CN113640559A - 开关型正弦波形输出的局部放电测量试验用变频调压电源 - Google Patents

开关型正弦波形输出的局部放电测量试验用变频调压电源 Download PDF

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Abstract

本发明提供开关型正弦波形输出的局部放电测量试验用变频调压电源，涉及高压电气试验设备领域。该开关型正弦波形输出的局部放电测量试验用变频调压电源，包括SPWM变频调压电源和控制‑显示‑测量‑保护单元，所述SPWM变频调压电源的输入端连接有输入EMC滤波单元，所述SPWM变频调压电源的输出端连接有输出EMC滤波单元，所述输出EMC滤波单元的输出端连接有隔离滤波单元，所述隔离滤波单元的输出端连接有低通滤波单元，所述低通滤波单元的输出端连接有输出测量单元。通过采取多种局放抑制装置和技术措施，以及多种元件的搭配，能够有效控制系统输出的局放水平，实现数字化数据传输，提高系统抗干扰能力，并有效保证系统测量准确度。

Description

开关型正弦波形输出的局部放电测量试验用变频调压电源
技术领域
本发明涉及高压电气试验设备技术领域，具体为开关型正弦波形输出的局部放电测量试验用变频调压电源。
背景技术
目前，电气工程等领域高压电气设备如变压器等进行局部放电量测量及感应耐压试验时，所用试验设备中的电源装置，主要采用线性功率放大型变频调压电源。该变频电源除了输出波形好局放量低这一优势外，自身存在诸多不足和缺陷。
该电源内部逆变器件为三极管(晶体管)，工作于线性功率放大状态。市面上能够商品化批量采购到的三极管，其单只可利用等效逆变功率一般仅为几十瓦特级，最大通常也难以超过一百瓦特，功率比较小。为了满足试验经常用到的数百甚至近千千瓦的功率需求，该电源须采用数千甚至上万只三极管并联使用。由于器件使用数量多，参数分散性及个体差异的存在，导致该电源工作可靠性差，抗冲击能力弱。实际使用中不时出现三极管损坏的现象，导致试验被迫中断，需等待设备修复，或提供备机使用继续试验，极可能造成用户试验工期延误。用户经常抱怨设备不可靠、运行不稳定。同时，为了让器件功率均衡，该变频电源在每只三极管的集电极上均串联一个均流电阻，该电阻流过工作电流，导致运行时系统整体发热量巨大，效率低下。在设计及控制良好的情况下，系统最高效率仅约65％左右，巨大的电能浪费于自身发热；而为了降温，需要另外提供较大的电能功率用于散热风机，而散热风机的噪音污染在现场也经常令人难以接受。再者，该变频电源无功负载能力较弱，如强行带无功负载，则将导致输出效率降低、波形畸变、局放量显著升高，甚至设备损坏。此外，该电源生产工艺复杂，成千上万只晶体管需要人工徒手焊接，劳动密集、强度大，机械化生产程度低，焊接质量不易保证。目前迫切需要有能够替代该电源的实施技术方案和新产品。
所以，针对当前高压电气设备如变压器等局部放电量测量以及感应耐压试验中，使用较多的线性功率放大型变频电源的不足和缺陷，提供一种新型的采用大功率电力电子器件实现的工作于开关态、正弦波形低局放量输出、高可靠性的大容量变频调压电源装置。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了开关型正弦波形输出的局部放电测量试验用变频调压电源，解决了线性功率放大型变频电源的不足和缺陷的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：开关型正弦波形输出的局部放电测量试验用变频调压电源，包括SPWM变频调压电源和控制-显示-测量-保护单元，所述SPWM变频调压电源的输入端连接有输入EMC滤波单元，所述SPWM变频调压电源的输出端连接有输出EMC滤波单元，所述输出EMC滤波单元的输出端连接有隔离滤波单元，所述隔离滤波单元的输出端连接有低通滤波单元，所述低通滤波单元的输出端连接有输出测量单元，所述控制-显示-测量-保护单元包括控制器、触屏显示板和无线电通讯器，所述控制器电性连接有通讯串口。
优选的，所述控制-显示-测量-保护单元通过传输控制线分别连接有SPWM变频调压电源、隔离滤波单元、低通滤波单元、输出测量单元。
