（控制理论与控制工程专业论文）调频式串联谐振交流高压试验装置的研制.pdf

摘要 本论文完成了一种新型交流耐压试验装置的研制。该装置以调频的方式实现高压 电感和被试品电容的串联谐振，从而在被试品上得到高于电源输出端的电压，即实现了 以小容量电源对大容量试品进行交流耐压试验的一种新方法。该装置具有以下特点： 】- 以小容量电源实现对大容量被试品的试验； 2 装置的输出频率、电压稳定且连续可调，适用大多数电力设备的交流耐压试验。 3 装置体积小，重量轻，便于运输，便于现场进行试验。 该装置与传统的调感式交流高电压装置相比具有更多优点，采用调频方法使调节谐 振更容易，被试品的变化范围可以更大，适合大多数电力系统装置的试验。该装置工作 在5 0 3 0 0 h z 的频率下，对被试品介质的考验更加严格。在装置的设计过程中，采取了 多种抗干扰措施和多种保护措施，系统工作稳定可靠。通过大量的模拟实验表明，该装 置的优点明显，具有良好的开发前景和市场前景。 关键词：串联谐振；交流高压；试验装置；逆变；绝缘栅晶体管 a b s t r a c t an e wt y p ea ch i g hv o l t a g et e s t e ri sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h i sd e v i c er e a l i z e ss e r i e s r e s o i 3 a a c eb e t w e e nh i g hv o l t a g e ；n d u c t a n c ea n dt e s t e dc a p a c i t a n c e 。1 b e c a t t s eo fs e r i e s r e s o n a n c eah i g h e rv o l t a g ee x i s t so nt h et e s t e dc a p a c i t a n c et h a nt h ep o w e r so u t p u t ，s oan e w a ch i g hv o l t a g et e s tw a yt ol a r g ec a p a c i t ys a m p l ec o ；l n e st r u e ，t h i sd e v i c eh a sh e r e i n a f t e r c h a r a c t e r i s t i c s 。 1 i tc a r ld ol a r g ec a p a c i t ys a m p l et e s tb ys m a l lc a p a c i t yp o w e r 2 。t h eo u t p u tf r e q u e n c ya n do u t p u tv o l t a g eo ft h i sd e v i c ea r e ；v e r ys t a b l ea n dt h e ye 鑫建b e 嘲u s t e dc o n t i n u o u s l y i tc a nb ea p p l i e dt 。m o s te l e c t r i cp o w e re q u i p m e n t 轴d oa ch i g h v o l t a g et e s t 3 t h i sd e v i c ei sm o r es m a l la n d l i g h t i sc o n v e n i e n tt ot r a n s p o r ta n d t e s to r lt h es p o t t h ed e v i c eh a sm o r ea d v a n * 。a g et h a nt r a d i t i o n a la d j u s t a b l ea ch i 照v o l t a g ed e s i g n i ta d o p t s a d j u s t a b l em e t h o dt om a k ea d j u s t a b l es e r i e sr e s o n s _ r l c ee v e ne a s i e ra n dt h ec h a n g ee x t e n do f t e s t e dm u c hw i d e ni t i sf i tt ot e s tt h em n o r i t yo fe l e c t r i c i t ys y s t e md e s i g n t h ed e v c ew o r k s u n d e r t h e f r e q u e n c y o f 5 0 - 3 0 0 h z t t i s v e r ys t r i c t w i t h t h e r e q u i r e m e n t o f t h e t e s t e d 。 