電力系統(tǒng)用單相逆變電源的研制

電力系統(tǒng)用單相逆變電源的研制

DevelopmentofSingle－phaseInverse－changePowerSupply(PS)

AppliedtoPowerSystem

摘要：

按照電力系統(tǒng)的使用要求，研制正弦波逆變電源，對(duì)電源總體方案、主回路、控制電路進(jìn)行了詳細(xì)討論，試驗(yàn)及應(yīng)用結(jié)果表明，該電源性能優(yōu)良，完全滿足使用要求。

關(guān)鍵詞：電力逆變電源

Abstract:AccordingtoservicerequirementsofPowersystem,developedsine－waveinverse－changePS,is

discussedindetailoverallscheme,mainreturncircuit,controlcircuitbythepaper.Resultsfrom

testandapplicationindieated,thatthePSwasgoodperformance,fullysatisfiedwithservicerequirements.

Keywords:PowerInverse－changeSP

1引言

隨著國內(nèi)電力工業(yè)的不斷發(fā)展，發(fā)電廠、變電站在故障情況下要求不間斷電源供電的交流負(fù)荷越來越多，對(duì)交流供電質(zhì)量的要求也越來越高，傳統(tǒng)的方波逆變器已不能滿足應(yīng)用要求，而UPS由于造價(jià)太高，全部采用也有困難。因此，研制一種滿足電力系統(tǒng)使用要求的專用逆變電源，具有極大的實(shí)用價(jià)值。

本電源研制以電力系統(tǒng)使用為出發(fā)點(diǎn)，參照國標(biāo)《7260－87不間斷電源設(shè)備》的技術(shù)條件，從輸出性能方面按UPS要求設(shè)計(jì)；從系統(tǒng)成套方面，考慮與電力直流系統(tǒng)配套，并且適應(yīng)中央信號(hào)監(jiān)控的需要。采用IGBT高頻逆變，數(shù)字分頻、鎖相、波形瞬時(shí)饋值等新技術(shù)，試驗(yàn)及應(yīng)用結(jié)果表明，完全滿足設(shè)計(jì)及使用要求。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1電源系統(tǒng)方案

電源具有直流和交流兩路輸入，直流輸入為電力系統(tǒng)直流母線，交流輸入為工頻交流市電。交流市電處于正常狀態(tài)時(shí)，經(jīng)整流器整流濾波為直流，再經(jīng)逆變器變換為穩(wěn)頻穩(wěn)壓的交流向負(fù)載供電。當(dāng)市電或整流器發(fā)生故障時(shí)，直流直接經(jīng)逆變器變換為穩(wěn)頻穩(wěn)壓交流向負(fù)載供電。輸入直流電與交流市電整流后的直流電通過二極管隔離。采用此方案不但使交流市電得到穩(wěn)壓凈化，而且在交流停電時(shí)，交直流供電轉(zhuǎn)換沒有延遲，從而使供電質(zhì)量大為提高。

2.2主電路

本電源采用交—直—交靜止逆變方案，其主電路包括整流器、直流濾波器、逆變器、交流濾波及變壓器等，如圖2所示。其中，交—直部分采用橋式整流，再經(jīng)電解電容濾波，得到平穩(wěn)直流。電源開機(jī)時(shí)，整流器經(jīng)起動(dòng)電阻對(duì)電解電容充電，可減小起動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。起動(dòng)完畢后，電阻被接觸器短接。直流輸入接于起動(dòng)電路之前，也可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。為使直流系統(tǒng)與其它電氣回路隔離，本電源交流輸入經(jīng)過變壓器隔電力系統(tǒng)用單相逆變電源的研制。輸入變壓器變比的選擇應(yīng)保證當(dāng)交流市電欠壓時(shí)，整流器輸出直流電壓仍比直流系統(tǒng)電壓高，從而保證交流正常時(shí)，直流系統(tǒng)不向負(fù)載放電。

直—交逆變部分采用單相全橋結(jié)構(gòu)，是本電源的核心。逆變器選用IGBT作為開關(guān)元件。利用IGBT開關(guān)頻率較高的優(yōu)點(diǎn)，采用雙極性正弦波脈寬調(diào)制方式(SPWM)對(duì)逆變器進(jìn)行控制，將平穩(wěn)直流變換為脈寬調(diào)制輸出的交流，該交流基波頻率為所需要的電源輸出頻率。逆變器輸出的脈寬調(diào)制波經(jīng)輸出LC濾波電路濾波，變壓器變壓隔離后，輸出所要求的正弦波交流電。

