CN115171456B - 一种用于特种作业电工的核相实训装置 - Google Patents

Abstract

一种用于特种作业电工的核相实训装置，包括：逆变电路模块，用于将220V交流电转化为直流电；IGBT模块，与逆变电路模块电性连接，用于将直流电转变为三相交流电；FPGA模块，与IGBT模块电性连接，用于控制IGBT模块生成三相交流电；锁相环电路模块，与IGBT模块电性连接，用于保证三相交流电的相位和频率精度；滤波电路和升压变压器模块，与锁相环电路模块电性连接，用于将锁相环电路模块输出的三相交流电，生成380V/10kV的三相交流电；本发明提供的装置能够提高电工的安全技能，在保障电工人身安全的基础上完成相序核对检验工作，对保障电网的安全生产具有重要意义。

Description

一种用于特种作业电工的核相实训装置

技术领域

本发明属于电力试验技术领域，涉及电力核相实训装置，具体涉及一种用于特种作业电工的核相实训装置。

背景技术

为夯实电力安全管控基础，电工作业人员“严格培训，持证考核”是核心举措。特种作业人员必须参加安全技能培训和考核取证，“持证上岗”具有法律强制性。

按照国家应急管理部门要求，电力设备(线路)相序核对检查是实操培训和取证考核的“规定动作”，如果作业人员未能理解相序核对方法，没有熟练掌握核相技能，盲目接火或者送电，会造成严重的设备损坏和系统紊乱故障。

但是，截止到目前，国内外专门针对电工核相实训的装置仍是空白，虽然有应用单相220V转三相380V升压器案例，但此类升压器旨在带负荷或通流，内置变压线圈，体积庞大，难以移动和运输，不利于实验室应用；其次这种升压器极易出现电源电压噪声大、电源相位不匹配、电源频率不匹配等问题；再者，这种升压器输出的三相电压相序固定，不能人为切换相序，不利于电工培训考核；最后该种升压器不具备安全告警，安全防护等功能，当培训人员出现误操作时，不能及时断开电源，有效的保护人员生命和设备财产的安全。因此，急需一种用于特种作业电工的核相实训装置，以满足特种作业电工的实训考核操作的核相装置的需求。

现有技术1(CN113917220A)“一种三相带电显示器、电缆线路相序监测核对装置及方法”，三相带电显示器包括：感应取电模块、相序核对模块、相序指示模块和结果显示模块。其中，感应取电模块用于环套于电缆开环点两侧的待测电缆上，获取待测电缆的电信号；相序核对模块用于根据电信号，确定每一待测电缆的相序，进而核对电缆开环点两侧的待测电缆的相序；相序指示模块用于根据相序确定结果，对每一待测电缆的相序和带电情况进行指示；结果显示模块用于显示相序核对结果。现有技术文件1的不足之处在是对电网中在运行的电缆相序检测的一种方法，用于检测电缆的当前相序，不能任意切换电缆相序，不能用于电工核相的实训中。

现有技术2(CN208423805U)“一种换相开关型三相负荷自动调节装置”，包括智能换相终端和换相开关；所述智能换相终端包括第一控制处理模块、用于采集配电变压器输出端线路电压信号和电流信号的第一信号采集模块、第一相序识别模块和第一载波通信模块，所述换相开关包括第二控制处理模块、用于采集分支线路电压信号和自身带载回路的负荷电流信号的第二信号采集模块、第二相序识别模块、第二载波通信模块和换相执行模块；现有技术文件2的不足之处在是根据配电变压器运行情况对负荷相序进行调节的一种方法，用户调节分支线路的当前相序，不能产生和切换任意相序的交流电，供电工核相实训使用。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种用于特种作业电工的核相实训装置，用于通过产生的三相交流电频率和相位精度高、谐波小、噪声小的三项交流电，满足核相实操训练的需求。

本发明采用如下的技术方案。

一种用于特种作业电工的核相实训装置，包括升压变压器模块、逆变电路模块、FPGA模块；其特征在于：

220V单相输入交流电与升压变压器模块的输入端相连，升压变压器模块的输出端与逆变电路模块相连，FPGA模块与逆变电路模块中开关单元的控制端相连，用于控制逆变电路模块生成相序以及电压可以变换的三相交流电。