t h ep r o c e s so ft h ed e s i g nt a k e sm a n yk i n d so fa n t i - j a m m e dm a dp r o t e c t i v em e a s u r e s t h e s y s t e mw o r k ss t e a d i l ya n dr e l i a b l y t h r o u g hm a n yi m i t a t i o nt e s t ss h o wt h a tn o to n l yi th a s m o r ea d v a n t a g eb u ta t s oi th a sg o o dd e v e l o p i n ga n dm a r k e tp r o m i s i n g 。 k e y w o ! 畦：s e r i e sr e s o n a n c e ；a ch i g hv o l t a g e ：t e s t e r ；i n v e r t e r ；i g b t 调频式串联谐振交流高压试验装置的研制 0 前言 本文介绍了一种交流高压试验装置的研制工作，其主要特色是利用调频的方法使 被试品电容与高压电抗器产生串联谐振，从而在被试品上得到较高的电压，既可以实现 以小容量的电源对大容量的试品进行耐压试验的目的。该装置采用5 0 3 0 0 h z 调频的方法 实现串联谐振，而不是传统的调感方法获得串联谐振，因此该装置具有以下优点：被试 品的实验范围会相应增大；由于介质的损耗与频率是成正比的，因此在大于5 0 h z 条件下 进行的耐压试验对被试品的考验会更加严格；采用逆变调频的方法会使装援的体积、重 营减小，便于运输，便于进行现场试验。研究此装置具有较好的开发价值和应用前景。 1绪论 1 1 绝缘试验的目的和分类。1 电力系统中的变电站设备或铁路牵引变电站以及一些其他的工农业生产中的高电 压设备，其首要任务是安全可靠的运行，任何故障或事故的发生，都会影响到： = 农业生 产的正常进行甚至给国民经济造成重大的损失。所以运行在重要系统中的高电压设备 ( 如变电站高压电气设备) 必须在长年使用中保持高度的可靠性，为此必须对设备按设 计的规格进行一系列的试验。 需要做的高电压试验主要有以下几种 l 、在制造厂有：对所有的原材料的试验，制造过程的中问试验，产品定型及出厂+ 试验。 其目的是检验新的高压电气设备是否符合有关的技术标准规定，严禁不合格的高压设备 出厂。 2 、对于大修后的设备进行高电压的各种试验。其目的是判定设备在维修、运输过程中 是否出现绝缘损伤或性能变化，以及大修后修理部位的质量是否符合原标准。 3 、对于正在运行中的电气设备，则按规定周期进行例行的试验，一般将这种例行试验 称作预防性试验。通过预防性试验可以及时发现电气设备内部隐藏的缺陷，配合榆修加 以消除，以避免设备绝缘在运行中由于工作电压尤其是系统过电压的作用被击穿，造成 严重的设备事故以及人身事故。这样就能做到预防为主，使设备能长期、安全、经济的 运行。 电气设备的绝缘缺陷有一磐是制造时潜伏下的，另一些则是在运行中在外界作用的 影响下发展起来的。外界作用有工作电压、过电压、大气影响( 如潮湿等) 、机械力、 热、化学等，当然这些外界作用的影响程度还和制造质量有关。目前，还不能做到使电 气设备的绝缘在运行中不发生明显的劣化，所以在电力系统中经常进行预防性试验，及 时发觋缺陷，可减少许多事故的发生。 绝缘的缺陷通常可以分为两大类：第一类是集中性的缺陷，例如悬式绝缘子的瓷质 涧频式串联谐振变流高压试验装置的研制 开裂；发电机绝缘局部磨损、挤压破裂；电缆由于局部有气隙在：作电压作用下发生局 部放电而损坏，以及其它的机械损伤等等。第二类是分布性缺陷，指电气设备撼体绝缘 性能下降，例如电机、变压器、套管等绝缘中的有机材料的受潮、老化、变质等等。绝 缘内部有了上述这两类缺陷后，它的特性就往往发生一定的变化。这样，我们就可以通 过+ 些试验把隐藏的 缺陷检查出来。 绝缘试验可分为绝缘特性试验和绝缘耐压试验两大类：第一类绝缘特性试验或称为 非破坏性试验，是指在较低的电压下或是用其它不会损伤绝缘的办法来测量绝缘的各种 特性，从l 面判断绝缘内部有无缺陷。