CN203519675U - 一种地网测量专用的大功率变频信号源 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种地网测量专用的大功率变频信号源，涉及测量技术领域。包括电源输入端子、缓启动电路、整流滤波单元、逆变单元、隔离变压器、驱动保护单元、电流采样及过流保护单元、电压采样及负反馈单元、输出电压调节单元、输出频率调节单元、中央处理单元、参数显示单元、数据存储单元、报警及复位单元、变频输出端子等。本实用新型可以较小体积重量产生数十千瓦的逆变功率。同时输出波形为纯正正弦波，波形畸变率(THID)小于2％。其输出频率由专用的分频电路控制，可达到很高的稳定度和精度。大大提高了变频法测量大型地网时的输出功率和测试电流，对于强干扰背景下的变电站、电厂接地网的准确测量有着重要的意义。

Description

一种地网测量专用的大功率变频信号源

技术领域

本实用新型涉及电力行业中的测量设备，具体是指一种用于接地装置测量的大功率变频信号源。

背景技术

发电厂、变电站接地网除了为各种电气设备提供公共参考地，更重要地，在系统发生接地故障或遭受雷击时起到快速有效地泄放故障电流，改善接地网和场区地表地电位分布，保障一、二次设备和人员安全的作用，是维护电力系统安全可靠运行、保障人员和设备安全的重要措施。

接地阻抗(习惯称为“接地电阻”，实为带感性分量的阻抗值)是反映接地网性能和状态好坏最重要的参数，其准确测量的重要意义是不言而喻的。

DL/T475-2006《接地装置特性参数测量导则》对接地阻抗的定义是：接地装置对远方电位零点的阻抗。数值上为接地装置与远方电位零点间的电位差，与通过接地装置流入地中的电流的比值。按冲击电流求得的接地阻抗称为冲击接地阻抗；按工频电流求得的接地阻抗称为工频接地阻抗。一般未经特别说明的均指工频接地阻抗。

大型变电站、电厂的接地网接地阻抗较小，性能良好的接地网一般都在0.5Ω以下。假设一个大型地网接地阻抗按0.5Ω计算，对该地网注入1A的电流，则其相对远方电位零点的电位升为0.5V。现场测量接地阻抗也是这个原理，对地网注入电流I，测量地网的电位升U，计算得到接地阻抗Z＝U/I。

由于变电站、电厂环境中存在很强的50Hz干扰，最大可达数十伏。所以现场微弱的测试信号往往因干扰强烈而带来很大的误差甚至无法测量。目前常用的接地阻抗测量仪从测量原理上来说，分为如下几种：

(1)直流小电流测试法：测试电流为mA级的直流电流。该方法优点是设备体积小，成本低，技术简单。缺点是从原理来说测得是直流电阻，而非阻抗。且测试电流很小，数据容易受到干扰而出现很大的偏差。

(2)高频交流小电流测试法：仪器输出100Hz以上的交流小电流进行测量。该方法优点同直流小电流测试法。缺点是与50Hz工频阻抗等效性不够好，强干扰下数据不准确。

(3)工频大电流法：利用大容量调压器和隔离变压器，对地网注入50A以上的大电流，使得地网的电位变化足够明显。该方法优点是测试电流较大，电位变化较明显便于测量。缺点是测试电流与现场的50Hz干扰同频，测试信号与干扰信号无法分离。

(4)异频小电流法：异频小电流法采用变频技术，对地网注入1～5A异频小电流，然后采用基于硬件电路的滤波技术，滤除部分50Hz干扰。该方法大大提高了测量准确性和抗干扰能力，逐步成为大型地网测试的主要装备。

但异频小电流法在测试一些大型、超大型地网时，一方面由于地网本身的接地阻抗较小，注入1～5A电流时，所引起的电位升仅为0.1～2V左右，另一方面现场强烈的50Hz干扰可达数十伏；而仪器的抗干扰能力不足在如此低的信噪比下准确测量。所以在针对干扰较强的大型地网时，该方法仍然存在一定的不足。

综合以上几种方法的优缺点，本实用新型提出了一种新型的地网测量专用的大功率变频信号源，其采用新型的变频控制技术和算法，可以在体积重量较轻满足现场人力搬运的前提下，输出5～50A变频大电流，输出功率可达到20KW或更大，大大提高信噪比；可达到在强烈干扰下，准确测量接地阻抗很小的大型地网的目的。

为达到以上目的，本实用新型采用模块化设计，同时应用了将仪器的各个功能分解为各个相对独立又相互关联的模块，由中央处理单元来控制协调各模块之间的功能和输入输出。本实用新型并未采用以往常用的晶体管线性放大的正弦波变频技术方案，而是采用输出功率密度大的IGBT作为逆变功率单元，同时采用了软开关技术，输出波形负反馈技术，算法智能快速补偿等新技术，使得成套系统达到了在较小的体积重量内，达到输出纯正正弦波的目的。

