變頻串聯(lián)諧振變頻電源技術方案解析

一、技術背景

隨著電力事業(yè)的不時發(fā)展，變壓器、發(fā)電機、斷路器、GIS110kV及220kV交聯(lián)聚乙烯電纜等高壓電力設備的應用越來越廣泛。根據(jù)《電氣裝置裝置工程電氣設備交接試驗規(guī)范》GB5015091和《電力設備預防性試驗規(guī)程》DLT0961996要求，此類高壓電力設備的裝置驗收和年度檢修中，均需進行交流耐壓試驗項目

交流耐壓試驗電源主要有以下三種方式產(chǎn)生:

1 變壓器式：帶彌補電抗器的激進試驗變壓器，工頻。

2 調感式：可調電感式諧振系統(tǒng)，工頻。

3 調頻式：固定電抗器諧振系統(tǒng)，通過變頻器將一可調頻電壓加到試品上，改變頻率以達到諧振。

諧振耐壓試驗方法是通過改變試驗系統(tǒng)的電感量和試驗頻率，使回路處于諧振狀態(tài)，這樣試驗回路中試品上的大部分容性電流與電抗器上的感性電流相抵消，電源供給的能量僅為回路中消耗的用功功率，為試品容量的1/為系統(tǒng)的諧振倍數(shù)因此試驗電源的容量在降低，重量大大減輕。諧振耐壓試驗系統(tǒng)按調節(jié)方式分為調感式和調頻式兩種。

可調電感型諧振試驗系統(tǒng)可以滿足耐壓要求，但由于重量大，可移動性差，主要用于試驗室。變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗是利用電抗器的電感與被試品電容實現(xiàn)諧振，被試品上獲得高電壓，當前高電壓試驗的一種新的方法與潮流，國內外已經(jīng)得到廣泛的應用。

變頻串聯(lián)諧振是諧振式電流濾波電路，能改善電源波形畸變，獲得較好的正弦電壓波形，有效防止諧波峰值對被試品的誤擊穿。變頻串聯(lián)諧振工作在諧振狀態(tài)，當被試品的絕緣點被擊穿時，電流立即脫諧，回路電流迅速下降為正常試驗電流的數(shù)十分之一。發(fā)生閃絡擊穿時，因失去諧振條件，除短路電流立即下降外，高電壓也立即消失，電弧即可熄滅。其恢復電壓的再建立過程很長，很容易在再次達到閃絡電壓斷開電源，所以適用于高電壓、大容量的電力設備的絕緣耐壓試驗。

二、國內技術發(fā)展現(xiàn)狀

目前國內串聯(lián)諧振變頻電源主要采用以下三種技術方案：

1.PWM控制技術

調頻調壓控制技術發(fā)展早期多使用PA M方法，因此，變頻電源逆變器輸出交流電壓波形僅僅能是方波，改變方波有效值，僅僅能通過改變方波幅值，即中間直流電壓幅值來完成。隨著全控型開關元件IGBTIGCTMOSFET等出現(xiàn)，才逐漸發(fā)展為PWM方法。由于調節(jié)PWM波占空比就能調節(jié)電壓幅值，所對逆變環(huán)節(jié)可同時完成調壓與調頻任務，整流器無需控制，設備構造更簡單，控制更方便?；谠摷夹g可以在諧振電容（試品）上獲得THD<1%正弦波。方波變頻電源主電路如下所示。

2.基于高速IC和直接數(shù)字頻率合成（DDS技術

采用該方案頻率分辨率可達到0.01Hz頻率穩(wěn)定度高，很容易對信號實現(xiàn)全數(shù)字式調制。其控制框圖和實現(xiàn)原理如下圖所示。

由DSP處置器控制正弦波芯片發(fā)生頻率在30Hz~300Hz連續(xù)可調（幅值也可調）規(guī)范正弦波信號，經(jīng)過*級功率放大后再經(jīng)過上千只大功率三極管組成的橋式放大電路放大，正弦信號zui終達到所需要的設計功率，輸出電壓連續(xù)可調。此時正弦波信號經(jīng)勵磁變壓器升壓供給諧振電路獲取需要的高壓。

該方案輸出的正弦波失真度較小，輸出電壓中高頻信號引起的局部放電干擾小，但由于大功率三極管的溫度特性較差，較大功率輸出時，溫升較快，三極管的放大倍數(shù)增加，會導致輸出電壓漂移，并且電路復雜、不易維護。

3.基于SPWM控制技術

采用SPWM技術的新型調頻式諧振試驗電源由大功率開關器件IGBT組成的電路來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬信號源及其功率放大電路直接發(fā)生大功率規(guī)范正弦波。系統(tǒng)結構圖如下圖所示，主要由三相PWM整流電路（或不控整流電路）H橋逆變電路、輸出濾波器、檢測單元、DSP控制器及人機接口鍵盤、液晶組成。T為中間勵磁升壓變壓器，RL為試驗回路諧振電感的等效內阻，C為試驗回路等效電容，包括被試品電容及試驗回路諧振電容。整個試驗電源輸出電壓的調節(jié)通過控制三相PWM整流電路輸出側電容電壓大小來實現(xiàn)；當C3上電壓穩(wěn)定在設定值以后,系統(tǒng)開始頻率調節(jié),通過控制逆變電路開關器件IGBT通斷頻率來實現(xiàn)，輸出濾波器濾除系統(tǒng)輸出信號的毛刺從而得到符合要求的正弦波形。

該方案輸出波形較激進模擬方式稍差，輸出在低電壓下諧波含量較激進方式大，但電路較為簡單，容易維護，但控制較為復雜。

三、結論

1.可同時用于局放和交流耐壓試驗的串聯(lián)諧振電源所采用的技術方案以傳統(tǒng)模擬方式（逐級放大），該方案可直接輸出正弦波，且失真度較小，輸出電壓中高頻信號引起的局部放電干擾≤5pc但電路較為復雜、不易維護，利息較高；

2.用于交流耐壓試驗的串聯(lián)諧振變頻電源普遍采用SPWM方式，其輸出波形較激進方式差，干擾引起的局放較大，只適合于交流耐壓試驗（限于手上資料的限制，沒發(fā)現(xiàn)有應用于局放試驗的該技術方案控制較為復雜，但其硬件較激進方式簡單，利息較低，體積和重量較小，易于維護。

3.PWM控制方式可滿足交流耐壓試驗的要求，其輸出為方波電壓，系統(tǒng)輸出為正弦波，但在非諧振狀態(tài)時波形較差，實現(xiàn)相對容易，利息也較低。