例如测量绝缘电阻和泄漏电流、测量绝缘的介质损 耗角正切值、绝缘油的物化特性、油中的气体色谱分析、空载试验、局部放电的超声波 测量。实践证明，这类方法是有效的，但目前还不能只靠它来可靠的判断绝缘耐压水平。 第二类是绝缘耐压试验或称为破坏性试验，这类试验对绝缘的考验是严格的，特别 是能揭露那些危险性较大的集中性缺陷，它能保证绝缘有一定的水平或裕度，例如工频 耐压试验、感应耐压试验、操作波试验、冲击试验等均属破坏性试验。缺点是可能会在 耐压试验时给绝缘造成一定的损伤。耐压试验是在非破坏性试验之后进行的，如果非破 坏性试验已经表明绝缘存在= j i ；正常情况，则必须查明原因并加以消除后再进行耐压试 验，以避免不应有的击穿。例如变压器受潮后往往耐压强度下降，但经过烘干处理后仍 叫恢复。如未经处理就贸然进行交流耐压试验，就很呵能被击穿，造成不应有的损失。 由此我们可知绝缘耐压试验( 破坏性试验) 在绝缘试验中的重要地位，它是电气设 备能否可靠运行的重要试验手段和保证，下面我们将对绝缘耐压试验分类进行讨论。 1 2 绝缘耐压试验的主要方法 绝缘耐压试验按电压种类可分为直流、冲击、交流耐压试验。 1 2 1 直流耐压试验 电力设备常需要进行直流电压下的绝缘试验，例如测量泄漏电流。r 。些大容量的交 流设备( 如：长电缆段，电力电容器等) 用：c 频高电压进行绝缘试验时会出现很大的电 容电流，这就需要工频试验装簧具有很大的容量，但这往往是很难做到的，这时常用直 流高电压试验来代替工频高电压试验。至于直流高电压输电所用的电力设备更需要进行 直流高压试验。在原子物理、电子光学、x 射线、快中子加速以及喷漆、处理种子等多 种直流高电压场合都需对设备进行直流耐压试验。 直流高电压的产生方法“”： 产生直流高电压的方法通常是将工频高电压经整流而变换成直流高电压的方法，而 利用倍压整流原理制成的直流高压串级裟援能产生更高的直流试验电压。 l 半波整流吲路 将交流高压通过半波整流设备产生直流高压，常用的整流设备如图卜l 所示。它与 2 塑塑垄呈壁煎黧塞坚妾垦亟鳖薰篓整型型 电子线路中低压半波整流回路基本相同，只是回路中多一个限流电阻，它限制充电电流 或故障电流不超过整流元件或变压嚣高压侧的电流允许值。 vr 图卜i 半波糕流回路 2 倍压熬流回路 戈了褥到雯高静囊淀邀垂，可戬袋爝菇压蘩浚强露，蠡图】一2 鲠示，这静貉压邀潞 实质是蕊个半波整流霞路叠加。 v ( a ) c v2 图卜2 倍臌艇流电路 ( b ) 萼霉壤压宅鼹率联藏n 缀，藏胃褥翼2 h u m 豹盏滚高爱。 直流耐压试验盼优点： 1 试验设备轻便：直流耐压试验设错比较轻便，做直流耐压试验时只需供给绝缘泄漏 电流( 嫒筒毫安级) ，设备容量小； 2 可强弱嬲涎量遗潺奄滚：可以在避辑直流耐妥试验筑同列。，邂过测量淫瀑魄流，更 霄效的爱映绝缘内部麓集中瞧歃赡。 3 对绝缘的损伤较小：当直流电压较高以至于在气隙中发生局部放电后，放电所产生 的电礴使在气隙里的晦场减弱，从而抑制了气隙内的局部放i 甑过程，因此威流耐压 试验在定程度e 还具有非破坏性试验的性质。 童滚滚歪试验窝交滚瓣基试骏糖泌，主要浃点楚：垂予交、煮滚f 缝缘凌帮懿毫压 分布不同，逡流耐压试验列绝缘的考验不如交流下接近实际：对于大电容的被试品目前 经常用直流试验代替工频试验，这仍然存在很大的分歧。 1 2 2 瑚壹葛压试验 t3 调频式串联谐振交流高压试验装置的研制 冲击高电压试验是用来研究各种高电压电气设备在雷电过电压和操作过电压作用 下的绝缘性能或保护性能，许多电气设备在出厂试验或大修后都必须进行冲击高电压试 验。冲击电压试验通常有五部分组成，其框图如下： 图1 - 3 冲击电压试验设备框图 随着输电线路电压等级的提高，用冲击电压对电气设备进行绝缘试验越来越显得重 要。我国国家标准规定，额定电压大于2 2 0 k v 的超高压电气设备在出厂试验、型式试验 中，不能像2 2 0 k v 以下的高压电气设备那样，以工频耐压试验来等效的取代操作冲击耐 压试验。 直流和冲击耐压试验在电气设备绝缘试验中是不可缺少的，但就应用的广泛性来 说，交流绝缘耐压试验是应用最广泛的一种耐压试验方法，下面我们将对交流耐压试验 进行讨论。 1 2 3 交流耐压试验 用于工频交流高电压试验的装置主要由电源控制台，调压器，升压变压器，保护球 隙等组成，如图卜4 所示。 图1 4 工频高电压试验的基本线路 图卜4 表示用单级试验变压器组成的工频高电压试验的基本线路。调压器用来调节 工频试验电压的大小和升降速度；试验变压器用来升高电压供给被试品所需的高电压； 球隙测压器用来测量高电压或保护被试品免受过电压。