以往要获得正弦波变频信号，一般都采用晶体管线性放大方式，该方式转化的效率较低，且体积和重量较大，所以适合工程现场人力搬运的设备一般输出功率较小，无法输出很大的测试电流。本实用新型采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率器件。IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点，可在很小的体积内实现大功率逆变。

实用新型内容

本实用新型提供一种地网测量专用的大功率变频信号源，目的在于克服目前现有技术中的不足，设计一种大功率的地网测量专用的变频信号源。该变频信号源采用了软开关技术，输出波形负反馈技术，算法智能快速补偿等技术，在测量大型地网时可产生5-50A的变频大电流，在保持人力搬运便携性能的前提下(60Kg以下)，输出功率可达20KW，同时输出波形为纯正正弦波，波形畸变率小于2％，大大提高了大型地网现场测量的信噪比和准确度。

为解决上述问题，本实用新型采用如下技术方案：一种地网测量专用的大功率变频信号源，包括电源输入端子、缓启动电路、整流滤波单元、逆变单元、隔离变压器、驱动保护单元、电流采样及过流保护单元、电压采样及负反馈单元、输出电压调节单元、输出频率调节单元、中央处理单元、参数显示单元、数据存储单元、报警及复位单元、变频输出端子等。

电源输入端子连到缓启动电路，缓启动电路由一个交流接触器和一组大功率充电电阻组成。上电后，先经过充电电阻限流，给后面的整流滤波电路中的大电容充电，经过数十秒后电容接近充满，此时由中央处理单元或延时继电器控制交流接触器闭合，充电电阻退出工作。这样的目的是为了避免开机时的冲击大电流。

缓启动电路后端连着整流滤波单元，整流滤波单元由整流桥高压电解电容组成，其作用是将交流电流转化为平稳的直流电流。输出到逆变单元。

逆变单元是由大功率IGBT组成的全桥逆变电路，其输出由驱动及保护单元控制。IGBT输出具有功率大、体积小、效率高等优点，单只IGBT电压电流可达1200V，1000A以上，由此可大大减小逆变单元体积和重量。但以往IGBT逆变一般采用高频硬开关方式驱动，其输出为调制方波，且带有很大的高频干扰，无法输出纯正的正弦波。本实用新型采用了谐振软开关技术，基本消除了IGBT开关带来的高频干扰EMI影响。IGBT的后端加电感和电容组成一个低通滤波器，可进一步平滑波形，达到输出光滑正弦波的目的。

电流互感器穿在变频输出端子之前，电流互感器的输出连到电流采样及过流保护单元，电流采样及过流保护单元的输出分别连到中央处理单元、驱动及保护单元。电压采样及负反馈单元的输入连到变频输出端子，输出连到中央处理单元。

中央处理单元还连着输出电压调节单元、输出频率调节单元、参数显示单元、驱动及保护单元、数据存储单元。

驱动及保护单元还连着报警及复位单元。

与现有技术相比，本实用新型的地网测量专用的大功率变频信号源具有如下优点：(1)输出功率大，可以达到20KW或更大功率，现场可产生数十安大电流；(2)体积小，重量轻；(3)效率高；(4)输出波形质量好，为纯正正弦波。(5)功率器件裕度大，可靠性高。本实用新型可大大提高强干扰下大型地网接地阻抗时的信噪比和测量准确度。

本实用新型在电气测量领域，特别是在强干扰背景下的大型地网测量领域有着广泛的应用前景和经济价值。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图。

具体实施方式

下面用最佳的实施例对本实用新型做详细的说明。

如图1所示，一种地网测量专用的大功率变频信号源，目的在于克服目前现有技术中的不足，设计出一种能输出变频大电流的大功率变频信号源。该信号源采用IGBT作为逆变核心功率器件，同时采用了软开关技术，输出波形负反馈技术，算法智能快速补偿等新技术，使得成套系统达到了在较小的体积重量内，达到输出纯正变频正弦波的目的。

本实用新型采用如下技术方案：一种地网测量专用的大功率变频信号源，包括电源输入端子、缓启动电路、整流滤波单元、逆变单元、隔离变压器、驱动及保护单元、电流采样及过流保护单元、电压采样及负反馈单元、输出电压调节单元、输出频率调节单元、中央处理单元、参数显示单元、数据存储单元、报警及复位单元、变频输出端子等。

