专利名称：一种三相交流电压暂降发生电路的制作方法
技术领域：
本发明是一种三相交流电压暂降发生电路，主要应用范围是电磁兼容测 试电压暂降抗扰度试验设备，属于电磁兼容测试及电力电子技术领域。
背景技术：
电能在现代工业生产、生活中广泛使用，电力开关器件的发展和可靠性 的提高推动了电子电子技术的发展，各种电气和电子产品大量涌现，极大的 方便了人们的生活，也提高了工厂的生产效率，但伴随而来的电磁兼容问题
却又困扰着人们的生产和生活。国家标准GB/T4765对"电磁兼容"的定义是 "设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中的任何事物构成 不能承受的电磁骚扰的能力"。电磁兼容性问题的出现及其引发的不良后果引 起了人们的重视，国际上和各国各区域纷纷制定了相应的标准，强制规定电 子设备生产厂家生产的产品必须符合标准的电磁兼容性要求。由于各种标准 的制定，针对标准相应的电磁兼容测试和对策成为学者们研究的新领域，研 究包括电磁兼容试验设备研制、电磁兼容试验、产品的电磁兼容性设计、电 磁兼容故障诊断和整改等方面。
我国的3C强制性产品认证制度其中的一个C就是电磁兼容安全认证制度 (CEMC认证)，电磁兼容性状况判断的一个重要指标是电网质量，随着电力电 子技术的发展，电力负荷的数字化和电子化使电能质量问题不再等同于传统 的供电可靠性，更多的表现在动态电压质量问题上。
电压暂降是目前电能质量诸多问题中最严重的一种，针对不同的供电系 统电压暂降问题能占到电能质量问题总数的61% 87%。电压暂降和短时中断 不总是突发的，因为与供电网络相连的旋转电机和保护元件有一定的反作用 时间。如果大的电源网络断开(一个工厂的局部或一个地区中的较大的范围)， 电压将由于有很多旋转电机连接到电网上使之逐步降低，这就造成了电压暂 降。这些旋转电机短期内作为发电机运行，并向电网输送电力。有些设备对 电压的渐变比对电压的突变更为敏感，为了保护和存贮内部存贮器的数据，大多数数据处理设备装有内置式断电检测器，以便在电源电压恢复后，设备 按正确的方式启动。有些断电检测器对电源电压的逐渐降低不能快速地反应， 因此，加在集成电路上的直流电压在断电检测器触发之前会减小到低于最小 运行电压的水平，并且数据将会丢失或改变，当电源电压恢复时，不重新编 程，数据处理设备就不能正确再启动，造成严重的后果。
国标中定义，电压暂降是指电压偶然跌落到大于10% — 15%，持续时间 为0.5 — 50周期的电压变化。电压暂降是由于高压、中压和低压电网中偶尔 产生的短路、接地故障，或者负荷出现大的变化造成的，严重时可以导致接 触器跳闸和逆变器的转换失败。
针对电压暂降这个严重的电磁兼容性问题，国标委根据IEC 61000-4-11 标准制定了《GB/T 17626. 11电磁兼容试验和测量技术电压暂降、短时中断 和电压变化的抗扰度》，标准中规定了电压暂降抗扰度试验所需的试验设备， 一种三相交流电压暂降发生电路就是根据标准规定而设计的三相电压暂降试 验发生器的主电路。
电压暂降发生电路根据应用对象的不同分为单相暂降发生电路和三相暂 降发生电路，按照电路原理可以分为变压器串联型、串联电阻器型、变压器 故障运行型、逆变器型四种类型。国内外的电力电子学领域的专家对电压暂 降发生技术已经进行了深入的研究，中国科学院梁亮等人发表了《适合于风 力发电系统的电压跌落发生器》的文章，目前的研究国外的情况是元器件个 数需求较多，价格昂贵，国内的多数涉及小功率范围的研究。随着标准内容 的更新，测试的相电流将要由原来的16A提高为75A，这对电压暂降发生设备 的提出了更高的要求，所以研制一台流过相电流大、输出功率高、切换速度 快、稳定性及可靠性高、成本低、控制简单的电压暂降发生设备有重要意义。
电压暂降有三个参数指标，第一个是暂降的辐度，即暂降电压的有效值 和正常电压的有效值之比， 一般用百分数表示；第二个是暂降的时间，即暂 降发生几个周期， 一般是0.5 50个周期；第三个是暂降的重复率， 一次正 常网压加一次暂降合起来计为一个暂降工作周期，重复暂降工作周期数称为 暂降的重复率。电压暂降发生设备必须能满足这三个参数指标设定和实现，同时实现三相同时电压暂降和三相分别电压暂降。