r 。用来限制被试品放电时试验变 调频式串联谐振交流高压试验浆嚣的研制 压器的短路电流不超过允许值和高压绕组的电压梯度不超过危险值，r 。用来限制球隙放 电时的电流不至于灼伤铜球表面。 此试验装置是工频试验的典型鼗鬻，它在工频试验中有蘑黧簧的作用，很同样，它 遣存在一黧绫点蟊：囊予菜鳖被斌惑犬容量，裹趣压豹要求，灞压器，秀莲交压器豹容 量也要相应的增大，这就使这些仪器非常笨重，占地较大，不傻运输，因此对于一些现 场的测试就很不方便。对于大电容的被试品存在鞘较大的电容电流，有些电流很大，甚 至是设备本身所无法解决的。因此解决试验设备容凝不足的方法就显得尤为爨要。它也 是当兹熬一壤重要黎热门漾题。 1 3 解决交流试验设备容量不题的方法“3 1 。3 。1 枣| 、偿超黄无功功率豹高聪试验”3 当被试品具有较大电容量时，试验变压器和调压设备应供徐较大的无功功率。在一 定条件下，电容性负载会使试验回路发生显著的“容升现象”蛾谐振。当试验变压器输 出的电压波形含有高次谐波分量时，魄窑负载还会使电压波形鼹加畸变，因此当电容性 受载较大时，铡翔被试藤为电缆、壤容器，应采取臻麓 楼超蘸豹无功功率。 补偿麓前无功功率的方法有两种：串联电感和并联电感，这两种方法都怒j f 用感性 无功功率补偿容性无功功率。 1 串联壤感方法 当试验变压器对被试品能够提供足够的电容魄流，但输出电压不够时，采用串联电 感，利用串联谐振产生商电压，这种补偿即电压补偿如图卜5 所示。试品所需的容性功 率靠串联魄感补偿，面试验变压器只鬻供给串联电阻消耗的很小的功率。串联谐振法耐 压试验懿互作覆毽是调节圆跨孛鲍诱港邀感缓之与试鑫宅容楚予工颤辜联落糖凌态。 可变电感l 工凝 躅1 - 5 串联补偿拣 渡试箍c x 如果面：土，则在电感和电容上的电压可以大大超过回路外加电压，达到良低电压、 脚 小容量电源来使试品的绝缘承受高电压的考验目的。流过高电压阅路的电流，在谐振状 态对达至n 最大篷， 即： 瓦。：坠 r 谰颧式睾联游掭交撬高压试验装燕的研裁 式中r 为离压回路等效电阻。试验线路中谐振回路的品质因数 q ：影： 这时试品上的电压u c = q u 2 出于q 德远大于l ，故远大子，因此试验变聪器容量 和调压器的容量都可以相应小q 倍。 2 劳袋电感方法 当试验变压器对被试品能提供足够的电压，但输出电流不够时，采用并联电感，利 用并联谐掭提供电流，邀种补偿即电流补偿，如图1 6 所示，试骢变压器提供很小的输 爨电流f 就麓满足试验癸浓。 1 3 。2 超低频高压试验装置“ 圈1 - 6 并联 髅洼 对大l 羲窖登懿试晶瀵行工缀交滚l 瓣基试验，往簌慧要大容量戆登蓬器程臻瘟容量翡 谪压器，当试验设备容鬣不足时，司肇p 对具体情汛，采用串联或并联电感补偿超前的无 功功率来满足试验条件。盥流耐压试验虽然具有试骏设备轻巧，且同时能测量泄漏电流 变化等优点，但由于在直流电压下绝缘内部电压分稚与交流电压下的电压分布肖很大麓 捌，因此交浚瓣羼试验方法不疆毅蠹溅瓣压试验所代替。为她，入 f j 设想采用+ 秘灏豹 试验方法米代餐i 1 1 ：努l 交滚稀压试验，这嵇瑟方法在鳃缘雨部静毫瓣分布，应羧_ 逶子王簇 交流i 时压试验时的分布，并且希望试品在进行交流耐压试验时，在比较劣化的分层绝缘 中，降低游离放电所产生的破坏作用。采用较低的频率，能达到这些要求。这种方法就 是超低频交流耐压试验。频率越低，试验时的电容电流越小，所需试验变压器释量可越 小，试验设备蠖_ 霹馥到辍巧，携繁方袋，逶台在残场工俸。 经过研究发现试验呶蕊的频率一般选择在0 1 h z 比较合适，它与工频5 0 h z 比较， 试验变压器容量只需工颇1 , 5 0 0 ，而且在0 1 h z 交流电压作用下，鲍缘内部的电压分布， 接近于5 0 h z t _ 颇下的分布，符合实际运行情况，这魁0 1h z 交流耐压试验比较好的优 点。 超低颗麓蓬试验回潞粥黼l 一7 掰示。窝中t 醚是秘耩调压器，下麓试验变压嚣，v ；，k 蹙方向糯反的两个整流器，s 是转换开关，c 、是被试品电容。 调频式串联谐振交流高压试验装置的研制 v l 1 7 超低频高压试验接线图 试验变压器高压侧经v 。v 。分别接在1 、2 上，产生了正和负的脉动电压，然后通过 开关s 不断在端子1 和2 上切换，产生超低频高压作用于被试品c ，上，其波形如图卜8 所示。 j u 二 入厂。 u 。y1 0 v 2。7 图卜8 超低频高压试验波形 当s 与端子1 接通时，所加电压从0 变化到一u 。，达到一u 后转换开关s 立刻切换到端子2 上，使所加的电压再变化到+ u 。