电源输入端子连到缓启动电路，缓启动电路由一个交流接触器和一组大功率充电电阻组成。上电后，先经过充电电阻限流，给后面的整流滤波电路中的大电容充电，经过数十秒后电容接近充满，此时由中央处理单元或延时继电器控制交流接触器闭合，充电电阻退出工作。这样的目的是为了避免开机时的冲击大电流。

缓启动电路后端连着整流滤波单元，整流滤波单元由整流桥高压电解电容组成，其作用是将交流电流转化为平稳的直流电流。输出到逆变单元。

逆变单元是由大功率IGBT组成的全桥逆变电路，其输出由驱动及保护单元控制。IGBT输出具有功率大、体积小、效率高等优点，单只IGBT电压电流可达1200V，1000A以上，由此可大大减小逆变单元体积和重量。但以往IGBT逆变一般采用高频硬开关方式驱动，其输出为调制方波，且带有很大的高频干扰，无法输出纯正的正弦波。本实用新型采用了谐振软开关技术，基本消除了IGBT开关带来的高频干扰EMI影响。IGBT的后端加电感和电容组成一个低通滤波器，可进一步平滑波形，达到输出光滑正弦波的目的。

由于地网测量时，变频信号源的一端需要接地，所以逆变单元输出后还需要接隔离变压器。隔离变压器的输出连到变频输出端子。

电流互感器穿在变频输出端子之前，电流互感器的输出连到电流采样及过流保护单元，电流采样及过流保护单元的输出一端驱动及保护电路，另一端连到中央处理单元。正常工作时，电流采样及过流保护单元采集输出电流数据，反馈给中央处理单元，中央处理单元处理后可得出当前的输出电流大小和波形畸变率数据。当输出电流超过设定的保护值时，电流采样及过流保护单元可以快速发出保护信号，通知驱动及保护单元，快速关闭IGBT驱动信号，保护模块不受损坏，该部分功能完全由硬件实现，响应时间可达uS级。

驱动及保护单元主要功能是将中央处理单元送过来的控制信号进行放大，对IGBT进行驱动，同时还起到在发生故障时快速切断输出保护功率器件的作用。该单元驱动部分使用了软开关技术。驱动及保护单元还连着报警及复位单元，当发生故障时，驱动及保护单元控制报警及复位单元发出声光报警信号。当故障排除后，报警及复位单元可手动进行复位，重新允许系统输出。

电压采样及负反馈单元输入端连着变频输出端子，实时采样输出的电压波形。该单元将采样到的电压波形数字化后，送入中央处理单元，中央处理单元运算出当前的电压波形与标准正弦波的偏差，在输出下一个周期的驱动信号时做反向微调，即负反馈。由于地网测量时，输出负载不是快速变化的，属于稳定负载，所以负反馈技术保证了成套系统可输出很好的正弦波。

中央处理单元还连着频率控制单元，电压控制单元，可由用户操作，控制输出电压和频率。

中央处理单元还连着数据存储单元和参数显示单元。

本实用新型主要使用了软开关技术，输出波形负反馈技术，算法智能快速补偿技术，达到了在较小体积重量下输出大功率变频正弦波的目的。其中软开关技术是应用谐振的原理，使IGBT中的电流(或电压)按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零时，使器件关断(或电压为零时，使器件开通)，从而减少开关损耗。它不仅可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题及二极管反向恢复问题，而且还能解决由硬开关引起的EMI等问题。软开关变换器在电路中并联或串联谐振网络，势必产生谐振损耗，并使电路受到固有问题的影响。为此，人们在谐振技术和无损耗缓冲电路的基础上提出了组合软开关功率变换器的理论。组合软开关技术结合了无损耗吸收技术与谐振式零电压技术、零电流技术的优点，其基本原理是通过辅助管实现部分主管的零电流关断或零电压开通，主管的其余软开关则是由无损耗吸收网络来加以实现，吸收能量恢复电路被ZCT、ZVT谐振电路所取代，辅助管的软开关则是由无损耗吸收网络或管电压、电流自然过零来加以实现。换言之，即电路中既可以存在零电压开通，也可以存在零电流关断，同时既可以包含零电流开通，也可以包含零电压关断，是这四种状态的任意组合。这样基本可消除传统硬开关带来的高频EMI干扰。

本实用新型的另一个重要创新是应用了输出波形负反馈和算法智能快速补偿技术。以往变频信号源大多是一个开环控制结构，其后端的输出波形质量，由前端电路参数决定。而在大型接地网测量现场，由于存在很强的电磁干扰，这种控制结构使得输出波形容易发生畸变，难以保证输出质量。本实用新型采用电压负反馈技术，实时采样输出波形，进行高速数模转换后送入中央处理单元，中央处理快速运算出当前波形与理想正弦波的差异，然后在生成下一个周期的正弦波控制信号时予以反向补偿，这样可确保最终的输出波形为高质量的正弦波。该功能实现的关键在于中央处理单元快速的运算能力和先进合理的软件算法。

