摘要：针对当前电力系统中现场高压测试所面临的试验电源问题,提出了一种新型的高压试验用大功率变频电源的工作原理和设计方法,并在此基础上开发了其计算机监控系统,提高了该设备在使用过程中的安全性和自动化程度。现场试验和在实际中的应用证明该设备可靠性高、安全性好、实用性强。
关键词：高压试验；变频电源；计算机监控
一：工作原理
本文所设计的变频电源采用电力电子技术实现,并能进行微机测量与控制。其工作原理是一个功率放大它将一个微弱的可变频标准正弦波信通过逐级对称放大,实现大功率输最大可达300kW,输出的波形失真度小,效率高,同时可进行输出电压的调节,能够满足高压试验需要。
1.1信号源的初级放大
信号源是一个标准的正弦波发生器,其频率连续可调(30~300Hz),有利于寻找谐振点；波形畸率<1%，且信号源的输出功率很低约为1W；电压为12V且不可调。要实现初级放大,且在放大回路引起的信号失真很低,采用TDA2030[1]运算放大器作为放大的主要器件.信号源输出的信号通过一个可调电位器,便于进行升压控制,而且控制升压过程全部在电压较低的情况下完成,非常安全。经过TDA2030的4脚输出给前级放大回路,完成放大.
1.2负反馈回路
输出的信号经过升压推动变压器,将信号的电压幅度升高,转化为电压较高的信号,此时的信号功率并未提高.同时信号在后级回路将会进行放大,必然会引起波形的失真,解决的办法:在输出端加上一个基本组成———多绕组变压器的电压串联负反馈。
1.3前级放大回路
前级放大回路是由大功率三极管组成的一个对称放大回路。推动变压器副边输出的信号经过三极管放大。推动变压器的极性控制三极管的工作.三极管工作电源有独立回路提供,其静态工作点的电压通过电阻分压取得。经过两次放大后,输出功率达到100W的信号,有利于后级的放大,同时配备适当的负反馈回路,使得输出波形畸变率降低,为后一级进一步放大作准备。
1.4主回路工作原理
主回路指整个变频电源中完成大功率输出的部分。主回路电源由交流380V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540V,为输入电压的1.414倍.本设计中整流回路采用6个硅堆,可以提高电源电压,对后级回路发挥放大效率很有益处.滤波电容的容量要求很大,可以降低电源高频干扰,有利于减小后级回路的畸变.因单个三极管很难达到大容量输出的要求,放大回路采用三极管并联运行,基极同基极相连,发射极同发射极相连,集电极同集电极相连,对外反映为一个三极管的功能,每个部分组成一个达林顿回路。
二：高压试验用大功率变频电源的计算机监控
变频电源工作时,很多部分的电压很高,直接操作不安全,影响了试验的正常进行,同时还要进行频率调节与电压调节,其中频率和电压的大小对高压测试有很大影响。实行计算机监控,一是可以使操作人员远离高压,保证人身安全;二是能够实时有效地监控设备。
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2.1采样单元
本研究采用一种交直流变送器(DHV25),再经合理的电阻分压使得副边输出的电压为5V,而信号的交直流特质没有发生变化,即输入为交流,输出也为交流;输入为直流,输出也为直流.它的内部结构有隔离电路,没有直接同原边接触,它是电流信号工作的,通过运放回路输出,当原边电流增加很多时,运算放大器达到饱和,最大输出为5V,而且原边能够承受5耐压.该结构,完全将高压隔离,提高了工作的可靠性,保护了后级电路.
2.2 A/D转换
A/D转换采用ADC0808.它是一个8信道的多路开关,逐次逼近比较型转换器,包括一个高阻抗斩波比较器,一个带有256个电阻分压器的树状开关网络,一个逻辑环节和8位逐次逼近数码寄存器;输出级有一个8位三态锁存器.8路模拟量输入IN7~IN0在多路开关的控制下,任一瞬间只有一路模拟量经相应的信道输入到A/D转换器中的比较放大器.数据输出端D7~D0可直接接入微型机的数据总线.
