一种低频交流发生装置的制作方法

本实用新型属于交流低频电压、电流发生装置，特别适用对频率、电压、电流有高精度、大功率需求的场合，如感性负荷加热及热老化测试、加热精炼、容性负荷耐压、低频谐振激励等。

背景技术：

大功率输配电变压器在投入运行之前需要进行额定容量的短路测试，但对于超高压输电变压器，在工频频率下，变压器绕组的感性分量远大于阻性分量，即电抗远大于等效电阻，导致该频率下进行大功率负载试验、温升试验或加热试验时，往往需要提供大量的电容器来补偿电抗带来的感性无功，设备庞大，构成复杂，现场不容易安装，可靠性较低，存在系统谐振风险，成本高，不易运输，装置操作不方便。大功率输配电变压器运行数年之后，也需要进行例行的检修，要采用加热的方式把变压器绕组中的水分烘干，同样面临上述感性阻抗过高的问题。

装置工作时，输出能力受工频升、降压变阻抗影响，功率因数低，软启动效率低，尤其是试验感性负载如果有单相和三相之分时，除非引进功能不同的设备，否则操作转换几无可能实现。

现有的低频交流发生装置通过改变装置的工作频率，一定程度上解决了上述问题，

例如《201410101817.8-一种大型电力变压器低频加热的实现方法》专利采用交-交变频的技术，虽然解决了被试对象的感抗问题，但存在只能依靠频率调节来进行装置的加热能力，控制手法单一，精度较差，输出单相和三相制式转换困难，启动参数复杂，需要事先了解变压器特征阻抗。

再例如《201611130179.8-耐低温的变压器低频加热装置》，虽然采取交- 直-交的技术拓扑，有效规避了控制手法单一、以及低温启动的问题，但装置电气结构复杂，可拓展性不强，输出单相和三相制式转换困难，仍然导致装置应用受限。

综上，工频交流发生装置和当前的低频交流发生装置均存在一些功能上的缺陷。同时也带来的新的问题，主要是：

1.装置输出单相和三相不易切换，操作复杂；

2.装置控制方法单一、算法适应性差；

3.装置的输出能力扩展性差，利用率低；

4.装置频率范围及精度不高，一般在0.5～12.5Hz，精度在0.5Hz；

5.装置鲁棒性不强，整定复杂；

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种便于扩展大功率、高精度输出，易于单、三相切换的大功率高精度低频交流发生装置，更加有利于该类设备的推广应用。

本实用新型的技术方案如下：

一种低频交流发生装置，所述装置包括整流变压器(21)、第一整流组件22a、第二整流组件22b、第一模块化功率单元23a、第二模块化功率单元23b、第三模块化功率单元23c、第四模块化功率单元23d、辅助电源系统24、主控系统25、第一输出滤波电路26a、第二输出滤波电路26b、第三输出滤波电路26c、第四输出滤波电路26d及单三相切换电路27，所述整流变压器(21)至少包括第一低压绕组32及第二低压绕组(33)，以及至少1个高压绕组(31)；其中第一低压绕组(32)的输出端32a的A、B、C三相分别连接第一整流组件22a的A相输入端 41a、B相输入端42a、C相输入端43a,整流变压器(21)的第二低压绕组(33)的输出端33a的U、V、W三相分别连接第二整流组件22b的U相输入端41b、V 相输入端42b、W相输入端43b；

第一整流组件22a的输出端51a连接第一模块化功率单元23a的输入端直流支持电容正极11a和第二模块化功率单元23b的输入端11b,第一整流组件22a 的输出端52a连接第一模块化功率单元23a的直流支持电容负极12a和第二模块化功率单元23b的输入端12b；第二整流组件22b的输出端51b连接第三模块化功率单元23c的输入端11c和第四模块化功率单元23d的输入端11d,第二整流组件22b的输出端52b连接第三模块化功率单元23c的输入端12c和第四模块化功率单元23d的输入端12d；

第一模块化功率单元23a的输出端19a连接第一输出滤波电路26a的第一输入端子63a,第二模块化功率单元23b的输出端19b连接第二输出滤波电路26b 的输入端63b,第三模块化功率单元23c的输出端19c连接第三输出滤波电路26c 的输入端63c,第四模块化功率单元23d的输出端19d连接第四输出滤波电路26d 的输入端63d；