目前已有设备工作的基本原理是开始工作时，双向功率开关模块Sal、 Sbl、 Scl闭合，负载由正常网压供电，并从输入端Vial、 Vibl、 Vicl进行电 压采样，当某相中输入电压相位到达预设电压暂降的开始相位时，以a相为 例，当Vial电压相位到达预设a相电压暂降开始相位时，由控制单元发出控 制驱动信号Vgal控制双向功率开关模块Sal断开同时由控制单元发出控制信 号Vga2控制双向功率开关模块Sa2闭合，此时负载由正常电网供电切换成由 暂降电网供电，实现电压暂降，当电压暂降的时间到达控制单元中预设的电 压暂降周期时，由控制单元控制驱动信号Vga2使双向功率开关模块Sa2断开 同时由控制单元发出控制驱动信号Vgal使双向功率开关模块Sal闭合，此时 负载由暂降电网供电恢复成由正常电网供电。通过控制单元可以实现暂降时 间和重复率设定和控制，另外还可以实现暂降初始相位及三相同时暂降与三 相分别控制暂降的实现，由于可以三相分别控制，所以设备可以应用于单相 负载的测试，实现单相电压暂降。现有设备的双向功率开关模块Sal、 Sbl、 Scl、 Sa2、 Sb2、 Sc2采用的是整流桥式开关，需要的元件是一组二极管整流 桥模块和一组IGBT模块， 一个双向功率开关模块需要的元器件有两个，电力 电子行业的发展是由理论和器件的共同发展推进的，整流桥式开关的两个元 器件的构成方式会束缚电压暂降发生设备的结构精减、减少体积、降低成本 的发展。
发明内容
本发明采用新的功率开关模块代替传统的整流桥式开关的电压暂降发生 电路。本发明从双向功率开关模块进行了改进，从两个IGBT组成一个功率开 关模块代替传统整桥式开关，由于两个IGBT在技术上可以方便做在一起成为 一个元器件，从而减小了元器件的数目，实现了电路的简化。
本发明用一种新的功率开关模块的三相交流电压暂降发生电路实现了电 路的简化。其具体技术方案如下包括相同的双向功率开关模块Sal、功率开 关模块Sbl、功率开关模块Scl、功率开关模块Sa2、功率开关模块Sb2、功 率开关模块Sc2和相同的电感Ll、电感L2、电感L3、以及控制单元，其中
6双向功率开关模块Sal、功率开关模块Sbl、功率开关模块Scl的一端分别与 正常电网输出端Vial、正常电网输出端Vibl、正常电网输出端Vicl相连， 双向功率开关模块Sal、双向功率开关模块Sbl、双向功率开关模块Scl的另 一端分别通过电感L1、电感L2、电感L3与输出端Voa、输出端Vob、输出端 Voc相连；双向功率开关模块Sa2、功率开关模块Sb2、功率开关模块Sc2的 一端分别与暂降电网输出端Via2、暂降电网输出端Vib2、暂降电网输出端Vic2 相连，双向功率开关模块Sa2、双向功率开关模块Sb2、双向功率开关模块Sc2 的另一端分别与输出端Voa、输出端Vob、输出端Voc相连；正常电网输出端 和暂降电网输出端处分别连接电压采样，得到的采样信号分别连接到控制单 元上，控制单元能够发出驱动信号分别控制六个双向功率开关模块的开通关 断；其特征在于所述的单个双向功率开关模块的结构为包括功率开关元 件VT1、功率开关元件VT2、 二极管D1和二极管D2，功率开关元件VT1和功 率开关元件VT2的栅极连在一起、发射极接在一起，功率开关元件VT1的集 电极和二极管D1的阴极连接形成双向功率开关模块的一端，功率开关元件VT2 的集电极和二极管D2的阴极连接形成双向功率开关模块的另一端，二极管D1、 二极管D2的阳极和功率开关元件VT1、功率开关元件VT2的发射极共同连接 在一起，功率开关元件VT1和功率开关元件VT2的栅极与控制单元相连。 所述功率开关元件VT1和功率开关元件VT2采用绝缘栅双极型功率管。 所述的正常电网为普通的三相电网，暂降电网为经过调压器调压后0% 100%的正常电网电压，正常电网电压为待测设备工作的额定电网， 一般单相 为220V，三相为380V。电感Ll、电感L2、电感L3电感量范围是50uH 200uH， 功率开关元件VT1 VT12的开关频率范围为0. 1Hz 200Hz，能够实现电压暂 降的重复率为0 9999，换相角为0度 359度。
整个电路通过开关的切换使电压暂降发生，即在电路工作每一瞬间，都 有且仅有一个电网对负载进行供电，向输出端提供能量。从整个电路结构来 看，电路分为两路输入， 一路是正常电网， 一路是通过调压器调压的暂降电 网，暂降的幅度可以通过调压器根据试验的需要进行调节，输出一路，输出 的是经过控制单元控制的符合控制单元内预先设定的参数的暂降电压。本发明通过外置调压器实现暂降的辐度的调节，通过参数设置由控制单元实现暂 降周期和重复率的控制，。