本发明进一步包括以下优选方案。

逆变器电路模块包括三相单元即单元A、单元B和单元C；每一个单元均包括四只开关管，即每一相的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，其中，单元A包括A相第一开关管、A相第二开关管、A相第三开关管和A相第四开关管，单元B包括B相第一开关管、B相第二开关管、B相第三开关管和B相第四开关管,单元C包括C相第一开关管、C相第二开关管、C相第三开关管和C相第四开关管；

每一相第一开关管的集电极、第二开关管的发射极相连，然后连接对应相的负载电阻后再连接到升压变压器模块输出侧绕组的中间抽头；

A相第二开关管的集电极、A相第四开关管的集电极、B相第二开关管的集电极、B相第四开关管的集电极、C相第二开关管的集电极、C相第四开关管的集电极连接在一起然后连接至升压变压器模块输出侧绕组的一端，A相第一开关管的发射极、A相第三开关管的发射极、B相第一开关管的发射极、B相第三开关管的发射极、C相第一开关管的发射极、C相第三开关管的发射极相连然后连接至升压变压器模块输出侧绕组的另一端。

所述FPGA模块与各开关管的门极相连，控制每个开关管在特定的时间触发以实现三相预定的相序以及相位差。

在逆变器电路模块正半输入周期，FPGA模块控制不同开关状态如表1：

表1

V_A为单元A的正半周波电压，V_B为单元B的正半周波电压，V_C为单元C的正半周波电压，V_i为单相输入电压值。

在逆变器电路模块负半输入周期，FPGA模块控制不同开关状态如表2：

表2

V_A为单元A的负半周波电压，V_B为单元B的负半周波电压，V_C为单元C的负半周波电压，V_i为单相输入电压值。

本发明具有以下有益的技术效果：

与现有技术相比，本发明提供的装置能够提高电工的安全技能，在保障电工人身安全的基础上完成相序核对检验工作，对保障电网的安全生产具有重要意义。

附图说明

图1是本发明用于特种作业电工的核相实训装置结构示意图；

图2是本发明用于特种作业电工的核相实训装置的电路示意图；

图3是本发明所述的IGBT驱动相序切换电路结构图；

图4是本发明所述的单相电输入波形图；

图5是本发明所述的整流输出电压波形图；

图6是本发明所述的三相电输出波形图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的有所其它实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示为本发明用于特种作业电工的核相实训装置，图2所示为用于特种作业电工的核相实训装置的电路示意图。

本发明公开了一种用于特种作业电工的核相实训装置，包括升压变压器模块、逆变电路模块、FPGA模块；220V单相输入交流电与升压变压器模块的输入端相连，升压变压器模块的输出端与逆变电路模块相连，FPGA模块与逆变电路模块中开关单元的控制端相连，用于控制逆变电路模块生成相序以及电压可以变换的三相交流电。

逆变器电路模块包括三相单元即单元A、单元B和单元C。每一个单元均包括四只开关管，即每一相的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，其中，单元A包括A相第一开关管、A相第二开关管、A相第三开关管和A相第四开关管，单元B包括B相第一开关管、B相第二开关管、B相第三开关管和B相第四开关管,单元C包括C相第一开关管、C相第二开关管、C相第三开关管和C相第四开关管。

每一相第一开关管的集电极、第二开关管的发射极相连，然后连接对应相的负载电阻后再连接到升压变压器模块输出侧绕组的中间抽头；

A相第二开关管的集电极、A相第四开关管的集电极、B相第二开关管的集电极、B相第四开关管的集电极、C相第二开关管的集电极、C相第四开关管的集电极连接在一起然后连接至升压变压器模块输出侧绕组的一端，A相第一开关管的发射极、A相第三开关管的发射极、B相第一开关管的发射极、B相第三开关管的发射极、C相第一开关管的发射极、C相第三开关管的发射极相连然后连接至升压变压器模块输出侧绕组的另一端。

