CN101127491B - 基于大功率igbt的特高压调频谐振试验电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于大功率IGBT的特高压调频谐振试验电源，包括整流电路、控制器、大功率IGBT逆变器、LC滤波电路、特高压发生电路、检测电路，所述整流电路的输入端接三相交流输入，其输出端向大功率IGBT逆变器供电，控制器产生大功率IGBT逆变器的PWM控制信号，大功率IGBT逆变器输出信号通过LC滤波器产生光滑的正弦信号，再送到特高压产生电路的输入端，由特高压产生电路产生高电压，检测电路检测特高压产生电路的输出，并将检测信号经光纤高速传输到控制器。本发明结构简单、重量轻、成本低、可靠性高，可分级输出超高电压。

Description

基于大功率IGBT的特高压调频谐振试验电源

技术领域

本发明涉及一种电力系统特高压试验源，特别涉及一种基于大功率IGBT的特高压调频谐振试验电源。

背景技术

随着电网向高压方向的发展，以SF6为介质的高压输变电设备，如：断路器、GBS、GIS、SF6互感器得到广泛应用。在工程交接验收时要对这些高压电气设备进行交流耐压实验。其次IEC新标准要求：110KV以上电压等级的变压器，新安装投入运行时要做局部放电实验。交联电缆在城网工程中应用广泛，考虑到累积效应以及故障发现的灵敏性，要求进行交流耐压试验。这些试验都需要输出高压电、带负载能力强、适合电力现场作业的交流电源装置。

目前是把变压器的局部放电试验电源设备与用作交流耐压试验电源设备分开，变压器局放试验是利用中频发电机组给高压试验变压器励磁。谐振耐压装置主要用于高压设备的交流耐压试验，其原理大多是利用调节谐振电抗器内部的铁芯间隙距离，改变电感参数与被试频的电容实现串联谐振，产生高压输出。装置体重庞大，维护困难，只适合试验大厅使用。中国专利ZL03227875.6公开了一种高电压试验用大功率变频电源装置，该专利中用桥式放大电路来增大装置的容量，但是该装置所用的功放管很多，可靠性较差，并且损耗很大，维护困难。

发明内容

为了解决现有高压试验电源耗能大、可靠性差、成本高的技术问题，本发明提供一种重量轻、成本低、可靠性高的基于大功率IGBT的特高压调频谐振试验电源。

本发明的实现技术方案是：包括整流电路、控制器、大功率IGBT逆变器、LC滤波电路、特高压发生电路、检测电路，所述整流电路的输入端接三相交流输入，其输出端向大功率IGBT逆变器供电，控制器产生大功率IGBT逆变器的PWM控制信号，大功率IGBT逆变器输出信号通过LC滤波电路产生光滑的正弦信号，再送到特高压发生电路的输入端，由特高压发生电路产生高电压，检测电路检测特高压发生电路的输出，并将检测信号经光纤高速传输到控制器，特高压发生电路由励磁变压器、电阻R、电抗器L、电容C1、电容C2组成，励磁变压器的输入端接LC滤波电路，电阻R、电抗器L、电容C1、电容C2依次串接后并接于励磁变压器的输出端。

上述的基于大功率IGBT的特高压调频谐振试验电源中，所述大功率IGBT逆变器中的每个大功率IGBT都带有缓冲电路，缓冲电路由等效电感LS、缓冲电容CS、缓冲二极管DS和缓冲电阻RS组成，逆变器每个桥壁上部的大功率IGBT的集电极和发射极之间连接由电感LS、缓冲电容CS和缓冲二极管DS依次串接组成的支路，且该大功率IGBT的缓冲电路的缓冲电阻RS的一端连接在缓冲电容CS和缓冲二极管DS阳极的连接点，另一端连接在该大功率IGBT对管的发射极；逆变器每个桥壁下部的大功率IGBT的集电极和发射极之间连接由电感LS、缓冲二极管DS和缓冲电容CS依次串接组成的支路，且该大功率IGBT逆变器的缓冲电路的缓冲电阻RS的一端连接在缓冲二极管DS阴极和缓冲电容CS的连接点，另一端连接在该大功率IGBT对管的集电极。