，加到被试品上的电压波形由r 。r 2 ，c ，c ，和整流器的 正向电阻等决定，超低频高压的频率与转换开关s 的切换周期相对应。 超低频高压试验在一定程度上能代替工频高压对大容量的试品进行试验，而且对绝 缘缺陷的检查能力与工频高压试验大致相同。 以上介绍了两种解决设备容量不足的办法，无疑它们为解决大容量试品试验设备容 量不足提供了新的思路，实践证明这两种方法也是可行的。但都存在一些不足之处。对 于串联或并联电感补偿方法，需要一个可变电感，用来调谐。由于在调谐时电感量在不 断的变化，对于不同的电容试品，要求电感的调节变化范围就非常的大，甚至有些取值 范围是在技术上达不到的，即使能达到，它的性能价格比也是非常低的。因此这种调感 式调谐工频试验方法，使用的范围很窄，它只适用于某些试品；对于超低频交流高压试 验设备也存在一定的缺点：由于介质的损耗与频率有关，频率高，介质损耗大，频率低， 介质损耗小，所以用0 1 h z 代替工频5 0 t t z 进行的交流耐压试验来判断设备绝缘的好坏是 不够或不全面的。 鉴于上述的两个原因，设计和制造既能够克服上述两个缺点，又能对大容量的试 品进行交流耐压试验的装置就显得尤为重要。 1 4 论文选题及论文主要内容 调频式串联i f f - - 攮交流高压试验装置纳研制 经分析可知，采用调频式串联谐振的方法，可以很好的解决上述的问题。为此决定，选 择研制这种调频串联谐振高压试验装置作为本论文的题目。 1 4 1 调频式串联谐振高压试验装置实现的依据 对于i ，c 串联回路而言，它的谐振条件决定于三个因索：i 。c ，f ，如果其中的两个条件 已经确定就可以确定第三个量，因此可以用调频的方法来实现电路的谐振，即实现利用 电感来补偿电容的超前无功功率的目的。 1 9 8 2 年国际大电网会议2 3 - 0 7 号论文，瑞士的z a n g e 教授有个著名论证：在 5 0 一3 0 0 h z 下的交流绝缘耐压试验中试品的电压分布与5 0 h z 下的电压分布相同，击穿电压 相等。根据此论证我们选择5 0 3 0 0 h z 为我们调频式串联谐振高压试验装置的工作频率。 本装置电是根据此论证来实现的。 1 4 2 调频式串联谐振高压试验装置原理 调频式串联谐振高压试验装置的原理同上述的谢感式耐压试验装置的原理是基本 傲的，所不同的是在调感式耐压试验装置中，利用调节电感的大小来达到回路谐振的 日的，而凋频式谐振高压试验装置是利用调节电源的频率来达到电路的串联谐振，从而 吏现了另喑j i ，解决试验设备容量不足的方法。 根据串联谐振的原理，当l r c 串联回路中的感抗与试品容抗相等时，电感中的磁场 能景与试品电容中的电场能量互相补偿，试品所需的无功功率全部由电抗器供给，电源 只提供回路的有功功率，此时，电路的功率因数g o s 中= 1 0 ，即电源电压与谐振回路电 流同相位，电感上的电压降与电容上的电压降大小相等，相位相反。当c o l = y ， ，“ 国= y r i ，回路的谐振频率为f = kr 鬲，若l c 参数固定，调节电源频率等于谐 吖l l二彳叫l l 振频率，就可以产生谐振。此时流经试品的电流和试品两端的电压分别为： ，= 月+ j ( x l 一c ) r u c = 一j x c = 一j 兰 = 一j q u 儿 式中q 为谐振回路的品质因数，q = 哆嗄= 形埔c 。 由于i 与供电电压u 同相，因此输入功率为纯有功功率： p = u i = 1 1 r 由上式可知，谐振时试验电压所耗的功率仅为电阻上所耗的功率，所以励磁升压变压器 容量比常规试验变压器小得多。谐振时c 上的无功功率为： w = = q l v = q p 本装置就是根据，卜述原理研制成的。 1 4 3 调频式谐振高压试验装置的特点 调叛式串联谐攮交流高压试验装爱的研制 这种商压试验装置既保留了调感式串联谐振的优点，即利用低电压、小容量电源可 对高电压大容量试品作试验，同时它又克服了调感式谐振高压试验装置的缺点，使装置 能够对被试品在较大范瀚内进行试验。另外，该装麓的工作频率为5 0 一3 0 0 h z ，在这种条 徉下，不莰壳骚了超低菝装置频率过低，分覆损耗小，不符合实耩糖猛懿霜繇，纛量还 由于5 0 3 0 0 h z 条件下介质的损耗要眈工频试验时的介质损耗大，因而考验的祭件要比实 际工作条件严格，因此这种试验的结果是严格、全面、可靠的。 1 。4 ，4 零文的主要内容 本论文将谐振、谐振交换技术、脉宽调制技术相结合起来，应用于调频式谐振高压试验 装置中，研制了一台性能稳定、可靠性高、开关电源损耗小、噪费低、体积小，重量轻， 操4 乍方便，且便于现场遴 亍试验的高压试验装置。 