),畸變率僅為0.15%,從頻域的角度證明輸出直流電壓的穩(wěn)定性。

        同樣地,由圖4可知,輸出電流在4994~5008A之間小幅低頻振蕩,紋波系數(shù)約為0.28%,畸變率為0.1%,均略低于輸出電壓,輸出直流滿足載流量試驗(yàn)要求,可忽略交流分量對(duì)直流載流量試驗(yàn)結(jié)果的影響。

        相關(guān)文獻(xiàn)表明[4],隨著負(fù)載特性中電感成分的增加,輸出電壓和輸出電流的波形會(huì)逐步趨于平滑?,F(xiàn)考慮較為極端的情況,忽略電纜中的電感,將其視作純電阻負(fù)載,研究電阻值分別為 0.06mΩ和 0.72mΩ(對(duì)應(yīng)電纜長(zhǎng)度分為10m和120m)時(shí)的輸出電流頻譜,此時(shí)控制角α 分別取值77.74°和64.9°,仿真結(jié)果如圖5所示。

        由圖5可知,隨著阻值的減小,畸變率有所增加,但均處于較小范圍內(nèi)且工頻分量均可忽略不計(jì),負(fù)載阻值為 0.06mΩ時(shí),紋波系數(shù)為 1%。綜合以上分析可知,所設(shè)計(jì)的大電流發(fā)生器能夠滿足阻值為0.06~0.72mΩ(長(zhǎng)度10~120m)電纜的載流量試驗(yàn)要求,且留有較大的裕度。

        圖4 輸出電流波形及其頻譜圖

        圖5 純電阻負(fù)載時(shí)的輸出電流頻譜

        3 結(jié)束語(yǔ)

        通過(guò)對(duì)直流發(fā)生器控制電路參數(shù)設(shè)計(jì),分析其輸出電壓、電流、紋波系數(shù)和畸變率,實(shí)現(xiàn)輸出電壓0~10V可調(diào),輸出電流0~5000A可調(diào),紋波系數(shù)可控制在1%之內(nèi),仿真結(jié)果表明滿足試驗(yàn)要求,為大電流直流發(fā)生器的研制提供理論依據(jù)。

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