本发明的技术效果在于：1)本发明中采用大功率IGBT的逆变电路，每个IGBT最高承受电压为1700V、最大电流为2400A，大大简化了电路的结构，降低了系统的成本，减少了器件的损耗，提高了系统的稳定性；2)采用DSP数字控制技术，系统可靠性高，基本不需要维护，可以节省大量维护费用；3)采用多级∏型滤波器，滤波效果好，减少高频谐波对升压电路的影响，提高了电源的可靠性；4)采样信号及控制信号采用光纤电路进行传输，大大减少了传输过程中的干扰，提高了控制精度。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明的基本结构框图。

图2是本发明实施例的结构框图。

图3是本发明的大功率IGBT逆变器和LC滤波电路结构图。

具体实施方式

参见图1，本发明包括控制器、大功率IGBT逆变器、LC滤波电路、特高压发生电路、检测电路、光纤、整流电路。三相交流电A、B、C输入三相桥式整流电路，其输出给电容充电作为IGBT逆变电路直流侧电压源；IGBT的控制信号是控制器发出的PWM波，PWM信号的传输由光纤完成；大功率IGBT逆变器输出频率、幅值可变的放大信号通过LC滤波电路产生光滑的正弦波；然后由特高压电路产生等级可选的高压；并由检测电路把高压信号转换成低压小信号，由无失真光纤反馈到控制器。

参见图2，图2为本发明的具体实施结构图。整流电路将输入的交流电整流变为直流电对大功率IGBT逆变器的直流侧电容进行充电，DSP处理器产生大功率IGBT逆变器的PWM控制信号，并由光纤送到大功率IGBT逆变器，大功率IGBT逆变器输出信号通过多级∏型滤波器产生光滑的正弦信号，再送到特高压发生电路的输入端，由特高压发生电路产生高电压，特高压发生电路由励磁变压器T、电阻R、电抗器L、电容C1、电容C2组成，励磁变压器T的输入端接LC滤波电路，电阻R、电抗器L、电容C1、电容C2依次串接后并接于励磁变压器的输出端。检测电路检测特高压发生电路的输出由变送器送到采样电路进行采样，用光纤高速传输到DSP处理器，DSP处理器将采样的电压、电流信号与设定值进行比较，通过专家智能收索算法调频、调幅，发出IGBT的控制信号，经驱动放大后送到大功率IGBT逆变器。设定值由键盘输入，并在担任人机界面的显示器上显示出来。中间励磁变压器低压侧、高压侧线圈都是多抽头、可串并的，利于不同等级电压的升压。

如图3所示，IGBT逆变电路输出为大功率信号(可达400KW)，由LC滤波电路滤除400HZ以上的背景谐波得到光滑、纯净的正弦波。本发明含有大功率IGBT逆变器，为了防止功率器件关断时间峰电压对其的损坏、延长其寿命，采用模糊优化技术设计了C型缓冲电路。图中LS为缓冲电路的等效电感，CS为缓冲电容，DS为缓冲二极管，RS为缓冲电阻。在IGBT导通期间，电容被冲至直流侧电压VCC。当IGBT关断时，逆变电路直流环路分布的杂散电感使其集电极、发射极上的电压VCE迅速上升超过缓冲电容上的电压，缓冲二极管正向偏置，缓冲电路开始工作，缓冲电容吸收杂散电感上的能量，减小VCE上升的幅值。第一个尖峰电压是由缓冲电路的杂散电感和缓冲二极管的前向导通引起的，可以采用无感元件和快速二极管减小峰值电压。第一个尖峰电压过后，缓冲电容开始充电，VCE再次上升，关断过程结束时，缓冲电容上的电压上升到第二个峰值，然后电容通过缓冲电阻开始放电，电压回到VCC，为下次关断做准备。

据上述分析可得到以下公式：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{ce}}\left(t\right)=V_{\mathrm{CC}}+1/C\·{\∫}_0^{\mathrm{off}}i\left(t\right)\mathrm{dt}\\ V_{\mathrm{ce}}\left(t\right)=V_{\mathrm{CC}}-L_B\·\mathrm{di}\left(t\right)/\mathrm{dt}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中C为缓冲电容值，T_off为关断时间。

$i\left(t\right)=I_o\·\cos (t/\sqrt{L_{B}C})---\left(2\right)$

式中I₀为关断时刻流过IGBT的电流，(2)求导带入(1)中得：

$V_{\mathrm{ce}}\left(t\right)=V_{\mathrm{CC}}+I_o\·\sqrt{L_B/C}\·\sin (t/\sqrt{L_{B}C})---\left(3\right)$

