串联谐振变频电源浅析

技术背景随着电力事业的不断发展，变压器、发电机、断路器、GIS、110kV及220kV交联聚乙烯电缆等高压电力设备的应用越来越广泛。根据《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》（GB50150－91）和《电力设备预防性试验规程》（DL／T096－1996）的要求，此类高压电力设备的安装验收和年度检修中，均需进行交流耐压试验项目。交流耐压试验电源主要有以下三种方式产生:(1)变压器式：带补偿电抗器的传统试验变压器，工频。(2)调感式：可调电感式谐振系统，工频。(3)调频式：固定电抗器谐振系统，通过变频器将一可调频电压加到试品上，改变频率以达到谐振。谐振耐压试验方法是通过改变试验系统的电感量和试验频率，使回路处于谐振状态，这样试验回路中试品上的大部分容性电流与电抗器上的感性电流相抵消，电源供给的能量仅为回路中消耗的用功功率，为试品容量的1/Q(Q为系统的谐振倍数)；因此试验电源的容量在降低，重量大大减轻。谐振耐压试验系统按调节方式分为调感式和调频式两种。可调电感型谐振试验系统可以满足耐压要求，但由于重量大，可移动性差，主要用于试验室。变频串联谐振耐压试验是利用电抗器的电感与被试品电容实现谐振，在被试品上获得高电压，是当前高电压试验的一种新的方法与潮流，在国内外已经得到广泛的应用。变频串联谐振是谐振式电流滤波电路，能改善电源波形畸变，获得较好的正弦电压波形，有效防止谐波峰值对被试品的误击穿。变频串联谐振工作在谐振状态，当被试品的绝缘点被击穿时，电流立即脱谐，回路电流迅速下降为正常试验电流的数十分之一。发生闪络击穿时，因失去谐振条件，除短路电流立即下降外，高电压也立即消失，电弧即可熄灭。其恢复电压的再建立过程很长，很容易在再次达到闪络电压断开电源，所以适用于高电压、大容量的电力设备的绝缘耐压试验。二、国内技术发展现状目前国内串联谐振变频电源主要采用以下三种技术方案：1.PWM控制技术方法，因此，变频电源逆变器输出交流电压波形仅仅能是方波，改变方波有效值，仅仅能通过改变方波幅值，即中间直流电压幅值来完成。随着全控型开关元件IGBT、IGCT、MOSFET等出现，才逐渐发展为PWM方法。由于调节PWM波占空比就能调节电压幅值，所对逆变环节可同时完成调压与调频任务，整流器无需控制，设备构造更简单，控制更方便。基于该技术可以在谐振电容（试品）上获得THD1%的正弦波。方波变频电源主电路如下所示。2.基于高速IC和直接数字频率合成（DDS）技术采用该方案频率分辨率可达到0.01Hz，频率稳定度高，很容易对信号实现全数字式调制。其控制框图和实现原理如下图所示。由DSP处理器控制正弦波芯片产生频率在30Hz~300Hz连续可调（幅值也可调）的标准正弦波信号，经过第一级功率放大后再经过上千只大功率三极管组成的桥式放大电路放大，正弦信号最终达到所需要的设计功率，输出电压连续可调。此时正弦波信号经励磁变压器升压供给谐振电路获取需要的高压。该方案输出的正弦波失真度较小，输出电压中高频信号引起的局部放电干扰小，但由于大功率三极管的温度特性较差，在较大功率输出时，温升较快，三极管的放大倍数增加，会导致输出电压漂移，并且电路复杂、不易维护。3.基于SPWM的控制技术采用SPWM技术的新型调频式谐振试验电源由大功率开关器件IGBT组成的电路来代替传统的模拟信号源及其功率放大电路直接产生大功率标准正弦波。系统结构图如下图所示，主要由三相PWM整流电路（或不控整流电路）、H桥逆变电路、输出滤波器、检测单元、DSP控制器及人机接口(键盘、液晶)组成。T为中间励磁升压变压器，RL为试验回路谐振电感的等效内阻，C为试验回路等效电容，包括被试品电容及试验回路谐振电容。整个试验电源输出电压的调节通过控制三相PWM整流电路输出侧电容电压大小来实现；当C3上电压稳定在设定值以后,系统开始频率调节,通过控制逆变电路开关器件IGBT的通断频率来实现，输出滤波器滤除系统输出信号的毛刺从而得到符合要求的正弦波形。该方案输出波形较传统模拟方式稍差，输出在低电压下谐波含量较传统方式大，但电路较为简单，容易维护，但控制较为复杂。三、结论1.可同时用于局放和交流耐压试验的串联谐振电源所采用的技术方案以传统模拟方式（逐级放大）最好，该方案可直接输出正弦波，且失真度较小，输出电压中高频信号引起的局部放电干扰≤5pc，但电路较为复杂、不易维护，成本较高；方式，其输出波形较传统方式差，干扰引起的局放较大，只适合于交流耐压试验（限于手上资料的限制，没发现有应用于局放试验的），该技术方案控制较为复杂，但其硬件较传统方式简单，成本较低，体积和重量较小，易于维护。3.PWM控制方式可满足交流耐压试验的要求，其输出为方波电压，系统输出为正弦波，但在非谐振状态时波形较差，实现相对容易，成本也较低。