本文豹主蘩内窖努下： 0 前言 1 绪论。从艇体上介绍了目前交流高臁试验所采取的方法，对它们的优缺点进行了比较。 并提出了论文的课题及突现依据。 2 事联谤援电路。主要滋述了事联谴掇逛黯的琢理及穗关豹特憋。 3 开关墅d e a c 逆变器。主要讲述了裔关d c - a c 遂黛器的原理、技术，指出了方渡开关 与s p w m 开关的关系，并给出了实用的变换电路。 4 调频式串联谐振高压试验装置。本章从整体上介绍了调频式串联谐振交流高压试验装 置的研制，包括开关电源的主回路原躞和参数的选取，控制回路姻工作原理。给出了实 蘑懿毫路遮搂圈及详尽豹分辑。 5 实验结聚及分析。主骚给出了试验的有关数据及试验波形，并进行了分析。 6 论文总结 调频式串联谐振交流高压试验装置的研制 2 串联谐振电路 本论文将实现调频式串联谐振高压试验装置的设计研制，为此我们先对串联谐振的 有关知识进行一些简短的讨论。 2 1 串联谐振电路 谐振现象的研究有重要的实际意义。一方面谐振现象在某些情况下会引起过电压， 给用电设备造成不应有的损失，如电力系统中的过电压会经常导致电力变压器，电容器 等重要的设备烧毁：另一方面谐振现象也得到了广泛的应用，如：利用谐振接收无线电 信号等。本论文中的调频交流高压耐压装置也是利用谐振产生的高电压而实现的。下面 的图2 1 为r l c 串联电路。 图2 一lr l c m 联谐振电路 2 2r l o 串联电路的阻抗特性 在正弦电压“= 2 u c o s ( w t + 口) 的激励下，电路的工作状况将随频率的变动而变动， 这是由于感抗和容抗随频率变化而造成的。输入阻抗与频率的关系为： z ( ，) ：月+ ，( w ，一上) w c 当w 变动时，感抗随频率成正比变动，容抗随频率变化成反比变化，电抗随频率变 化的特性曲线见图2 2 。虚线与横轴的交点为谐振角频率。 o z ( w ) l w f 叫。 厂。 | f i 图2 2 电抗随频率变化的特性曲线 t o 调频式串联谐振交流高压试验耱置豹研制 图2 3 为阻抗随频率变化时在复平面上表示的图形，其末端的轨迹是一条与纵轴平行的 壹绫。 l j 、 | ，。7 盈2 3 阻抗隆频率变化豹麴线 由予串联电路中的感抗和容抗肖互相抵消作用，所以，当w = w 0 对，出现x ( w 。) = 0 ， 这时端e ：i 上的电压与电流同相，工稷上将电路的这种工作状态称为谐振，由于是在r l c 串联电路中发生的，故称为串联谐振。串联谐振的条件为： 毛【z ( 歹w ) l = 0 即 扣去 发生谐振时的角频率和五分别为： 。赢磊。荔蚕 谐振频率又称为电路的闲有频率，它是由电路的结构和参数决定的。串联谐振频率只有 一个，是由串联电路中的l 、c 参数决定的，而与躜联电阻r 无关。改变电路中的l 和c 霉我改交魄路戆固有鞭搴，使电鼹在蔟一频率下发生谐振，或遴灸谐摄。这移拳联谐振 也会在毫路中静菜一条含l g u c 静串联支路中发生。谐振时阻抗为最小值： z ( v o ) = r + j ( w 。l 一二= ) = r w o l ， 在瑜入电压有效值u 不变的情况下，电流j 和u 。为最大，即： ， 移移 。5 厨2 i u r = r i = u 实验时可根据此特点判断串联谬援电路发生谗搬与否。根据鼹抗 z ( 歹奶i 的频率特性 可定往绘磁? ( w ) 随颓率交伲斡益线，鲡圈2 4 繇示，两条，( 协麴绫对应两个篡鸯不同醵 调频式串联谐振交流高压试验装置的研制 阻值r 。和r 2 ，但l 和c 相同的串联电路。 ，( w ) n 2 4i ( w 1 随频率变化的曲线 谐振时还有古。+ 古。：0 ( 所以串联谐振又称为电压谐振) ， 而 唔眦i = j 等o = j q u 。c j 上w o c k j 去。一j q f j 式中q 称为皆振的品质因数 有q = 幽u= 掣= i w o l = 硒1= 雅 电路的相量图如图25 所示。 图2 5 电路的相量图 如果q 1 ，则有u 。= u c u ，当q l ，表明在谐振点或接近谐振点，会在电感 和电容两端出现大大高于外施加电压u 的高电压，称为过电压现象，往往会造成元件的 损坏。但谐振时l 和c 两端的等效阻抗为零( 相当于短路) 。 谐振时，电路的无功功率为零值，这是由于阻抗角妒( ) = 0 ，所以电路的功率因 数兄= c o s ( o = 1 。 调频式串联谐振交流高压试验装鼍的研制 尸( w 0 ) _ u 1 2 = u i = 吉l q l ( w 护w 2 q c ( w 扣一嘉， 整个电路的复功率s = 尹+ ，( 绞+ 璐) = p ，列有魏( 鹄) + 绞( ) = 0 ，毽或( ) 、 q 。