优选的，所述控制器分别电性连接有触屏显示板和无线电通讯器。
优选的，所述输出测量单元包括有电压表、电流表和功率相位自动测量仪。
优选的，所述控制器可以是微电脑，所述控制器内设置有存储器。
优选的，所述SPWM变频调压电源的输出形式可以是三相、单相，也可以是三相、单相输出兼顾。
优选的，所述低通滤波单元是多阶LC滤波器。
优选的，所述SPWM变频调压电源、输入EMC滤波单元、输出EMC滤波单元、隔离滤波单元、低通滤波单元、输出测量单元和控制-显示-测量-保护单元均设置有接地装置。
工作原理：SPWM变频调压电源的输入端连接有输入EMC滤波单元，SPWM变频调压电源的输出端连接有输出EMC滤波单元，用于保证系统的电磁兼容性，降低对输入电源系统的干扰，使装置满足EMC有关规范要求，同时有利于改善装置输出波形质量、降低输出电压信号的局部放电量，输出滤波单元输出后连接隔离滤波单元，用于隔离、滤波，改善输出波形质量，降低输出局放量，隔离滤波单元其输出端连接有多阶LC低通滤波单元，多阶LC低通滤波单元和隔离滤波单元均为滤波改善波形、降低装置局放量之用，之后在低通滤波单元输出端连接输出测量单元后输出，输出测量单元用于测量装置输出的电气参数，包括电压、电流、相位角、功率容量等，对于大电流和高电压，需经转换后再测量，其中，SPWM变频调压电源、隔离滤波单元、低通滤波单元、输出测量单元均由控制-显示-测量-保护单元集中控制，并进行状态、数据、信息显示、存储及人机交互，能够实现数字化数据传输，提高抗干扰能力，并有效保证测量准确度。
(三)有益效果
本发明提供了开关型正弦波形输出的局部放电测量试验用变频调压电源。具备以下有益效果：
1、本发明通过SPWM变频调压电源、输入EMC滤波单元、输出EMC滤波单元、隔离滤波单元、低通滤波单元、输出测量单元相互的配合，使得高压电气设备等局部放电量测量以及感应耐压试验中，能够有一种采用大功率电力电子器件的工作于开关态、正弦波形低局放量输出、高可靠性的大容量变频调压电源装置使用，同时通过控制-显示-测量-保护单元集中对SPWM变频调压电源、隔离滤波单元、低通滤波单元、输出测量单元的控制，进行状态、数据、信息显示、处理、存储及人机交互，能够实现数字化数据传输，并提高抗干扰能力，有效保证测量准确度。
2、本发明基于采用大功率电力电子器件的成熟的SPMW变频技术，通过隔离、滤波、接地、屏蔽、载波控制等措施的综合运用，实现高品质的低局放正弦波形电压输出，从而能够满足变压器等高压电气设备局部放电量测量及感应耐压试验的工程应用要求。该电源装置系统成熟、稳定，抗冲击能力强，效率高，负载包括无功能力强，运行可靠，克服了传统局放试验用线性功率放大型变频电源效率低、易损坏、可靠性差等诸多不足和缺陷。
3、本发明，通过SPWM变频调压电源、隔离滤波单元、低通滤波单元的设置和应用，使成套装置无功负载能力特别强，这是传统功放型线性电源所不能比拟的，是突出的优势。SPWM变频调压电源的输出载波频率设计为可调整的，有助于提高成套装置最终输出的波形质量，核心部件SPWM变频调压电源，技术成熟，应用广泛，性能稳定，决定了成套装置具有高可靠性、运行稳定的特点，实用性强，相对传统同类产品具有诸多优势而弥补其不足，可有效替代，具有广阔的市场空间，值得大力推广。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为本发明的控制-显示-测量-保护单元的系统框图；
图3为本发明的输出测量单元的系统框图
图4为本发明的SPWM变频调压电源的SPWM逆变原理波形图；
图5为本发明的SPWM变频调压电源的SPWM逆变输出实测波形图；
图6为本发明的输出EMC滤波单元的滤波输出实测波形图。
