电力系统用单相逆变电源的研制

电力系统用单相逆变电源的研制

DevelopmentofSingle－phaseInverse－changePowerSupply(PS)

AppliedtoPowerSystem

摘要：

按照电力系统的使用要求，研制正弦波逆变电源，对电源总体方案、主回路、控制电路进行了详细讨论，试验及应用结果表明，该电源性能优良，完全满足使用要求。

关键词：电力逆变电源

Abstract:AccordingtoservicerequirementsofPowersystem,developedsine－waveinverse－changePS,is

discussedindetailoverallscheme,mainreturncircuit,controlcircuitbythepaper.Resultsfrom

testandapplicationindieated,thatthePSwasgoodperformance,fullysatisfiedwithservicerequirements.

Keywords:PowerInverse－changeSP

1引言

    随着国内电力工业的不断发展，发电厂、变电站在故障情况下要求不间断电源供电的交流负荷越来越多，对交流供电质量的要求也越来越高，传统的方波逆变器已不能满足应用要求，而UPS由于造价太高，全部采用也有困难。因此，研制一种满足电力系统使用要求的专用逆变电源，具有极大的实用价值。

    本电源研制以电力系统使用为出发点，参照国标《7260－87不间断电源设备》的技术条件，从输出性能方面按UPS要求设计；从系统成套方面，考虑与电力直流系统配套，并且适应中央信号监控的需要。采用IGBT高频逆变，数字分频、锁相、波形瞬时馈值等新技术，试验及应用结果表明，完全满足设计及使用要求。

2系统设计与实现

2.1电源系统方案

电源具有直流和交流两路输入，直流输入为电力系统直流母线，交流输入为工频交流市电。交流市电处于正常状态时，经整流器整流滤波为直流，再经逆变器变换为稳频稳压的交流向负载供电。当市电或整流器发生故障时，直流直接经逆变器变换为稳频稳压交流向负载供电。输入直流电与交流市电整流后的直流电通过二极管隔离。采用此方案不但使交流市电得到稳压净化，而且在交流停电时，交直流供电转换没有延迟，从而使供电质量大为提高。

2.2主电路

    本电源采用交—直—交静止逆变方案，其主电路包括整流器、直流滤波器、逆变器、交流滤波及变压器等，如图2所示。其中，交—直部分采用桥式整流，再经电解电容滤波，得到平稳直流。电源开机时，整流器经起动电阻对电解电容充电，可减小起动电流，实现软起动。起动完毕后，电阻被接触器短接。直流输入接于起动电路之前，也可实现软起动。为使直流系统与其它电气回路隔离，本电源交流输入经过变压器隔电力系统用单相逆变电源的研制。输入变压器变比的选择应保证当交流市电欠压时，整流器输出直流电压仍比直流系统电压高，从而保证交流正常时，直流系统不向负载放电。

    直—交逆变部分采用单相全桥结构，是本电源的核心。逆变器选用IGBT作为开关元件。利用IGBT开关频率较高的优点，采用双极性正弦波脉宽调制方式(SPWM)对逆变器进行控制，将平稳直流变换为脉宽调制输出的交流，该交流基波频率为所需要的电源输出频率。逆变器输出的脉宽调制波经输出LC滤波电路滤波，变压器变压隔离后，输出所要求的正弦波交流电。

为提高电磁兼容性能，在电源的输入和输出端均接有抗干扰滤波器。

2.3IGBT的驱动与保护电路

本电源逆变桥IGBT的驱动与保护电路制成一块线路板，与逆变桥一起组成逆变单元模块。

     M57959是IGBT模块的专用驱动电路，最大可驱动400A/600V的元件。该电路内部具有快速光耦隔离，适合20kHz左右的高频开关运行，并且具有过流保护功能。驱动电路采用＋15V/－10V双电源供电，以提高抗干扰能力。

    驱动电路前级为PWM信号处理电路，它将控制电路传送来的单路PWM信号经电压比较器整形反相后，变为两路互差180°的信号，作为上下桥臂IGBT元件的控制信号。该信号经过死区电路，其上升沿被延时3～4μs，以保证上下桥臂导通具有不小于3μs的死区，然后才被送至驱动电路。

    本电源驱动板设有IGBT过流、功率器件过热、直流母线欠压三种保护。IGBT过流保护，由M57959内部保护电路，通过检测IGBT的导通饱和压降完成，过流保护阈值通过在检测回路串接稳压管来调整。单相桥电路四只IGBT元件的四路保护信号，经过与非门，变为一路高电平故障信号，送至故障逻辑电路。功率器件过热保护通过在散热器上安装温度继电器，过热时给出断开接点完成，温度继电器动作值为75℃。直流母线欠压保护电路当电压正常时，检测回路稳压管被击穿开通，从而使与之串联的光耦导通，副边输出低电平；当电压过低时，检测回路稳压管阻断，从而使串联的光耦关断，副边输出故障高电平；保护阈值由稳压管稳压值决定。