( w 。) 分羽不等于零。谐振时电鼹不胰乡 部吸收无功功率，餐电路内部懿懿感耨电容 之间周期性的进行磁场能量与电场能爨的交换，遮能量的总和为： ( w o ) = 妄三f 2 + 去c 吣2 谐振嚣雩舂；江 u kc o s ( w o = 压q 蕊掰( w 。，并有q 2 = 吉吉，将送魑量代入 上式，有 ( ) = 考u 2 c o s 2 ( 0 0 + c q 2 u 2 s i n ( w o o = c q 2 u 2 = 考固2 u 。2 = 常量 另外还可以得出：q = r v ( w o ) f ( 嘞) 串联电阻的大小虽然不影响串联谐振电路的固有 攘率，但畜控泰l 饔调节瀣缀嚣重奄；滚拳邀基疆彦豹俸耀。 2 3r l o 蹲联电路的频率特性 r l e 搴骚邀爨麓勇一令将滢稼为频攀褥蛙，或豫叛率羲应，鞠，( 奶、u l ( 均、吼( w ) 等随频率变化的特性，它们随着频率变化的益线称为谐振馥线。为了突出电路的频率特 性，常分析输出量与输入量之比的频率特性，如：畛石、u 哆石、等， 这些电压的比值可以用分捉来表示。 褥电路熬疆抗z ( 翮交羧为下嚣懿形式 11 z ( j w ) = r + ( w 三一三) = r i + 旭( 节一二) w l行 式中珂= w w o ，u 口0 7 ) 为 。( 砰) = 扣2 争2 将上式变形为： 邋一 ! u 再2 一争2 上述关系式可以雳子不阉的r l c 串联港振电路中，它们都在同一令坐标( 功下，祓据q 调频式串联谐振交流高压试验装置晌研制 取值不同，熊线将仅与q 值有关，并明显的看出q 值对谐振曲线形状的影响。图2 - 6 给出了3 个坷；同q 值( q 3 q z q 】) 的谐振曲线，该谐振曲线称为通用谐振曲线。 o 7 0 7 矾 1 ，7 2 q ： q 2 q 1 ) 的谐振曲线 从图中可以看出：串联谐振电路的这种输入一输出形式，对输出具有明显的选择性 能，在7 7 = 1 时( 谐振点) ，曲线出现了高峰，输出达到了最大( 等于u ) 。当玎 l ( 偏离谐振点) 时，输出逐渐下降，随，7 斗o ，叩- 9 - o o 而逐渐下降至零，说明串联谐振电 路对偏离谐振点的输出有抑制能力。只有在谐振点附近的频域内，即：r = 1 + a q ，才 有较大的输出幅度，电路的这种性能成为选择性。电路选择性的优劣取决于对非谐振频 率的输入信号的抑制能力。从图2 - 6 可以看出，q 值大，曲线在谐振点附近的形状尖锐， 当稍微偏离谐振点，输出就急剧下降，说明对非谐振频率的输入具有较强的抑制能力， 选择性能好。反之，q 值小( 例如q ，) ，在谐振频率附近曲线顶部形状平缓，选择性就 ，r ，、1 差。实际工程中为了定量的衡量选择性，常用发生兰也型= = o 7 0 7 时的两个频率 “2 w ，w ，之问的差说j 蝈，这个频率差称为通频带。按照这个条件应当有： 1】 1 1 + q z ( 叩一三) ：4 2 整理j 二式可以得到下面的公式： q 2 ( 叩一土) 2 = l 叮2 千= 1 7 7 ( - 2 叩一1 = o 从上面的式子可以解得其中的两个正根分别为： ”一壶一古儿”瓦1 一古+ ，玩一面+ j 万“玑2 瓦+ 、万+ 1 所以有： 卵z 一讯2 去 ， w ：一w 15 乡刍由此可见q 值大，通频带窄，选择性 1 4 调频式串联港糕交流高压试验袈鬣曲研制 就好。 对于电感频率特性u l 哆乞和电容的频率特性u c ( 1 可以用类似的方法分析 蚴一型l 一幽黧一 垒 uuw c r u 叩节2 + q 2 ( 7 7 2 一1 ) 2 警= 必u 照r = 掣u 阶 u 、 它们的曲线如图2 7 所示。 + ! ；! 。 莎丽手1 2 ；7 11 7 2 图2 7 电感、电容频率特性曲线 可敬证胡，当q 焉1 = 。7 。7 粒，颠率特缝夔线会出瑷蜂 壹。对予u c ( e ) u ，簿蓬的灏 率为： 轳辱11 一。辱1 1 1 或者w 2 = w 。 旦磐i：告图2 ，7 中用实线和虑线示出了两种不同q 值的姻应曲 一一p 杏 丢荔 调频式串联谐振交流高压试验装置的研制 线e 可以看出一= u 。一。当q 值银大时，两峰值的频率嚏谐振频率接近。当谐振 时两漳德重合。当q 时，1 a + 导遥，v 。= 9 么。当v 。 v 。 时，t a 导通，。= 一。由于两个开关不同时接通或关断，因此输出电压v a o 在哆彳 秘一彰之淘交动。v 。