三相电路如果只分别取Vial、 Via2、 Sal、 Sa2、 Ll，则组成单相电压暂
降发生电路。
本发明采用由两个IGBT共发射级串联组成双向功率开关模块代替传统的 整流桥式开关模块，虽然目前仍然是2个元件替代2个元件，但是从技术上2 个采用共同驱动的IGBT是可以做在一起做成一个模块，相对于传统的整流桥 式开关模块，减少了一个元器件，简化了设计。
图1本发明三相交流电压暂降发生电路原理结构图 图2本发明交流单相电压暂降发生电路原理结构图 图3本发明双向功率开关设计原理图 图4本发明电压暂降发生电路框图 图5本发明电压暂降示意图
图6本发明三相交流电压暂降发生电路单相的输出电压波形
具体实施例方式
采用本发明的设计，研制了一台相电流最大限值为80A的三相电压暂降 测试系统主机，主电路采用本发明的一种三相交流电压暂降发生电路，按照 三相平衡准则，电路中的电感L1、 L2、 L3相同，功率开关模块Sal、 Sbl、 Scl、 Sa2、 Sb2、 Sc2相同；输入端有两个，均为三相电网， 一个是正常电网，网压 为正常网压，另一个是暂降电网，经过调压器调压后网压变为正常网压的0% 100%，三相电网星型连接，正常电网输出端Vial、 Vibl、 Vicl分别与双向功 率开关模块Sal、 Sbl、 Scl的一端连接，双向功率开关模块Sal、 Sbl、 Scl 的另一端分别连接电感L1、 L2、 L3的一端，Ll、 L2、 L3的另一端分别接输出 端Voa、 Vob、 Voc;暂降电网输出端Via2、 Vib2、 Vic2分别与双向功率开关 模块Sa2、 Sb2、 Sc2的一端连接，双向功率开关模块Sa2、 Sb2、 Sc2的另一 端分别接输出端Voa、 Vob、 Voc。输入端Vial、 Vibl、 Vicl处连接电压采样， 得采样信号Vfal、 Vfbl、 Vfcl，接采样信号接到控制单元，再通过控制单元处理后发出驱动信号Vgal、 Vgbl、 Vgcl、 Vga2、 Vgb2、 Vgc2分别控制双向功 率开关模块Sal、 Sbl、 Scl、 Sa2、 Sb2、 Sc2的开通关断，可实现电网电压同 时刻切换。
在三相交流电压暂降发生电路中， 一个最重要的设计就是双向功率开关 模块的设计。本发明采用双向功率开关模块中用到的功率开关元件VT1 VT12 采用带有反并快恢复二极管的IGBT， 一个双向功率开关模块由一对功率开关 组成，以VT1、 VT2为例说明，将两个带有反并联二极管的功率开关元件VT1 和VT2对接，VT1和VT2的栅极连在一起、发射极接在一起，VT1的集电极和 Dl的阴极连接形成双向功率开关模块的一端，VT2的集电极和D2的阴极连接 形成双向功率开关模块的另一端，Dl、 D2的阳极和VT1、 VT2的发射极共同连 接在一起。这样两个功率开关元件可以采用同一驱动，使控制简化。其工作 原理是正向电流时，电流流过VT1、 D2;反向电流时，电流流过VT2、 Dl， 实现电流的双向流动。
双向功率开关模块中的功率开关元件采用IGBT。正常电网为普通的三相 电网，暂降电网为经过调压器调压后0% 100%的正常电网电压，电感L1、L2、 L3电感量范围是50uH 200uH，功率开关元件VT1 VT12的开关频率在 0. lHz 200 Hz范围内。
本实施例中电感L1、 L2、 L3为75mH，电压传感器采用无相移变压器将电 压信号采集给到控制单元，控制部分采用DSP (TI公司TMS320F2812)进行控 制，驱动电路采用57962芯片为主要芯片，双向功率开关模块的基件选用IGBT (FZ800R12KE3)。
本发明电路工作的基本原理是以正常网压380V, 70%电压暂降，暂降网 压266V， 90度开始暂降，跌落2个周期，重复率为2为例，刚开始工作时， 双向功率开关模块组Sal导通，即双向功率开关模块Sal、 Sbl、 Scl导通， 负载由正常网压供电，从Vial、 Vibl、 Vicl开始输入220V正弦波，电压传 感器开始从Vial输入端采样，当发现电压相位到达预设相位90度时，控制 器发出控制信号，控制功率开关模块组S1关断，同时控制功率开关模块组S2 导通，即双向功率开关模块Sa2、 Sb2、 Sc2导通，负载由正常网压供电转为由暂降网压供电，这样在输出端Voa、Vob、Voc就出现有效电压从380V到266V 的电压暂降的正弦波。当跌落周期到达2个周期时，控制器又发出控制信号 控制功率开关模块组S2关断，同时控制功率开关模块组S1导通，负载恢复 由正常网压供电2个周期，从暂降开始到恢复正常然后又开始检测相位，再 重复l次刚才的暂降，重复率达到2的预值，电压暂降设备停止工作，整个 试验完成，以上是三相同时发生电压暂降，也可以分别不同时刻每相进行单 独暂降或得延时暂降。