2.3中央处理单元
中央处理单元采用AT89C51,这样可以减小采用专用的内部存储器,有利于降低成本。程序在定时中断中进行A/D转换及数据存储,在外部中断服务中测量功率角;在串行中断中接收并执行上位机的命令。
2.4 D/A转换回路
D/A转换回路采用可编程序的并行I/O接口芯片8255,转换后的信号通过光隔TLP521-4,将后续回路隔开,然后经过芯片741放大.中央处理单元与接口芯片8255直接接口。
2.5 “看门狗”电路
为提高系统的稳定性,增强抗干扰能力，我们一般采用 “看门狗”电路,它具有以下主要特点:
第一,在中央处理单元失控状态下可以停止和重新启动微处理器;
第二,微处理器掉电或电源电压瞬变时可以自动复位微处理器;
第三,性能可靠,电源监控精确
2.6同上位机通过串行接口通讯
中央处理单元通过串行口实现同上位机的通讯,MCS-51单片机[5]内部的串行接口是全双工的,能够同时发送和接受资料。本设计中采用的通讯器件DS1232来完成,将信号发送给上位机处理。
2.7上位机显示及处理
上位机显示通过一个串行口同下位机实现通讯,将下位机处理的数据给上位机。真正实现计算机监控,这些操作都是通过微机接口来完成的。上位机的接口在VB6.0平台上编辑,全中文菜单,便于操作。
2.8计算机监控部分的抗干扰处理
由于本系统涉及的元器件数量和种类多,为了保证监控系统与放大回路能够长期稳定可靠地工作,在系统设计时,抗干扰措施必不可少.一是对于低频电路采用同一点接地,降低接触电阻,将外界产生的干扰减小。二是金属外壳屏蔽,将外界耦合的电磁噪音信号削弱,金属外壳同工作地保持绝缘,防止相互干扰;同电力电网的地保持良好接触,使噪音信号在金属外壳形成回路,对微机系统产生的影响很小.三是印刷线路板地线布置:印刷线路板的地线布置主要指TTL,CMOS印刷板的接地,印刷板中的地线成网状,而且其它布线不成环路;
三：现场测试
利用严格按产品规范要求设计制作的样机在某变电站主变上进行了多次变压器的耐压试验。环境温度为15°C,相对湿度76%;
高压试验用大功率变频电源能够在现场可靠运行,并且能有效地解决在电力系统中现场进行高压试验时的电源问题。在测试中,该变频电源的输出电流最大为500A,输出电压为340V,实际输出功率为170kW。而采用中频发电机组在同类型的电力变压器上进行高压试验,得到的数据分别为:输出电流最大达到650A,输出电压为365V,实际输出功率为237kW。比较本文设计的试验电源,可以看出,采用变频的方法进行试验能很好地减小回路中的试验电流,更加适于现场作业。
四 结语
本文设计的高压试验用大功率变频电源,采用变频的方法,利用电力电子器件实现功率输出,有效地解决了电力系统中现场高压测试所面临的试验电源难题;并在此基础上开发了计算机监控系统,实现了远距离控制,操作方便,监控的各个部件数据稳定准确,提高了该设备在使用过程中的安全性和自动化程度.现场试验和一年多的实际应用证明,该设备可靠性高、安全性好、实用性强.特别在高压开关和GIS装置的交流耐压试验、变压器局部放电试验、交联电缆的交流耐压试验等高压试验中具有独特的优势.
参考文献：
[1]康华光.电子技术基础(数字部分)[M].北京:高等教育出版社,1979.3.
[2]刘宏,黄锦恩,王离九.大功率晶体管并联研究[J].电力电子技术,1994,(1):26-28.
论文作者:薄霖
论文发表刊物:《电力设备》2018年第9期
论文发表时间:2018/7/6
标签：回路论文; 电压论文; 电源论文; 高压论文; 信号论文; 上位论文; 计算机论文; 《电力设备》2018年第9期论文;