為提高電磁兼容性能，在電源的輸入和輸出端均接有抗干擾濾波器。

2.3IGBT的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路

本電源逆變橋IGBT的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路制成一塊線路板，與逆變橋一起組成逆變單元模塊。

M57959是IGBT模塊的專用驅(qū)動(dòng)電路，最大可驅(qū)動(dòng)400A/600V的元件。該電路內(nèi)部具有快速光耦隔離，適合20kHz左右的高頻開關(guān)運(yùn)行，并且具有過流保護(hù)功能。驅(qū)動(dòng)電路采用＋15V/－10V雙電源供電，以提高抗干擾能力。

驅(qū)動(dòng)電路前級(jí)為PWM信號(hào)處理電路，它將控制電路傳送來的單路PWM信號(hào)經(jīng)電壓比較器整形反相后，變?yōu)閮陕坊ゲ?80°的信號(hào)，作為上下橋臂IGBT元件的控制信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過死區(qū)電路，其上升沿被延時(shí)3～4μs，以保證上下橋臂導(dǎo)通具有不小于3μs的死區(qū)，然后才被送至驅(qū)動(dòng)電路。

本電源驅(qū)動(dòng)板設(shè)有IGBT過流、功率器件過熱、直流母線欠壓三種保護(hù)。IGBT過流保護(hù)，由M57959內(nèi)部保護(hù)電路，通過檢測(cè)IGBT的導(dǎo)通飽和壓降完成，過流保護(hù)閾值通過在檢測(cè)回路串接穩(wěn)壓管來調(diào)整。單相橋電路四只IGBT元件的四路保護(hù)信號(hào)，經(jīng)過與非門，變?yōu)橐宦犯唠娖焦收闲盘?hào)，送至故障邏輯電路。功率器件過熱保護(hù)通過在散熱器上安裝溫度繼電器，過熱時(shí)給出斷開接點(diǎn)完成，溫度繼電器動(dòng)作值為75℃。直流母線欠壓保護(hù)電路當(dāng)電壓正常時(shí)，檢測(cè)回路穩(wěn)壓管被擊穿開通，從而使與之串聯(lián)的光耦導(dǎo)通，副邊輸出低電平；當(dāng)電壓過低時(shí)，檢測(cè)回路穩(wěn)壓管阻斷，從而使串聯(lián)的光耦關(guān)斷，副邊輸出故障高電平；保護(hù)閾值由穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值決定。

驅(qū)動(dòng)板上的故障邏輯電路先將過流、欠壓信號(hào)通過D觸發(fā)器鎖存，然后將鎖存后的信號(hào)與過熱信號(hào)一起通過門電路綜合后，封鎖送至驅(qū)動(dòng)模塊的PWM脈沖，完成保護(hù)。同時(shí)，綜合后的故障信號(hào)與過流、欠壓、過熱信號(hào)被送至控制電路，以完成電源系統(tǒng)監(jiān)控。

2.4控制電路

該電路以一片16位單片機(jī)80C196和波形控制模塊為核心組成，如圖4所示。其中CPU完成模擬量檢測(cè)，輸出電壓有效值控制，故障檢測(cè)及診斷，與液晶面板進(jìn)行串行通訊，讀取設(shè)定參數(shù)，交換運(yùn)行參數(shù)和故障信息等功能。波形控制電路完成頻率控制，輸出電壓的波形控制等功能。主要控制環(huán)節(jié)原理如下：

(1)標(biāo)準(zhǔn)波形產(chǎn)生本電源標(biāo)準(zhǔn)正弦波產(chǎn)生采用

數(shù)尋址查表方式，標(biāo)準(zhǔn)正弦數(shù)據(jù)存于EPROM中，按輸出頻率時(shí)序選通EPROM，再通過D/A轉(zhuǎn)換器將EPROM輸出的正弦數(shù)字量變?yōu)槟M量。該模擬量為正極性，經(jīng)過運(yùn)放電路對(duì)稱下移，電容隔直后，輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)正弦數(shù)據(jù)一周波存儲(chǔ)量為1k字節(jié)。(2)電壓控制電壓控制采用閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，由80C196的控制軟件完成。檢測(cè)電路送來的交流輸出電壓信號(hào)，經(jīng)過幅值調(diào)整、絕對(duì)值變換后送至80C196的A/D輸入口，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字量，再經(jīng)有效值運(yùn)算成為有效值數(shù)字反饋量。液晶面板送來的數(shù)字給定與數(shù)字反饋比較，其偏差進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換變?yōu)槟M量，送到標(biāo)準(zhǔn)正弦產(chǎn)生電路，作為波形D/A轉(zhuǎn)換器的參考電平，從而改變標(biāo)準(zhǔn)正弦波幅值，使輸出電壓的有效值維持恒定，實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓。