本发明的具体实施方式
符合《GB/T 17626.11电磁兼容试验和测量技术 电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度》中对电压暂降抗扰度试验设备的 要求。图6是三相交流电压暂降发生电路单相的输出电压波形。
权利要求
1、一种三相交流电压暂降发生电路，包括相同的双向功率开关模块(Sa1)、功率开关模块(Sb1)、功率开关模块(Sc1)、功率开关模块(Sa2)、功率开关模块(Sb2)、功率开关模块(Sc2)和相同的电感(L1)、电感(L2)、电感(L3)、以及控制单元，其中双向功率开关模块(Sa1)、功率开关模块(Sb1)、功率开关模块(Sc1)的一端分别与正常电网输出端(Via1)、正常电网输出端(Vib1)、正常电网输出端(Vic1)相连，双向功率开关模块(Sa1)、双向功率开关模块(Sb1)、双向功率开关模块(Sc1)的另一端分别通过电感(L1)、电感(L2)、电感(L3)与输出端(Voa)、输出端(Vob)、输出端(Voc)相连；双向功率开关模块(Sa2)、功率开关模块(Sb2)、功率开关模块(Sc2)的一端分别与暂降电网输出端(Via2)、暂降电网输出端(Vib2)、暂降电网输出端(Vic2)相连，双向功率开关模块(Sa2)、双向功率开关模块(Sb2)、双向功率开关模块(Sc2)的另一端分别与输出端(Voa)、输出端(Vob)、输出端(Voc)相连；正常电网输出端和暂降电网输出端处分别连接电压采样，得到的采样信号分别连接到控制单元上，控制单元能够发出驱动信号分别控制六个双向功率开关模块的开通关断；其特征在于所述的单个双向功率开关模块的结构为包括功率开关元件(VT1)、功率开关元件(VT2)、二极管(D1)和二极管(D2)，功率开关元件(VT1)和功率开关元件(VT2)的栅极连在一起、发射极接在一起，功率开关元件(VT1)的集电极和二极管(D1)的阴极连接形成双向功率开关模块的一端，功率开关元件(VT2)的集电极和二极管(D2)的阴极连接形成双向功率开关模块的另一端，二极管(D1)、二极管(D2)的阳极和功率开关元件(VT1)、功率开关元件(VT2)的发射极共同连接在一起，功率开关元件(VT1)和功率开关元件(VT2)的栅极与控制单元相连。
2、 根据权利要求1所述的一种三相交流电压暂降发生电路，其特征在于所 述功率开关元件(VT1)和功率开关元件(VT2)采用绝缘栅双极型功率管。
3、 根据权利要求l所述的一种三相交流电压暂降发生电路，其特征在于所 述的正常电网为普通的三相电网，暂降电网为经过调压器调压后0% 100%的 正常电网电压，电感(Ll)、电感(L2)、电感(L3)电感量范围是50uH 200uH， 功率开关元件的开关频率范围为0. 1Hz 200Hz，能够实现电压暂降的重复率 为0 9999，换相角为0度 359度。
4、根据权利要求3所述的一种三相交流电压暂降发生电路，其特征在于所述的正常电网电压为待测设备工作的额定电网，单相为220V，三相为380V。
全文摘要
本发明是一种三相交流电压暂降发生电路，用于电磁兼容国家标准电压暂降抗扰度试验。本电路输入端为正常电网和暂降电网两个三相电网，正常电网输出端分别与双向功率开关模块Sa1、Sb1、Sc1的一端连接，双向功率开关模块的另一端分别通过电感L1、L2、L3接输出端。暂降电网输出端分别与双向功率开关模块Sa2、Sb2、Sc2的一端连接，另一端分别接输出端。本发明采用由两个IGBT共发射级串联组成双向功率开关模块代替传统的整流桥式开关模块，虽然目前仍然是两个元件替代两个元件，但是两个采用共同驱动的IGBT可以做在一起做成一个模块，相对于传统整流桥式开关模块，减少了一个元器件，简化了设计。
文档编号G01R31/00GK101561470SQ20091008373
公开日2009年10月21日 申请日期2009年5月8日 优先权日2009年5月8日
发明者洋 于, 进 刘, 陈树君, 韦婉琰 申请人:北京工业大学