變頻串聯(lián)諧振變頻電源技術(shù)方案解析

一、技術(shù)背景

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

交流耐壓試驗(yàn)電源主要有以下三種方式產(chǎn)生:

1 變壓器式：帶彌補(bǔ)電抗器的激進(jìn)試驗(yàn)變壓器，工頻。

2 調(diào)感式：可調(diào)電感式諧振系統(tǒng)，工頻。

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

諧振耐壓試驗(yàn)方法是通過改變試驗(yàn)系統(tǒng)的電感量和試驗(yàn)頻率，使回路處于諧振狀態(tài)，這樣試驗(yàn)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(yàn)電源的容量在降低，重量大大減輕。諧振耐壓試驗(yàn)系統(tǒng)按調(diào)節(jié)方式分為調(diào)感式和調(diào)頻式兩種。

可調(diào)電感型諧振試驗(yàn)系統(tǒng)可以滿足耐壓要求，但由于重量大，可移動(dòng)性差，主要用于試驗(yàn)室。變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)是利用電抗器的電感與被試品電容實(shí)現(xiàn)諧振，被試品上獲得高電壓，當(dāng)前高電壓試驗(yàn)的一種新的方法與潮流，國內(nèi)外已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)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(duì)被試品的誤擊穿。變頻串聯(lián)諧振工作在諧振狀態(tài)，當(dāng)被試品的絕緣點(diǎn)被擊穿時(shí)，電流立即脫諧，回路電流迅速下降為正常試驗(yàn)電流的數(shù)十分之一。發(fā)生閃絡(luò)擊穿時(shí)，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(fù)電壓的再建立過程很長，很容易在再次達(dá)到閃絡(luò)電壓斷開電源，所以適用于高電壓、大容量的電力設(shè)備的絕緣耐壓試驗(yàn)。

二、國內(nèi)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前國內(nèi)串聯(lián)諧振變頻電源主要采用以下三種技術(shù)方案：

1.PWM控制技術(shù)

調(diào)頻調(diào)壓控制技術(shù)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(guān)元件IGBTIGCTMOSFET等出現(xiàn)，才逐漸發(fā)展為PWM方法。由于調(diào)節(jié)PWM波占空比就能調(diào)節(jié)電壓幅值，所對(duì)逆變環(huán)節(jié)可同時(shí)完成調(diào)壓與調(diào)頻任務(wù)，整流器無需控制，設(shè)備構(gòu)造更簡單，控制更方便。基于該技術(shù)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(shù)

采用該方案頻率分辨率可達(dá)到0.01Hz頻率穩(wěn)定度高，很容易對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字式調(diào)制。其控制框圖和實(shí)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(diào)（幅值也可調(diào)）規(guī)范正弦波信號(hào)，經(jīng)過*級(jí)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(hào)zui終達(dá)到所需要的設(shè)計(jì)功率，輸出電壓連續(xù)可調(diào)。此時(shí)正弦波信號(hào)經(jīng)勵(lì)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(hào)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(shí)，溫升較快，三極管的放大倍數(shù)增加，會(huì)導(dǎo)致輸出電壓漂移，并且電路復(fù)雜、不易維護(hù)。

3.基于SPWM控制技術(shù)

采用SPWM技術(shù)的新型調(diào)頻式諧振試驗(yàn)電源由大功率開關(guān)器件IGBT組成的電路來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬信號(hào)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(jié)構(gòu)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(jī)接口鍵盤、液晶組成。T為中間勵(lì)磁升壓變壓器，RL為試驗(yàn)回路諧振電感的等效內(nèi)阻，C為試驗(yàn)回路等效電容，包括被試品電容及試驗(yàn)回路諧振電容。整個(gè)試驗(yàn)電源輸出電壓的調(diào)節(jié)通過控制三相PWM整流電路輸出側(cè)電容電壓大小來實(shí)現(xiàn)；當(dāng)C3上電壓穩(wěn)定在設(shè)定值以后,系統(tǒng)開始頻率調(diào)節(jié),通過控制逆變電路開關(guān)器件IGBT通斷頻率來實(shí)現(xiàn)，輸出濾波器濾除系統(tǒng)輸出信號(hào)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(jìn)模擬方式稍差，輸出在低電壓下諧波含量較激進(jìn)方式大，但電路較為簡單，容易維護(hù)，但控制較為復(fù)雜。

三、結(jié)論

1.可同時(shí)用于局放和交流耐壓試驗(yàn)的串聯(lián)諧振電源所采用的技術(shù)方案以傳統(tǒng)模擬方式（逐級(jí)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(hào)引起的局部放電干擾≤5pc但電路較為復(fù)雜、不易維護(hù)，利息較高；

2.用于交流耐壓試驗(yàn)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(jìn)方式差，干擾引起的局放較大，只適合于交流耐壓試驗(yàn)（限于手上資料的限制，沒發(fā)現(xiàn)有應(yīng)用于局放試驗(yàn)的該技術(shù)方案控制較為復(fù)雜，但其硬件較激進(jìn)方式簡單，利息較低，體積和重量較小，易于維護(hù)。

3.PWM控制方式可滿足交流耐壓試驗(yàn)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(shí)波形較差，實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，利息也較低。