(3)波形控制波形控制針對(duì)相電壓輸出，采用帶電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方案，如圖5所示。在由兩個(gè)控制環(huán)構(gòu)成的電壓波形控制系統(tǒng)中，電流環(huán)是內(nèi)環(huán)，該環(huán)的受控對(duì)象是濾波電容的電流IC，控制的目的是使濾波電容上的電流能快速準(zhǔn)確地跟蹤電流指令，電流環(huán)可改造被它包圍的受控對(duì)象，克服直流電壓波動(dòng)△Ud，負(fù)載電流IL等系統(tǒng)的擾動(dòng)對(duì)輸出電壓的影響，從而提高控制系統(tǒng)的快速性，改善輸出電壓波形品質(zhì)；電壓波形控制環(huán)位于電流環(huán)之外，該環(huán)對(duì)輸出電壓的瞬時(shí)值進(jìn)行控制，使輸出電壓跟蹤輸入的標(biāo)準(zhǔn)正弦波。波形控制采用瞬時(shí)值反饋，輸出電壓、濾波電容電流由檢測(cè)電路檢出整形后，直接送入波形環(huán)，與標(biāo)準(zhǔn)正弦波比較，經(jīng)雙環(huán)調(diào)節(jié)后產(chǎn)生PWM控制脈沖。濾形控制電路已制成厚膜模塊。

本電源鍵盤顯示電路以一片內(nèi)帶存儲(chǔ)器的單片機(jī)89C51和實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS12887為核心組成，完成運(yùn)行參數(shù)顯示設(shè)定，故障信息顯示查詢，與主控電路CPU—80C196進(jìn)行串行通訊交換信息，電源起/停控制，時(shí)鐘管理等功能。操作顯示界面采用20×2字符型液晶屏和6位觸摸按鍵，并設(shè)有“電源”、“運(yùn)行”、“故障”指示燈。

接口電路考慮到電力系統(tǒng)信號(hào)監(jiān)控的要求，將所有運(yùn)行故障狀態(tài)均通過發(fā)光二極管予以顯示，同時(shí)變成接點(diǎn)信號(hào)輸出。接點(diǎn)信號(hào)為常開，分為二組，同組內(nèi)有公共端點(diǎn)，組間彼此電氣獨(dú)立。

2.5檢測(cè)電路

本系統(tǒng)檢測(cè)電路包括輸出電壓檢測(cè)、輸出電流檢測(cè)、濾波電容電流檢測(cè)三部分。為提高波形環(huán)的控制速度，保證電源品質(zhì)，與波形環(huán)有關(guān)的檢測(cè)元件采用磁平衡式HL傳感器。所有檢測(cè)信號(hào)與主控電路均作電氣隔離。

2.6控制與驅(qū)動(dòng)電源

本系統(tǒng)控制與驅(qū)動(dòng)電源采用開關(guān)電源。開關(guān)電源輸入掛在逆變直流母線上，輸出共6組，其中3組＋25V電氣上相互獨(dú)立，供給驅(qū)動(dòng)電路，另3組±15V，＋5V共地，供給控制電路和保護(hù)電路。

3技術(shù)性能與應(yīng)用結(jié)果

按前述原理設(shè)計(jì)的逆變電源，由生產(chǎn)廠家和電力部門用戶共同進(jìn)行了完整的性能測(cè)試，并在變電站投入使用運(yùn)行。其主要技術(shù)性能如下：

(1)交流輸入AC220V±15％，50Hz±5％

(2)直流輸入

正常工作電壓范圍DC187～264V

極限工作電壓范圍DC170～276V

(3)系統(tǒng)輸出

額定頻率：50Hz

額定電壓：220V

電壓穩(wěn)定精度：±2％

頻率穩(wěn)定精度：±0.1％

頻率變化率：0.1Hz/s

總諧波含量：<5％(阻性負(fù)載測(cè)試)

動(dòng)態(tài)電壓：

超調(diào)<8％(負(fù)載0～100％變化時(shí))

穩(wěn)定時(shí)間<0.1s

(4)過載能力：120％10分鐘

150％10秒

(5)效率：總效率>80％，(在滿載和COS?=0.8情況下)

(6)保護(hù)：輸入過欠壓報(bào)