本实用新型采用模块化的设计思想，将仪器各个功能分解一个个相对独立又相互关联的模块。在集成化的产品结构中，零部件的功能与产品功能是多对多的关系，这样导致某个零部件的设计更改会影响到产品的多个功能，也就会导致不确定范围的零部件的修改，同样为了实现产品的某项功能改善，也会导致很多零部件的修改。而在模块化的产品结构中，零部件的功能与产品功能是一对一的关系，这样对于零部件的更改和产品功能的改善不会造成其他零部件和功能的调整，也就是将产品的功能抽象与产品零部件的具体实现分离，模块自身的单独改变不会影响其他模块。这样的设计可以充分利用已有的成熟经验，模块和知识的重用可以大大降低设计成本，缩短了研发周期，保证了产品功能的顺利实现和可靠性。

本实用新型的缓启动电路由一个大功率充电电阻和大电流交流接触器构成，其中充电电阻并联在接触器常开触点的两端。仪器上电后，首先经过充电电阻，对后端的整流电路限流充电，经过一段时间后，后端的整流电路直流电压接近充满，由中央处理单元发出指令，控制接触器闭合，充电电阻退出工作。缓启动电路的目的是为了避免上电时大电流，避免对供电电源和仪器内部元件的冲击。整理滤波单元有整流桥和大容量的电解电容构成，将交流电源整流滤波成平滑的直流。后端的逆变单元核心为IGBT或IPM模块，由CPU控制，将整流逆变为电压和频率可控的变频交流信号。后端加上滤波电路，将输出变为光滑的变频正弦波信号，然后经过变压器隔离输出的变频输出端子。

电压采样及负反馈单元由电压测量端子，量程自动切换电路，隔离放大电路和AD转化模块组成，变频输出端子的电压信号接到电压测量端子进入量程切换电路，电压自动量程切换电路由多个不同阻值的电阻串联而成，在不同的位置分出数个量程，分别对应2V，20V，200V，800V量程，或其它电压量程档位。量程切换电路输出接到隔离放大电路，隔离放大电路输出经AD转化后成为数字信号，送到中央处理单元，由中央处理单元进行分析处理。

电流采样及过流保护单元由电流互感器，量程自动切换电路，隔离放大电路和AD转化模块组成，电流互感器获得的电流信号进入量程切换电路，量程切换由多个不同阻值的电阻串联而成，在不同的位置分出4个量程，分别对应200mA，2A，20A，200A量程，或其它电压量程档位。量程切换电路接到隔离放大电路，隔离放大电路输出经AD转化后成为数字信号，送到中央处理单元，由中央处理单元进行分析处理。

上述的中央处理单元一般是一种具有特殊结构的微处理器，内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊指令，可以用来快速地实现各种信号处理算法。根据数字信号处理的要求，CPU一般具有如下的一些主要特点：(1)在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。(2)程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。(3)片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。(4)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。(5)快速的中断处理和硬件I/O支持。(6)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。(7)可以并行执行多个操作。(8)支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种地网测量专用的大功率变频信号源，包括电源输入端子、缓启动电路、整流滤波单元、逆变单元、隔离变压器、驱动及保护单元、电流采样及过流保护单元、电压采样及负反馈单元、输出电压调节单元、输出频率调节单元、中央处理单元、参数显示单元、数据存储单元、报警及复位单元、变频输出端子，其特征在于， 

电源输入端子经过缓启动电路后连到整流滤波单元，整流滤波单元输出连到逆变单元，逆变单元输出连到隔离变压器，隔离变压器输出连到变频输出端子，逆变单元同时连着驱动及保护单元； 

电流互感器穿在变频输出端子之前，电流互感器的输出连到电流采样及过流保护单元，电流采样及过流保护单元的输出分别连到中央处理单元、驱动及保护单元，电压采样及负反馈单元的输入连到变频输出端子，输出连到中央处理单元； 

中央处理单元还连着输出电压调节单元、输出频率调节单元、参数显示单元、驱动及保护单元、数据存储单元； 

驱动及保护单元还连着报警及复位单元。 

2.如权利要求1所述地网测量专用的大功率变频信号源，其特征在于，该变频信号源的逆变单元采用IGBT或IPM模块。 

3.如权利要求1所述地网测量专用的大功率变频信号源，其特征在于，该变频信号源输出为40-70Hz纯正正弦波，波形畸变率小于2％。 

4.如权利要求1所述地网测量专用的大功率变频信号源，其特征在于，该变频信号源含报警及复位单元，当发生过流，过压、过热故障时，报警及复位单元会发出声光报警，同时在排除故障后可复位恢复输出。 

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