所述FPGA模块与各开关管的门极相连，控制每个开关管在特定的时间触发以实现三相预定的相序以及相位差。

12个功率开关管决定转换器的输出电压，开关由单位向量y_A，z_A，y_B，z_B，y_C和z_C控制。当一个转换器的开关装置将接通，转换器的另一个开关会关闭。因此，只有一个转换器开关的开关状态被用来决定输出电压。转化器有六个支部，因此切换状态共有64种。但由于限制条件少，不可能实现所有的切换状态。例如，所有开关不能同时产生正输出。在任何时刻，最大两个开关将产生正输出，一个开关将产生负输出，反之亦然，这取决于开关的导通情况。

仅有12个基极状态用于开关判断，三相转换器正负半输入的电压向量由下式计算得出：

其中，V_A为单元A的正半周波电压，V_A′为单元A的负半周波电压，V_B为单元B的正半周波电压，V_B′为单元B的负半周波电压，V_C为单元C的正半周波电压，V_C′为单元C的负半周波电压；y_A，z_A，y_B，z_B，y_C和z_C分别为用作旋转使用的单位向量。

正半输入周期和负半输入周期的不同开关状态分别如表1和表2所示。FPGA在数字信号处理器或微处理器设计中，不存在由于中断或事件序列器造成的瓶颈。可以通过在示波器上观察各种波形，对触发电路进行定性测试。

表1

表2

本发明还进一步包括锁相环电路模块，与IGBT模块电性连接，用于保证三相交流电的相位和频率精度。

如附图3所示，进一步优选地，本发明提供的IGBT模块由信号控制接口、信号隔离单元、隔离电源、驱动单元、控制处理单元、检测保护单元以及IGBT单元组成。信号控制接口分别与信号隔离单元、隔离电源电性连接；控制处理单元分别与驱动单元、信号隔离单元电性连接；IGBT单元分别与驱动单元、检测保护单元电性连接；检测保护单元与隔离电源电性连接。

进一步优选地，本发明提供的IGBT模块还包括相序控制单元，与IGBT单元电性连接，通过控制12个功率开关管用于进行相序切换。

进一步优选地，本发明提供的IGBT模块具有三组，每组IGBT模块与不同相序的电压连接，用于利用IGBT单元的开通和关断功能，实现对相序的平滑、快速切换。

进一步优选地，本发明提供的FPGA模块用于通过融合SVPWM控制技术，控制三组IGBT模块生成三相交流电。

进一步优选地，本发明提供的核相实训装置还包括电压输入模块，用于生成输入电压为单相220V，频率50Hz的交流电。

进一步优选地，本发明提供的核相实训装置还包括结果仿真模块，用于通过设置采样频率为200Hz，通过获取单相电输入波形图、整流输出电压波形图、三相电输出波形图，对核相实训装置的功能测试结果进行仿真分析。

本发明提供的一种用于特种作业电工的核相实训装置相比较于单相电压，三相电在某些场合的应用更具优势。三相连接的负载，尤其是电机负载，具有恒定扭矩、恒定功率、尺寸减小的优点。通常，一个单相转三相的转换器由三个单元组成，分别是A，B，C，如图1所示。每一个单元由一个正转换器(PC)和一个负转换器(NC)反并行连接到相序A，转换器的输出频率与输入频率之间的关系可由下式计算：

f₀＝f_i×N (1)

式中，

f_i表示输入频率，

f₀表示输出频率。

N可以是任何整数值用以获得高输出频率。A，B，C单元分别产生V_A、V_B和V_C三个电压。

在本发明中，IGBT即绝缘栅双极型晶体管，是由绝缘栅场效应管和双极型晶体管构成的复合半导体器件。IGBT驱动器的作用是经过隔离升压等方法将上位机发出的控制信号转化为可直接作用于IGBT门极的正反偏驱动电压，从而实现对IGBT开通和关断的控制。使用IGBT设计相序切换电路，可以实现相序快速切换。驱动构成主要有信号隔离单元、隔离电源、驱动单元、控制处理单元、检测保护单元以及IGBT单元。相序切换电路的设计原理在驱动构成的基础上添加了相序切换单元，如图3所示。通过将三组IGBT驱动与不同相序的电压连接，利用IGBT的开通和关断功能，实现对相序的平滑、快速切换。这一方式避免了相序切换过程中可能出现的安全隐患问题，如短路等操作引起的安全问题，因为可以通过上位接口程序控制IGBT的切换，在人工操作出现问题时可以及时纠正问题。