    驱动板上的故障逻辑电路先将过流、欠压信号通过D触发器锁存，然后将锁存后的信号与过热信号一起通过门电路综合后，封锁送至驱动模块的PWM脉冲，完成保护。同时，综合后的故障信号与过流、欠压、过热信号被送至控制电路，以完成电源系统监控。

2.4控制电路

该电路以一片16位单片机80C196和波形控制模块为核心组成，如图4所示。其中CPU完成模拟量检测，输出电压有效值控制，故障检测及诊断，与液晶面板进行串行通讯，读取设定参数，交换运行参数和故障信息等功能。波形控制电路完成频率控制，输出电压的波形控制等功能。主要控制环节原理如下：

(1)标准波形产生本电源标准正弦波产生采用

数寻址查表方式，标准正弦数据存于EPROM中，按输出频率时序选通EPROM，再通过D/A转换器将EPROM输出的正弦数字量变为模拟量。该模拟量为正极性，经过运放电路对称下移，电容隔直后，输出标准正弦波信号。标准正弦数据一周波存储量为1k字节。(2)电压控制电压控制采用闭环调节方式，由80C196的控制软件完成。检测电路送来的交流输出电压信号，经过幅值调整、绝对值变换后送至80C196的A/D输入口，经过A/D转换变为数字量，再经有效值运算成为有效值数字反馈量。液晶面板送来的数字给定与数字反馈比较，其偏差进行PI调节，调节器输出的数字信号经D/A转换变为模拟量，送到标准正弦产生电路，作为波形D/A转换器的参考电平，从而改变标准正弦波幅值，使输出电压的有效值维持恒定，实现输出稳压。

(3)波形控制波形控制针对相电压输出，采用带电流内环的双环控制方案，如图5所示。在由两个控制环构成的电压波形控制系统中，电流环是内环，该环的受控对象是滤波电容的电流IC，控制的目的是使滤波电容上的电流能快速准确地跟踪电流指令，电流环可改造被它包围的受控对象，克服直流电压波动△Ud，负载电流IL等系统的扰动对输出电压的影响，从而提高控制系统的快速性，改善输出电压波形品质；电压波形控制环位于电流环之外，该环对输出电压的瞬时值进行控制，使输出电压跟踪输入的标准正弦波。波形控制采用瞬时值反馈，输出电压、滤波电容电流由检测电路检出整形后，直接送入波形环，与标准正弦波比较，经双环调节后产生PWM控制脉冲。滤形控制电路已制成厚膜模块。

    本电源键盘显示电路以一片内带存储器的单片机89C51和实时时钟芯片DS12887为核心组成，完成运行参数显示设定，故障信息显示查询，与主控电路CPU—80C196进行串行通讯交换信息，电源起/停控制，时钟管理等功能。操作显示界面采用20×2字符型液晶屏和6位触摸按键，并设有“电源”、“运行”、“故障”指示灯。

接口电路考虑到电力系统信号监控的要求，将所有运行故障状态均通过发光二极管予以显示，同时变成接点信号输出。接点信号为常开，分为二组，同组内有公共端点，组间彼此电气独立。

2.5检测电路

本系统检测电路包括输出电压检测、输出电流检测、滤波电容电流检测三部分。为提高波形环的控制速度，保证电源品质，与波形环有关的检测元件采用磁平衡式HL传感器。所有检测信号与主控电路均作电气隔离。

2.6控制与驱动电源

本系统控制与驱动电源采用开关电源。开关电源输入挂在逆变直流母线上，输出共6组，其中3组＋25V电气上相互独立，供给驱动电路，另3组±15V，＋5V共地，供给控制电路和保护电路。

3技术性能与应用结果

按前述原理设计的逆变电源，由生产厂家和电力部门用户共同进行了完整的性能测试，并在变电站投入使用运行。其主要技术性能如下：

(1)交流输入AC220V±15％，50Hz±5％

(2)直流输入

正常工作电压范围DC187～264V

极限工作电压范围DC170～276V

(3)系统输出

额定频率：50Hz

额定电压：220V

电压稳定精度：±2％

频率稳定精度：±0.1％

频率变化率：0.1Hz/s

总谐波含量：<5％(阻性负载测试)

动态电压：

超调<8％(负载0～100％变化时)

稳定时间<0.1s

(4)过载能力：120％10分钟

150％10秒

(5)效率：总效率>80％，(在满载和COS?=0.8情况下)

(6)保护：输入过欠压报警，输出过流，内部过温

(7)噪声≤60dB该电源带阻性负载和感性负载时的输出电压波形如图6所示。

电源安装在变电站现场，投运一年多来，运行稳定可靠，性能良好，完全满足了设计及使用要求。