调频式串联谐振耐压试验系统研究与设计

摘要

我国电网正在向着“一特三大”方向发展，越来越多的高压电气设备将会用于电网中。在电气设备安装完成之后，必须在投入使用前对各种高压设备进行交流耐压试验，以确定是否能够正常的投入运行。由于传统的工频试验变压器，对高压设备进行耐压试验时，需要高电压、大容量的试验电源，使得设备显得特别笨重，并不适合现场试验。因此采用谐振原理设计的调频式串联谐振耐压试验系统具有非常高的实用价值和十分重要的研究意义。本文以调频式串联谐振耐压试验系统为核心，主要研究内容包括下列几个方面。
　　本文首先阐述了串联谐振装置的几个基本类型，对几种谐振装置试验时的优缺点进行了对比分析，在此基础上得出了用变频串联谐振试验方法进行电气设备耐压试验最优的结论。
　　其次对调频式串联谐振系统的原理、能量变化及频率特性进行了分析，并在此基础上对试验回路谐振点的查找进行了论述，对SPWM的调制方式进行了详细分析与对比，确定了以单极性SPWM调制方式来实现变频电源的调频调压技术。
　　然后对逆变电路进行建模分析，并对耐压系统的主电路进行了研究和设计，包括主电路结构设计，试验系统器件参数的选择。特别地，对逆变电路的低通滤波器参数进行详细计算，并对其进行了开环仿真分析，验证了设计的正确性和可行性。
　　对逆变电路的输出电压控制方式进行研究，通过输出电压瞬时值单环PID控制、双环P/PI/PD/PID的控制用极点配置方式对其参数进行了计算。通过比较，最终选择电压PI电流P双环控制作为逆变电源的控制方式，但由于幅值特性不是很好，在双环外增加了均值外环PI控制来对输出电压幅值进行控制，并通过simulink对三环控制进行了仿真分析。
　　最后对控制系统部分软硬件进行了设计，阐述了变频串联谐振耐压试验的方法、要求和试验前的准备，并通过simulink对耐压系统在谐振点的试验情况进行了仿真。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及国内外研究现状

1．1．1 研究背景

1．1．2 国内外研究现状

1．2 串联谐振装置基本原理及类型

1．2．1 基本原理

1．2．2 串联谐振装置类型

1．2．3 各种串联谐振装置特点比较

1．3 本文研究内容

第2章 耐压试验装置结构分析

2．1 装置组成

2．1．1 变频电源

2．1．2 励磁变压器

2．1．3 试验电抗器

2．1．4 电容分压器

2．2 串联谐振技术分析

2．2．1 阻抗频率特性分析

2．2．2 串联谐振电路能量变化分析

2．2．3 频率特性分析

2．3 谐振点的查找

2．4 变频调压技术的实现

2．4．1 SPWM控制技术的基本原理

2．4．2 SPWM调制方法比较

2．5 装置的技术参数

2．6 本章小节

第3章 逆变单元建模及主电路设计

3．1 逆变单元主电路模型

3．2 逆变单元数学模型

3．2．1 连续时间状态空间模型

3．2．2 离散时间状态空间模型

3．3 耐压试验系统主电路设计

3．3．1 变压器模块的选择

3．3．2 LC滤波器设计

3．3．3 直流模块电压值确定

3．3．4 功率模块及其驱动方式

3．3．5 高压电抗器选择

3．3．6 高压分压器选择

3．4 逆变电路仿真分析

3．4．1 SPWM输出仿真

3．4．2 逆变电路输出仿真

3．5 本章小结

第4章 逆变电源控制研究

4．1 逆变器的PID控制

4．1．1 PID控制器的设计

4．1．2 PID控制闭环系统的性能

4．2 单闭环控制与仿真

4．2．1 电压瞬时值PID反馈控制

4．2．2 仿真及试验结果分析

4．3 双环控制与仿真

4．3．1 单相逆变器的双环控制

4．4 基于极点配置的双环控制器设计

4．4．1 P-P双环控制器设计

4．4．2 P-PI双环控制器设计

4．4．3 PI-P双环控制器设计

4．4．4 PI-PI双环控制器设计

4．4．5 其它形式双闭环控制

4．5 电压均值PID控制

4．5．1 电压均值PID控制数学模型

4．5．2 仿真及试验结果分析

4．6 PI-P双环与均值外环控制复合控制

4．7 本章小结

第5章 控制系统软硬件设计

5．1 控制系统设计思路

5．2 TMS320F28335功能特点及最小系统

5．2．1 功能特点

5．2．2 电源电路

5．2．3 DSP时钟电路

5．2．4 IGBT功率驱动模块

5．2．5 试验信号采集及调理单元

5．2．6 系统保护电路

5．3 基于FPGA的人机交互系统

5．3．1 FPGA简介

5．3．2 人机交互的液晶接口电路

5．3．3 人接交互的键盘控制电路

5．3．4 FPGA和DSP的通信接口模块

5．4 控制系统的软件设计

5．4．1 变频调压软件结构设计

5．4．2 SPWM波形实现

5．4．3 采用FPGA实现LCD显示设计

5．4．4 人机交互界面设计

5．5 本章小节

第6章 电气设备交流耐压试验方法

6．1 试验步骤及要求

6．1．1 接线

6．1．2 调频调压

6．1．3 交流耐压时间及试验值

6．1．4 试验判据

6．2 交流耐压试验前的准备

6．2．1 试验参数估计

6．2．2 电抗器选择

6．2．3 励磁变压器变比选择

6．2．4 低压电源的选择

6．3 交流耐压试验仿真

6．3．1 仿真参数设置

6．3．2 仿真结果

6．4 本章小节

结论

致谢

参考文献