锁相环技术能够保证输入输出信号频率相等，延时的匹配良好，这对于电工核相实训装置中将单相电转为三相电时保证三相交流电的相位和频率精度具有十分重要的意义。锁相环电路部分由鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器和压控振荡器构成。电荷泵的充放电匹配性决定了锁相环的性能。对电荷泵而言，电流失配是急需解决的问题，它是指充电和放电电流的大小差异。导致这些不匹配的因素有三个：充电和放电的电流源不对称；不同输出电压引起的电流源不匹配；UP和DW开关打开后随机出现的电流脉冲。设计使用虚拟器件减小电荷注入和时钟馈通，得到了性能良好的电荷泵电路。

电工核相实训装置功能测试结果仿真分析：

通过MATLAB仿真电工核相实训装置的基础功能，完成设计的仿真验证工作。输入电压为单相220V，频率50Hz，仿真设计采样频率200Hz，输入电压仿真波形图如图4所示。可以看到，是一个完整的正弦波输入过程。图5展示的是经过整流电路后的输出电压，可以看出并不是完全的直流输出，这是因为整流电路对输入的处理并不是单纯的截断，后续经过滤波电路、直流斩波电路的处理才能输出较为平稳的直流电压。经过SVPWM技术和锁相环技术的处理后，单相电转为有效值220V的三相电，最后通过升压变压器处理，获得380V三相电输出如图6所示，可以看到，输出是较为平滑的三条正弦波，幅值、相位差均与三相电标准相差不大，证明了核相实训装置设计方案的有效性。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于特种作业电工的核相实训装置，包括升压变压器模块、逆变电路模块、FPGA模块；其特征在于：

220V单相输入交流电与升压变压器模块的输入端相连，升压变压器模块的输出端与逆变电路模块相连，FPGA模块与逆变电路模块中开关单元的控制端相连，用于控制逆变电路模块生成相序以及电压可以变换的三相交流电；

逆变器电路模块包括三相单元即单元A、单元B和单元C；每一个单元均包括四只开关管，即每一相的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，其中，单元A包括A相第一开关管、A相第二开关管、A相第三开关管和A相第四开关管，单元B包括B相第一开关管、B相第二开关管、B相第三开关管和B相第四开关管,单元C包括C相第一开关管、C相第二开关管、C相第三开关管和C相第四开关管；

每一相第一开关管的集电极、第二开关管的发射极相连，然后连接对应相的负载电阻后再连接到升压变压器模块输出侧绕组的中间抽头；

A相第二开关管的集电极、A相第四开关管的集电极、B相第二开关管的集电极、B相第四开关管的集电极、C相第二开关管的集电极、C相第四开关管的集电极连接在一起然后连接至升压变压器模块输出侧绕组的一端，A相第一开关管的发射极、A相第三开关管的发射极、B相第一开关管的发射极、B相第三开关管的发射极、C相第一开关管的发射极、C相第三开关管的发射极相连然后连接至升压变压器模块输出侧绕组的另一端；

所述FPGA模块与各开关管的门极相连，控制每个开关管在特定的时间触发以实现三相预定的相序以及相位差。

2.根据权利要求1所述的用于特种作业电工的核相实训装置，其特征在于：

在逆变器电路模块正半输入周期，FPGA模块控制不同开关状态如表1：

表1

V_A为单元A的正半周波电压，V_B为单元B的正半周波电压，V_C为单元C的正半周波电压，V_i为单相输入电压值。

3.根据权利要求1所述的用于特种作业电工的核相实训装置，其特征在于：

在逆变器电路模块负半输入周期，FPGA模块控制不同开关状态如表2：

表2

V_A为单元A的负半周波电压，V_B为单元B的负半周波电压，V_C为单元C的负半周波电压，V_i为单相输入电压值。