其中，1、SPWM变频调压电源；2、输入EMC滤波单元；3、输出EMC滤波单元；4、隔离滤波单元；5、低通滤波单元；6、输出测量单元；7、控制-显示-测量-保护单元；8、无线电通讯器；9、触屏显示板；10、控制器；11、通讯串口；12、电压表；13、电流表；14、功率相位自动测量仪。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1-6所示，本发明实施例提供开关型正弦波形输出的局部放电测量试验用变频调压电源，包括SPWM变频调压电源1和控制-显示-测量-保护单元7，SPWM变频调压电源1用于实现系统输出的变频和调压，采用技术和应用均较为成熟的SPWM(正弦波脉宽调制)逆变技术，使用大容量集成功率模块作为核心的逆变器件，抗冲击能力强，如图4所示为SPWM逆变原理波形示意图，SPWM逆变输出的是正弦脉宽调制波，实测波形如图5所示，非正弦波，自身局放量较大，不能直接输出用于试验，SPWM变频调压电源1的输入端连接有输入EMC滤波单元2，SPWM变频调压电源1的输出端连接有输出EMC滤波单元3，用于保证系统的电磁兼容性，用于降低对输入电源系统的干扰，使装置满足EMC有关规范要求，同时有利于改善装置输出波形质量、降低输出电压信号的局部放电量，输出EMC滤波单元3的输出端连接有隔离滤波单元4，用于隔离、滤波，改善输出波形质量。根据SPWM调制原理可知，其输出波形基波含量很高，低次谐波含量较少，因此可通过滤波实现正弦波型输出。输入EMC滤波单元2和输出EMC滤波单元3亦对提高输出波形质量有所裨益。通过采用针对性设计的滤波器，并结合隔离、接地、屏蔽、载波控制等多种技术措施的综合运用，可获得较为理想的正弦波电压输出，实测波形如图6所示。特别地，该输出波形视在局放量可以控制在相当低的水平，实测可低至20～10pC以下，完全能够满足工程应用需求，隔离滤波单元4其输出端连接有多阶LC低通滤波单元5，多阶LC低通滤波单元5和隔离滤波单元4均为滤波改善波形、降低装置局放量之用，之后在低通滤波单元5输出端连接输出测量单元6后输出，输出测量单元6用于测量装置输出的电气参数，包括电压、电流、相位角、容量等，对于大电流和高电压，需经转换后再测量控制-显示-测量-保护单元7包括控制器10、触屏显示板9和无线电通讯器8，控制器10电性连接有通讯串口11，其中，SPWM变频调压电源1、隔离滤波单元4、低通滤波单元5、输出测量单元6均由控制-显示-测量-保护单元7集中控制，并进行状态、数据、信息显示、处理、存储及人机交互，能够实现数字化数据传输，提高抗干扰能力，并有效保证测量准确度。
控制-显示-测量-保护单元7通过传输控制线分别连接有SPWM变频调压电源1、隔离滤波单元4、低通滤波单元5、输出测量单元6，隔离滤波单元4的核心部件是隔离变压器，利用磁耦合，实现原副边电气隔离，因而副边输出及其后所连接电路可以有一点接地，用以固定电位；同时，配合交流滤波电容器，必要时辅以电感，实现滤波，提高输出波形质量。必要时，滤波器件(电容、电感)，宜设计为可选择投切。此外，所述的隔离型变压器，其容量及型式(如相数)可根据装置的输出要求而定；并且，该变压器通过配置适当的变比，实现阻抗匹配，使成套装置的输出电压和功率满足成套装置的具体使用需求。
控制器10分别电性连接有触屏显示板9和无线电通讯器8。
输出测量单元6包括有电压表12、电流表13和功率相位自动测量仪14。
控制器10可以是微电脑，，也可以是便于控制接收信号的服务器，控制器10内设置有存储器，存储器用于储存控制器10接收到的和处理的结果等数据。
SPWM变频调压电源1的输出形式可以是三相、单相，也可以是三相、单相输出兼顾，即三相输出装置可以单相输出使用(用其中两根输出线)，这将决定SPWM变频调压电源1内部采用何种逆变形式，并配套使用相应的辅助电路及逆变器件，以及相应设置不同的保护形式。并选用相应型式的滤波器，SPWM变频调压电源1设计上采用成熟的SPWM技术，核心的逆变器件，采用单体容量可达数十甚至近百千瓦的大功率开关型电力电子集成功率模块(IPM)，常用但不限于IGBT模块。因模块器件容量大，绝缘水平高，额定电流大，故其抗工作电流冲击能力强，性能稳定、可靠。逆变电路设计工作于开关状态，SPWM信号可由CPU运行软件计算、自然采样等方式产生，通过驱动电路进行驱动。逆变器件由于是场控型的，驱动电流小，工作开关频率高，系统损耗小，效率可高达90％～95％以上，远超三极管并联网络构成的线性功率放大型逆变的效率，SPWM逆变直接输出的是正负半周对称的调宽方波脉冲序列，非正弦波形，其局放量大，不能直接用于试验。但其基波含量高，通过后续滤波单元可实现正弦波形输出，并配合其它技术措施，将其局放量控制在较低的水平，从而满足有关试验需求。