当

时，V_ce取最大值V_CM：

优化问题得描述：(1)关断时IGBT上的尖峰电压最小，即

${\mathrm{Minv}}_{\mathrm{CM}},V_{\mathrm{CM}}=V_{\mathrm{CC}}+I_O\·\sqrt{L_B/C}---\left(4\right)$

$\mathrm{st}{V}_{\mathrm{CM}}\≤V_{\mathrm{CES}},I_{\mathrm{DA}}=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T_{\mathrm{off}}}i\left(t\right)\mathrm{dt}\≤I_{\mathrm{DC}}$

VCM为关断时IGBT上的第二个峰值电压，VCES为IGBT可以承受的最大正向电压，IDA为关断过程中流过缓冲二极管的平均电流，IDC为可选用的缓冲二极管的最大额定电流，T为IGBT开关周期。

(2)装设的缓冲电路的投资最小，即

Min_F，F＝6·(K₁P_R+K₂I_DA+K₃C)    (5)

$\mathrm{st}\frac{1}{6\·C\·f}\≤R\≤\frac{1}{3\·C\·f},P_R=[\frac{1}{2}\·(V_{\mathrm{CM}}^1-V_{\mathrm{CC}}^2)]/R$

K1、K2、K3，分别为缓冲电路的电阻、二极管、电容所对应的单位价格因子，f为IGBT的开关频率，R为缓冲电阻的阻值，P_R(等于电容上的能量除以放电时间)为缓冲电阻的功率。由模糊优化理论进行计算，其结果和经验方法的对比如下表：

方法	电容值(uF)	二极管型号	电阻值(Ω)/功率(w)	成本(元)
					优化设计	1.60	RM35HG-24S	20/75	1743
经验估算	1.80	RM25HG-24S(两个并联)	12/150	2832

总之，发明的基于大功率IGBT的特高压调频谐振试验电源，不但适用局放试验而且还适用耐压试验，突破了以前的理念。还设计了以TMS320LF2407为主芯片的DSP智能控制器，并由光纤来传输信号不但减小了干扰而且减轻了工作人员的劳动强度、增强了安全性，并且可以智能调频、调幅大大提高了系统的效率。

Claims (2)

1.一种基于大功率IGBT的特高压调频谐振试验电源，其特征在于：包括整流电路、控制器、大功率IGBT逆变器、LC滤波电路、特高压发生电路、检测电路，所述整流电路的输入端接三相交流输入，其输出端向大功率IGBT逆变器供电，控制器产生大功率IGBT逆变器的PWM控制信号，大功率IGBT逆变器输出信号通过LC滤波电路产生光滑的正弦信号，再送到特高压发生电路的输入端，由特高压发生电路产生高电压，检测电路检测特高压发生电路的输出，并将检测信号经光纤高速传输到控制器，特高压发生电路由励磁变压器、电阻R、电抗器L、电容C1、电容C2组成，励磁变压器的输入端接LC滤波电路，电阻R、电抗器L、电容C1、电容C2依次串接后并接于励磁变压器的输出端。

2.根据权利要求1中所述的基于大功率IGBT的特高压调频谐振试验电源，其特征在于：所述大功率IGBT逆变器中的每个大功率IGBT都带有缓冲电路，缓冲电路由等效电感LS、缓冲电容CS、缓冲二极管DS和缓冲电阻RS组成，逆变器每个桥臂上部的大功率IGBT的集电极和发射极之间连接由电感LS、缓冲电容CS和缓冲二极管DS依次串接组成的支路，且该大功率IGBT的缓冲电路的缓冲电阻RS的一端连接在缓冲电容CS和缓冲二极管DS阳极的连接点，另一端连接在该大功率IGBT对管的发射极；逆变器每个桥臂下部的大功率IGBT的集电极和发射极之间连接由电感LS、缓冲二极管DS和缓冲电容CS依次串接组成的支路，且该大功率IGBT逆变器的缓冲电路的缓冲电阻RS的一端连接在缓冲二极管DS阴极和缓冲电容CS的连接点，另一端连接在该大功率IGBT对管的集电极。

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