第一输出滤波电路26a的输出端子65a连接单三相切换电路27的输入端70，第二输出滤波电路26b的输出端65b连接单三相切换电路27的输入端71，第三输出滤波电路26c的输出端65c连接单三相切换电路27的输入端72，第四输出滤波电路26d的输出端65d连接单三相切换电路27的输入端73。

进一步的，上述技术方案中，所述第一整流组件22a至少由1组6脉波整流器、第一软启动电阻46a、第二软启动电阻47a，平波电感50a、第一旁路接触器44a、第二旁路接触器45a组成；其中6脉波整流器由第一整流二极管组48a、第二整流二极管组49a组成，其中6脉波整流器的第一整流二极管组48a、第二整流二极管组49a通过固定螺栓独立装配在符合散热要求的散热装置上；

第二整流组件22b与整流组件22a的连接结构完全相同。

进一步的，上述技术方案中，所述第一模块化功率单元23a包括直流支持电容正极11a、直流支持电容负极12a输入，直流支持电容13a、第一开关管14a、第二开关管15a、光-电驱动器17a输入端口16a、光电驱动器输出18a，直流支持电容(13a)的正极连接到第一开关管(14a)的集电极，第一开关管(14a)的发射极连接第二开关管(15a)的集电极，此连接点作为单元的交流输出端(19a)，第二开关管(15a)的发射极连接直流支持电容(13a)的负极，光-电驱动器(17a)分别连接第一开关管(14a)和第二开关管(15a)的门极，光-电驱动器(17a)和主控系统 (25)之间通过输入端口(16a)连接并通信，主控系统(25)发送指令，让光-电驱动器输出驱动脉冲至第一开关管(14a)和第二开关管(15a)的门极，任意时刻只能允许其中一只开关管导通，这样交流输出端(19a)就能够产生高低变化的脉冲宽度调制波形，当脉冲宽度按照正弦波规律调制时，就能够控制输出电压和电流按照正弦波规律变化；

所述第二模块化功率单元23b、第三模块化功率单元23c、第四模块化功率单元23d与第一模块化功率单元23a的连接结构完全相同。

进一步的，上述技术方案中，所述第一低压绕组(32)为星形连接，第二低压绕组(33)为角形连接。

进一步的，上述技术方案中，所述主控系统25由大容量现场可编程逻辑门陈列FPGA36，微处理器ARM37，接口电路38，电源转换39电路组成；其中接口电路包括AD采样电路、信号调理电路、基本I/O口电路、光电隔离接口电路、通讯接口电路；现场可编程逻辑门陈列FPGA36与微处理器ARM37通过SPI总线连接，相互配合完成系统控制功能；现场可编程逻辑门陈列FPGA36与微处理器与接口电路38通过信号线连接，并通过接口电路38接收/发送采样信号、IO信号、光电隔离的驱动信号；微处理器ARM37与接口电路38通过信号线连接，并通过接口电路38接收/发送通讯信号，电源转换39电路通过供电线路分别与现场可编程逻辑门陈列FPGA36、微处理器ARM37连接，给控制系统核心控制器供电。

进一步的，上述技术方案中，所述第一输出滤波电路26a由第一输入端子 63a、第二输入端子64a、滤波电感61a、滤波电容62a和输出端子65a组成的模块化电路，处理功率单元产生的开关次频率；

第二输出滤波电路26b、第三输出滤波电路26c、第四输出滤波电路26d和输出滤波电路26a的连接结构完全相同。

进一步的，上述技术方案中，所述单三相切换电路27由第一大功率接触器 S1、第二大功率接触器S2、第三大功率接触器S3、第一半桥输出端子40、第二半桥输出端子41、第三半桥输出端子42、第四半桥输出端子43组成，通过控制大功率接触器的开、关组合方式，可以方便的切换输出方式，包括

第一大功率接触器S1、第二大功率接触器S2、第三大功率接触器S3全分断情况下，第一半桥输出端子40、第二半桥输出端子41、第三半桥输出端子42 组成三相S桥输出；

