用于電力系統(tǒng)電氣設(shè)備過壓檢測(cè)的高壓電源研究

引言

近年來,電力系統(tǒng)設(shè)備過壓檢測(cè)等領(lǐng)域?qū)?a href="/tags/高壓電源" target="_blank">高壓電源的體積和電壓增益提出了更高的要求。部分電力系統(tǒng)中的設(shè)備往往暴露在較為惡劣的環(huán)境中,如果受到諸如雷擊、誤操作等影響,會(huì)引起局部電壓過高,因此對(duì)于電氣設(shè)備的絕緣和過壓檢測(cè)顯得尤為重要。作為電氣設(shè)備絕緣檢測(cè)激勵(lì)源的高壓電源在該應(yīng)用領(lǐng)域受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注[1—2],這也對(duì)激勵(lì)源的體積提出了要求,因此本文對(duì)適用于電氣設(shè)備絕緣檢測(cè)的高壓電源開展研究。圖1給出了電氣設(shè)備耐壓檢測(cè)的場(chǎng)景。

1高壓電源的拓?fù)浣M成

本文提出的高壓電源由整流模塊、高頻變壓器和倍壓?jiǎn)卧M成。圖2為整流模塊,該模塊由整流二極管和濾波模塊組成。圖3為高頻變壓器和倍壓?jiǎn)卧?其中高頻變壓器由升壓比為1:N的升壓變壓器和開關(guān)管S1組成,CW電壓倍增電路是由多個(gè)倍增電容和倍增二極管進(jìn)行串并聯(lián)構(gòu)成的升壓網(wǎng)絡(luò),當(dāng)該網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓呈現(xiàn)交替變化時(shí),輸出電壓隨著倍壓?jiǎn)卧?jí)數(shù)成倍增加[3]。圖3為級(jí)數(shù)為n的CW電壓倍壓網(wǎng)絡(luò),通過多級(jí)倍壓網(wǎng)絡(luò)的升壓作用,負(fù)載端會(huì)得到高電壓等級(jí)且高功率密度的直流電壓。在級(jí)數(shù)為n的CW倍壓電路中,當(dāng)S1導(dǎo)通時(shí),二極管按照D2、D4、D2n的順序?qū)?當(dāng)開關(guān)管S1關(guān)斷時(shí),倍增二極管按照D2n—1、D3、D1的順序?qū)ā?

圖4為本文所提出的高壓電源拓?fù)鋱D,該電源由整流單元、高頻隔離升壓變壓器和倍壓?jiǎn)卧?jí)聯(lián)而成,市電經(jīng)過整流單元后饋入隔離升壓變壓器單元進(jìn)行升壓,再經(jīng)過后級(jí)的倍壓?jiǎn)卧獙?duì)電壓進(jìn)行進(jìn)一步的提升,從而提高了該電源的電壓增益,而該級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)也減小了電源的體積,從而提高了電源的功率密度[4],降低了高頻變壓器的工藝難度。本文所提出的高壓電源非常適合應(yīng)用于電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備的過壓檢測(cè)[5—6]。

2高壓電源的設(shè)計(jì)和工作特性分析

2.1電壓增益分析

交流電經(jīng)過整流單元整流后電壓vin/為:

整流后的電壓饋入后級(jí)變壓器和倍壓?jiǎn)卧?可以根據(jù)升壓變壓器的勵(lì)磁電感Lm上的伏秒平衡進(jìn)行推導(dǎo),開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)勵(lì)磁電感Lm上的電壓VLmon、VLmoff分別如式(2)和(3)所示:

為了獲取10 kv的輸出電壓,并使有源器件的電壓應(yīng)力較低,最終選取倍壓?jiǎn)卧募?jí)數(shù)為5,變壓器的升壓比為6,該高壓電源可以在AC220 v的輸入下,在較低占空比(D=0.4)的條件下實(shí)現(xiàn)輸出電壓為10 kv的升壓變換。

3高壓電源的控制回路

圖5所示為本文提出的高壓電源的控制回路,其中k1為輸出電壓的采樣比。該變換器采用閉環(huán)控制來控制輸出電壓vo,電壓比較器副邊控制電路產(chǎn)生的誤差信號(hào)oe1通過電壓比較器與鋸齒信號(hào)進(jìn)行比較,得到復(fù)位信號(hào)ore,其中oe1是PI補(bǔ)償下ors1與參考電壓vref1之間的誤差電壓,從而實(shí)現(xiàn)恒壓輸出?？刂苹芈返母綦x通過光耦元件實(shí)現(xiàn),從而保證了該高壓電源運(yùn)行的可靠性。

4仿真驗(yàn)證

本文搭建了一臺(tái)高壓電源的仿真平臺(tái),在表1給出的參數(shù)條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過上述分析,開關(guān)管的占空比選取在0.4左右。與單開關(guān)高增益變換器相同,選取倍壓?jiǎn)卧?jí)數(shù)n=5,并選擇合適的變壓器匝比N。

圖6為高壓電源的變壓器原邊和副邊電流波形圖,原邊電流為諧振電流和勵(lì)磁電感電流波形的疊加,副邊電流波形為諧振電流波形,在諧振期間,原邊電流波形近似為正弦波形;圖7為穩(wěn)定后的輸出電壓的波形,由圖可知,輸出電壓vo穩(wěn)定在10 kv。

結(jié)束語(yǔ)

本文基于電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備過壓檢測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)了一款高壓電源,該電源由整流模塊、高頻變壓器和倍壓?jiǎn)卧M成,從而有效提高了高壓電源的功率密度,并降低了高頻變壓器的工藝難度。該電源可以實(shí)現(xiàn)最高電壓10 kv的恒壓輸出,本文詳細(xì)介紹了高壓電源的參數(shù)設(shè)計(jì)、工作特性和損耗分析,并通過仿真驗(yàn)證了其可行性,以證明該高壓電源在電氣設(shè)備過壓檢測(cè)場(chǎng)景中的適用性。