低通滤波单元5是多阶LC滤波器，用于滤波，改善输出波形质量，降低局放量，结构形式可以是T型或Π型。其主要构成器件是电感、电容和电阻，需针对性的进行参数设计及阶数匹配，能够有效的过滤特定频带的谐波，从而保证装置输出的波形质量和局放量。必要时，该多阶LC滤波单元器件需设计成可选择投切式，由控制-显示-测量-保护单元7操作，以适应不同参数的输出需求。
SPWM变频调压电源1、输入EMC滤波单元2、输出EMC滤波单元3、隔离滤波单元4、低通滤波单元5、输出测量单元6和控制-显示-测量-保护单元7均设置有接地装置。输入EMC滤波单元2和输出EMC滤波单元3具体采用的EMC滤波器规格，可根据SPWM变频调压电源1的规格、型式来确定，该部件可以从市面采购。另外，输入EMC滤波单元2和输出EMC滤波单元3其功能电路或整体，可根据需要整合于SPWM变频调压电源1的内部，而不独立存在，也可根据具体的使用环境要求，以及所设计或采用的后续滤波器能够达到的滤波效果，全部或部分使用，甚至不使用。控制-显示-测量-保护单元7是成套装置的控制中心，实现对SPWM变频调压电源1的开关控制、参数设置、变频调压控制，对隔离滤波单元4滤波器件的投切控制，对低通滤波单元5滤波器件的投切控制以及与输出测量单元6通信，并实现对系统状态信息、测量结果、运行参数等的显示和监测，以及数据存储、处理、传输、人机交互和联机通讯等功能。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.开关型正弦波形输出的局部放电测量试验用变频调压电源，包括SPWM变频调压电源(1)和控制-显示-测量-保护单元(7)，其特征在于：所述SPWM变频调压电源(1)的输入端连接有输入EMC滤波单元(2)，所述SPWM变频调压电源(1)的输出端连接有输出EMC滤波单元(3)，所述输出EMC滤波单元(3)的输出端连接有隔离滤波单元(4)，所述隔离滤波单元(4)的输出端连接有低通滤波单元(5)，所述低通滤波单元(5)的输出端连接有输出测量单元(6)，所述控制-显示-测量-保护单元(7)包括控制器(10)、触屏显示板(9)和无线电通讯器(8)，所述控制器(10)电性连接有通讯串口(11)。
2.根据权利要求1所述的开关型正弦波形输出的局部放电测量试验用变频调压电源，其特征在于：所述控制-显示-测量-保护单元(7)通过传输控制线分别连接有SPWM变频调压电源(1)、隔离滤波单元(4)、低通滤波单元(5)、输出测量单元(6)。
3.根据权利要求1所述的开关型正弦波形输出的局部放电测量试验用变频调压电源，其特征在于：所述控制器(10)分别电性连接有触屏显示板(9)和无线电通讯器(8)。
4.根据权利要求1所述的开关型正弦波形输出的局部放电测量试验用变频调压电源，其特征在于：所述输出测量单元(6)包括有电压表(12)、电流表(13)和功率相位自动测量仪(14)。
5.根据权利要求1所述的开关型正弦波形输出的局部放电测量试验用变频调压电源，其特征在于：所述控制器(10)可以是微电脑，所述控制器(10)内设置有存储器。
6.根据权利要求1所述的开关型正弦波形输出的局部放电测量试验用变频调压电源，其特征在于：所述SPWM变频调压电源(1)的输出形式可以是三相、单相，也可以是三相、单相输出兼顾。
7.根据权利要求1所述的开关型正弦波形输出的局部放电测量试验用变频调压电源，其特征在于：所述低通滤波单元(5)是多阶LC滤波器。
8.根据权利要求1所述的开关型正弦波形输出的局部放电测量试验用变频调压电源，其特征在于：所述SPWM变频调压电源(1)、输入EMC滤波单元(2)、输出EMC滤波单元(3)、隔离滤波单元(4)、低通滤波单元(5)、输出测量单元(6)和控制-显示-测量-保护单元(7)均设置有接地装置。
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