露它戆基波分麓( 虚线) 均示子銎3 2 ) 中，强中菠线对应 着m ，= 1 5 ，m 。= 0 8 。 用标么值表示的谐波电压警嵝示于图3 2 ( c ) 中的频谱图中。从此图中我们可以 9 d 二 缮塞以下三条舞圣惫： 调频式串联谐振交流高鹾试验装置的研制 ) 基波分量的薅发为”a ”么，在毪不变黪条传下，相应静鲶出电压v 。熬波形示于瑟 3 4 ( a ) 中，其平均值v 。o 在v d 阐定时与v ，和k ，的比值有关： 1 矿 = 詈，v 。 ir 【 在壹。交p w 殛遂交嚣中，壹子m ，较大，蠢整3 ( b ) 瑟示，奁一令开关嗣麓中，可弧为 v ，为常熊。因此在个开关周期上的输出电压平均值仍可用上式求出。 图3 4 正 弦p w m ( 局韶放大) a ) v a o ( b ) 鸯灏3 4 可翔，懋交嚣臻出迄惩豹平均毽鹣变纯可看律与控翻电基按阏祥疑律交纯 的正弦波电压。一个频率工、幅值为吃的正弦波控制电压可表示为： v 。= ks i n q t 式中t 由隧上霹式可知逆变器输出电压鼹纂波分量( v 。) ；攘正弦趣咎变纯，虽与围鼹： 矿矿， ( v 。) l5 s i n l t 二 v 1 r 1 2 矿 = m 。s i n t t 鼍，( m 。羔1 o ) 上 扩 因此 ( l 。) ，= m 。鼍，铆。1 o ) 在s p w m 中，输出电压基波分量的幅值随m 。线性变化的条件魁0 m 。 1 。 2 ) 逆变器输出电压中的谐波表现为迭带，集中在开关频率及其经频醛近，鄹m ，2 m ，3 m ， 次潼渡辩近，当0 m 。 9 ，在这静情 况下，输出电压中的谐波的i 涵值几乎与聊，无关，脚，只影响谐波的频率。理论上，输出 电压中的谐波频率可表示为 = ( j m ，k ) a ，式中下标h 为谐波次数，即 h = 如，女，当；为鸯数时，仅有奄为爨数篷戆淤渡存在；奁囊歹惫臻数翻，仅有l 为 奇数值的谐波存在。对于基波，可认为h = 1 。 3 ) m ，应为奇数，当，应为奇数时，输出电压关于原点奇对称，即f ( - t ) 一一f ( t ) ，且 半波对称，如图3 。2 ( b ) 所示，其中m ，= 1 5 ，因此，v 。中仅宙有奇次谐波丽不含偶次 调频式串联谐提交流高犀醭验装簧的研稍 ；皆波。在傅玄叫级数展开式中，只有正弦项鲍系数，瓶余弦璇的系数为0 ，谐波的频漤 蠡錾3 - 2 ( e ) 掰示。 按照栩同的原理，调制信号也可以是电甲按正弦规律变化的阶梯波，或者梯形波。 用这两种波进行调制产生的调制波形比较简单，有关波形的数榭少，易于实现数字控制。 在前面的讨论中假定1 0 ，在这范周内，输如电压撩波分量的憾德随着线 趁变豫，在这爨线楼挺弦p w m 燕铡下，遵变爨粒姆缝较为鬻怒。瞧这裂，擦裁舅式翡鲮 点是邋变器中基被分麓幅值鞍小。扶蔼3 2 所示的输出电压浚形司。瞬肴到，由于开关鞭 率较高，在输出波形上开出的缺口也较多，从而想到能否增大m 。使输出电压的基波幅 值增大，这就是我们将要时论的过调制与方波开关。 3 ，2 邋调裁与方波开关 为了增加输出电压撼1 披的幅度，州。耍增3 n n 超过1 0 ，此时的p w m 称为过嘲制。过调制 使输出呶鹾成分含有比线性区更多波谐波，随羲过调制的出现，纂波分量的蟠度不再隧 镯l 陵窆。熬大枣缓瞧交讫。蛰3 5 ( a ) 襄两) 分嗣表暴窭单耱秘三耀遂变器凝薅诧豹 越波分鬣”“。级2 ) 与调幅比的函数关系a 对于严重的过调制，逆变器输嫩电压将有p w m 变为方澈，在过潞制蒗围m 。超过 l 。0 霹，擎檬遂变器浚出纂渡鞠l 陵囊为 孥 0 时， 如图3 9 ( d ) 所示；当i 。 0 或 = 一 ，i 0 或 = + 导巧，i a 3 5 p s 。为了可靠的关断， 我们选择死区时间为2 0 胛。开关频率为5 0 - - 3 0 0 h z ，因此周期t s 为3 3 3 3 2 0 0 0 0 脚， 由此我们可以对死区的影响进行估算： 死区时间与周期的比例为 字1 0 1 o = 黑l o o o 死区时间对输出电压的影响。，这里我们假定= 3 1 0 v ( 单相电压经过全桥整 流后为直流电容器充电的最高值) 。 瓦。= + = i 詈三3 1 0 “1 8 v s d j d d 由上述的估算可以看出，我们选择死区时间为2 0 脚是合适的，它既保证了开关可 靠工作，防止直通现象出现，同时尽可能减小死区时间对输出电压的影响。 3 5 小结 本章四节内容详细介绍了d c a c 逆变器的工作原理以及相关的一些知识，同时指出 了s p w m 开关和方波开关的各自优点和缺点。这些知识也是我们的