大功率低局放量變頻電源設計

亢銀柱++王天正++俞華++李艷鵬

摘 要：隨著我國高壓電網，特別是特高壓電網布局的不斷完善，對這些電網監測的重要性也日益凸顯出來。該文提出了一種大功率低局放量變頻電源設計方案，應用于高壓電網的監控電氣設備中，首先介紹了變頻電源在初級放大、前級放大和后級放大回路的設計方案，提出了低局放量變頻電源保護回路的分析和設計思路并完成了相關設計工作。試驗結果顯示，該文設計的大功率低局放量放大變頻電源可實現正弦波信號保真度和抗干擾能力強，電源頻率及輸出電壓可調節的功能，可以滿足試驗需要。

關鍵詞：大功率 低局放量 變頻電源

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（c）-0104-02

目前，國家高壓電力系統正在快速發展階段，電力負荷和遠距離大容量輸電需求也在大幅度增加，越來越多的高壓電氣設備應用在電力系統中，為了監測這些設備的絕緣運行狀況，確保電力系統的平穩性和安全性，很有必要對其進行高壓試驗[1-3]。該文提出了一種大功率低局放量變頻電源試驗裝置并應用在電力系統監控系統中，介紹了此裝置的技術研究和實際應用。變頻電源主要采用電力電子技術來實現并能夠進行微機測量與控制。回路中主要采用可變頻標準正弦波信號，通過逐級放大，實現大功率輸出，最大可達450 kW，最終輸出的波形失真度小，滿足系統需求。

1 試驗裝置設計原理

1.1 回路分析

變頻電源本質上是一個功率放大器，可將微弱的正弦波信號放大使功率達到數千瓦[4]。該文大功率低局放變頻電源的回路流程圖如圖1所示，整個放大器分為三級：初級放大、前級放大和后級放大。該回路中整個功率輸出均由三極管完成，每個部件放大功率逐級抬高[5]。

為實現波形失真小，效率高，變頻電源設計中放大回路采取對稱放大的電路設計，回路元器件采用大量大功率三極管并聯從而構成達林頓回路，保證回路中電流的平分避免電路高負荷運行出現故障[6]。

1.2 初級放大回路的分析與設計

為實現初級放大且降低放大回路引起的信號失真，該文采用TDA2030作為主要器件。經過TDA2030輸出給前級放大回路，完成此次放大。其輸出信號經過升壓推動變壓器，可升高電壓幅值，將初始信號轉化為電壓較高的信號，為防止輸出波形失真，保證信號損耗小且不增加額外干擾，該設計提出在電路中增加負反饋模塊，即在輸出端加一個變壓器，當出現信號波形出現畸變，反饋變壓器可對其進行信號補償。負反饋回路流程圖如圖2所示。

該設計中采用電壓串聯負反饋，反饋的基本器件為多繞組變壓器，采用多層屏蔽技術。在電路的工作過程中可實現放大器的功能，可提高原始邊的電壓，從而達到推動和反饋的功效。

1.3 前級和后級放大回路的分析與設計

前級放大回路由大功率三極管組成一個對稱放大回路，在某一周期中，當處于電壓的正半波時，放大回路中相對的兩個臂開始工作，負半波另外兩只臂工作，電壓輸出時兩個半波合成一個周期，剛好為一個完整的正弦波，至此完成了一次放大過程，推動變壓器的極性控制三極管的工作[7]。主回路的電源由交流380 V輸入，通過整流硅堆，經過濾波電抗器和濾波電容器，輸出直流，電壓為540 V，為輸入電壓的1.414倍[8]。此外，該文在前級放大回路中添加了預合閘模塊，能有效防止跳閘的發生。

2 低局放量變頻電源保護回路分析與設計

該文提出的試驗裝置中采用了回路直接保護模塊來解決裝置結構響應速度不夠的缺陷，由于電子元件處于工作狀態時，容易發生短路、過壓等問題，該文提出來利用快速晶閘管的快速關斷特性來實現大電流的通斷功能。晶閘管在回路中相當于可控的單相導電開關。無論短路還是導通均可承受來自電路的負荷。該文試驗裝置中變頻電源內的快速晶閘管采用Q602，其主要特性參數如下：通態平均電流Ira=1 000 A，斷態重復峰值電壓Udrm=1 100 V，斷態臨界電壓上升率du/dt=800，通態電流上升率di/dt=550，門極觸發電流Igr≤350 mA，門極觸發電壓≤3 V。當電路出現故障時，回路中三極管仍處于放大狀態，可能導致元器件壽命短或者直接損壞[9]，所以僅通過電源得斷開并不能排除所有故障，因此該文還提出一種采用切斷初始信號源的方式來實現變頻電源輔助回路的保護。

3 變頻電源低局放量控制措施及現場測試

變頻電源中的元器件處于工作狀態時，尤其在二極管導通的瞬間，回路會突然產生一個高頻信號，而這些高頻信號會對現場測量局部放電工作帶來很大的影響。這種干擾與變頻電源的內部結構以及電路設計過程中采用的元器件有關，且在于輸出的每個環節中。因此降低這些干擾至不影響變頻電源正常使用是亟待解決的問題之一。

該文提出了一種抗干擾措施，可將二極管導通時產生的高頻信號濾掉，即在后級放大回路中的電源整流硅堆上并聯高壓高頻電容。既可濾除來自電源的干擾又可降低各放大回路的擾動影響。經現場試驗顯示，在一定范圍，并聯電容越大，濾除干擾能力越強。但當電容量達到一定時，將增加變頻電源的輸出功率，影響試驗結果。

此外，為解決多臺450 kW大功率低局放變頻電源的并聯輸出倍數功率使用，進行2臺450 kW低局放變頻電源并機輸出2倍功率900 kW負載試驗，試驗取得圓滿成功，滿負載連續運行24 h。

4 結論

該文提出了一種大功率低局放量變頻電源的設計方案，并且試驗取得圓滿成功，主要工作總結如下。

（1）變頻電源的放大回路采取了對稱放大的方法從而達到波形失真很小、輸出效率高的目的。

（2）該設計在初級放大回路的輸出端加上變壓器來實現電路的負反饋功能，當出現信號波形畸變，反饋變壓器可進行補償，保證輸出波形不失真的同時使信號損耗小且不增加額外干擾項。

（3）該文在低局放量變頻電源保護回路設計中，變頻電源利用回路直接保護以解決機械傳動造成的動作慢的問題，利用快速晶閘管來實現大電流的關斷，避免電子元器件在工作中易發生故障，采取切斷信號源方法來實現變頻電源輔助回路的保護。

（4）為解決二極管導通時對測量帶來的干擾問題，該文提出在后級放大回路的電源整流硅堆上并聯高壓高頻電容，從而排除二極管導通產生高頻信號的干擾。

該文設計在回路中上千只三極管同時放大的工作狀況下，器件的自身損耗很大，因此會產生較高的熱量，所以器件的散熱問題需要考慮的問題之一。

參考文獻

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