大功率低局放量变频电源设计

2017-08-24亢银柱王天正俞华李艳鹏

科技创新导报 2017年15期

亢银柱++王天正++俞华++李艳鹏

摘要：随着我国高压电网，特别是特高压电网布局的不断完善，对这些电网监测的重要性也日益凸显出来。该文提出了一种大功率低局放量变频电源设计方案，应用于高压电网的监控电气设备中，首先介绍了变频电源在初级放大、前级放大和后级放大回路的设计方案，提出了低局放量变频电源保护回路的分析和设计思路并完成了相关设计工作。试验结果显示，该文设计的大功率低局放量放大变频电源可实现正弦波信号保真度和抗干扰能力强，电源频率及输出电压可调节的功能，可以满足试验需要。

关键词：大功率低局放量变频电源

中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）05（c）-0104-02

目前，国家高压电力系统正在快速发展阶段，电力负荷和远距离大容量输电需求也在大幅度增加，越來越多的高压电气设备应用在电力系统中，为了监测这些设备的绝缘运行状况，确保电力系统的平稳性和安全性，很有必要对其进行高压试验[1-3]。该文提出了一种大功率低局放量变频电源试验装置并应用在电力系统监控系统中，介绍了此装置的技术研究和实际应用。变频电源主要采用电力电子技术来实现并能够进行微机测量与控制。回路中主要采用可变频标准正弦波信号，通过逐级放大，实现大功率输出，最大可达450 kW，最终输出的波形失真度小，满足系统需求。

1 试验装置设计原理

1.1 回路分析

变频电源本质上是一个功率放大器，可将微弱的正弦波信号放大使功率达到数千瓦[4]。该文大功率低局放变频电源的回路流程图如图1所示，整个放大器分为三级：初级放大、前级放大和后级放大。该回路中整个功率输出均由三极管完成，每个部件放大功率逐级抬高[5]。

为实现波形失真小，效率高，变频电源设计中放大回路采取对称放大的电路设计，回路元器件采用大量大功率三极管并联从而构成达林顿回路，保证回路中电流的平分避免电路高负荷运行出现故障[6]。

1.2 初级放大回路的分析与设计

为实现初级放大且降低放大回路引起的信号失真，该文采用TDA2030作为主要器件。经过TDA2030输出给前级放大回路，完成此次放大。其输出信号经过升压推动变压器，可升高电压幅值，将初始信号转化为电压较高的信号，为防止输出波形失真，保证信号损耗小且不增加额外干扰，该设计提出在电路中增加负反馈模块，即在输出端加一个变压器，当出现信号波形出现畸变，反馈变压器可对其进行信号补偿。负反馈回路流程图如图2所示。

该设计中采用电压串联负反馈，反馈的基本器件为多绕组变压器，采用多层屏蔽技术。在电路的工作过程中可实现放大器的功能，可提高原始边的电压，从而达到推动和反馈的功效。

1.3 前级和后级放大回路的分析与设计

前级放大回路由大功率三极管组成一个对称放大回路，在某一周期中，当处于电压的正半波时，放大回路中相对的两个臂开始工作，负半波另外两只臂工作，电压输出时两个半波合成一个周期，刚好为一个完整的正弦波，至此完成了一次放大过程，推动变压器的极性控制三极管的工作[7]。主回路的电源由交流380 V输入，通过整流硅堆，经过滤波电抗器和滤波电容器，输出直流，电压为540 V，为输入电压的1.414倍[8]。此外，该文在前级放大回路中添加了预合闸模块，能有效防止跳闸的发生。

2 低局放量变频电源保护回路分析与设计

该文提出的试验装置中采用了回路直接保护模块来解决装置结构响应速度不够的缺陷，由于电子元件处于工作状态时，容易发生短路、过压等问题，该文提出来利用快速晶闸管的快速关断特性来实现大电流的通断功能。晶闸管在回路中相当于可控的单相导电开关。无论短路还是导通均可承受来自电路的负荷。该文试验装置中变频电源内的快速晶闸管采用Q602，其主要特性参数如下：通态平均电流Ira=1 000 A，断态重复峰值电压Udrm=1 100 V，断态临界电压上升率du/dt=800，通态电流上升率di/dt=550，门极触发电流Igr≤350 mA，门极触发电压≤3 V。当电路出现故障时，回路中三极管仍处于放大状态，可能导致元器件寿命短或者直接损坏[9]，所以仅通过电源得断开并不能排除所有故障，因此该文还提出一种采用切断初始信号源的方式来实现变频电源辅助回路的保护。

3 变频电源低局放量控制措施及现场测试

变频电源中的元器件处于工作状态时，尤其在二极管导通的瞬间，回路会突然产生一个高频信号，而这些高频信号会对现场测量局部放电工作带来很大的影响。这种干扰与变频电源的内部结构以及电路设计过程中采用的元器件有关，且在于输出的每个环节中。因此降低这些干扰至不影响变频电源正常使用是亟待解决的问题之一。

该文提出了一种抗干扰措施，可将二极管导通时产生的高频信号滤掉，即在后级放大回路中的电源整流硅堆上并联高压高频电容。既可滤除来自电源的干扰又可降低各放大回路的扰动影响。经现场试验显示，在一定范围，并联电容越大，滤除干扰能力越强。但当电容量达到一定时，将增加变频电源的输出功率，影响试验结果。

此外，为解决多台450 kW大功率低局放变频电源的并联输出倍数功率使用，进行2台450 kW低局放变频电源并机输出2倍功率900 kW负载试验，试验取得圆满成功，满负载连续运行24 h。

4 结论

该文提出了一种大功率低局放量变频电源的设计方案，并且试验取得圆满成功，主要工作总结如下。

（1）变频电源的放大回路采取了对称放大的方法从而达到波形失真很小、输出效率高的目的。

（2）该设计在初级放大回路的输出端加上变压器来实现电路的负反馈功能，当出现信号波形畸变，反馈变压器可进行补偿，保证输出波形不失真的同时使信号损耗小且不增加额外干扰项。

（3）该文在低局放量变频电源保护回路设计中，变频电源利用回路直接保护以解决机械传动造成的动作慢的问题，利用快速晶闸管来实现大电流的关断，避免电子元器件在工作中易发生故障，采取切断信号源方法来实现变频电源辅助回路的保护。

（4）为解决二极管导通时对测量带来的干扰问题，该文提出在后级放大回路的电源整流硅堆上并联高压高频电容，从而排除二极管导通产生高频信号的干扰。

该文设计在回路中上千只三极管同时放大的工作状况下，器件的自身损耗很大，因此会产生较高的热量，所以器件的散热问题需要考虑的问题之一。

参考文献