第一大功率接触器S1闭合、第二大功率接触器S2及第三大功率接触器S3 分断情况下，第一半桥输出端子40、第二半桥输出端子42组成单相H桥串联输出；

第一大功率接触器S1分断、第二大功率接触器S2及第三大功率接触器S3 闭合情况下，第一半桥输出端子40、第二半桥输出端子42组成单相H并串联输出。

本实用新型有益效果如下：

1、将H桥的半桥臂和对应的直流支撑电容器作为应用基础功率单元，有利于H桥和S桥的转换和装置布局。继而实现装置的单相输出和三相输出的快速转换。

2、半桥臂中功率半导体只有H桥的一半，便于大功率输出应用及散热处理。尤其是散热处理，该设计方案可以适应不同的散热方式，大功率应用更显优势。

3、基础单元模块化设计，便于功率扩展，高速光电转换的引入，极大提高了系统的电磁兼容性与稳定性。大大的减小了装置的体积与复杂度，操作及维护极为便利。

4、通过H桥及S桥的变换，方便引入各种基础控制算法，改善输出特性，可以方便引入SPWM、载波移相、纹波交错控制、级联多电平控制，有良好的控制算法适应性。从而对扩展电压和电流输出范围，改善装置输出特性都极为方便。

说明书附图

图1：传统单相工频交流发生装置示意图

图2：传统单相交-交工频交流发生装置示意图

图3：传统单相交-直-交低频交流发生装置示意图

图4：传统三相低频交流发生装置示意图

图5：大功率高精度低频交流发生装置功率单元示意图

图6a、图6b：大功率高精度低频交流发生装置示意图

图7：大功率高精度低频交流发生装置主控系统示意图

图8：大功率高精度低频交流发生装置单三相切换电路示意图

具体实施方式

图1～图4为传统交流发生装置原理示意图。

图5为本发明装置功率单元的原理示意图

第一模块化功率单元23a包括直流支持电容正极11a、直流支持电容负极12a 输入，直流支持电容13a、第一开关管14a、第二开关管15a、光-电驱动器17a 输入端口16a、光电驱动器输出18a，直流支持电容13a的正极连接到第一开关管14a的集电极，第一开关管14a的发射极连接第二开关管15a的集电极，此连接点作为单元的交流输出端19a，第二开关管15a的发射极连接直流支持电容13a 的负极，光-电驱动器17a分别连接第一开关管14a和第二开关管15a的门极，光-电驱动器17a和主控系统25之间通过输入端口16a连接并通信，主控系统 25发送指令，让光-电驱动器输出驱动脉冲至第一开关管14a和第二开关管15a 的门极，任意时刻只能允许其中一只开关管导通，这样交流输出端(19a)就能够产生高低变化的脉冲宽度调制波形，当脉冲宽度按照正弦波规律调制时，就能够控制输出电压和电流按照正弦波规律变化；

该模块化功率单元的开关管具备良好的扩展性，类似的半桥结构，只要匹配不同光驱动器的驱动功率，就可以在单元上进行开关管并联扩展，以满足不同功率的需求。

图6为本发明装置的原理示意图。

整流变压器21有至少2个低压绕组，其中第一低压绕组32为星形连接，第二低压绕组33为角形连接，必要情况下可以扩展大功率低压绕组。所述变压器 21至少具备1个高压绕组31。

整流组件22a有至少由1组6脉波整流器，软启动电阻46a、软启动电阻47a，平波电感50a，第一旁路接触器44a、第二旁路接触器45a组成。其中6脉波整流器由第一整流二极管组48a、第二整流二极管组49a组成，其中6脉波整流器的第一整流二极管组48a、第二整流二极管组49a通过固定螺栓独立装配在符合散热要求的散热装置上。

整流组件22b与整流组件22a的连接结构完全相同。

装置模块化功率单元23a包括直流支持电容正极11a、直流支持电容负极12a 输入，直流支持电容13a、第一开关管14a、第二开关管15a、光-电驱动器17a 输入端口16a、光电驱动器输出18a，直流支持电容13a的正极连接到第一开关管14a的集电极，第一开关管14a的发射极连接第二开关管15a的集电极，此连接点作为单元的交流输出端19a，第二开关管15a的发射极连接直流支持电容13a 的负极，光-电驱动器17a分别连接第一开关管14a和第二开关管15a的门极，光-电驱动器17a和主控系统25之间通过输入端口16a连接并通信，主控系统 25发送指令，让光-电驱动器输出驱动脉冲至第一开关管14a和第二开关管15a 的门极，任意时刻只能允许其中一只开关管导通，这样交流输出端(19a)就能够产生高低变化的脉冲宽度调制波形，当脉冲宽度按照正弦波规律调制时，就能够控制输出电压和电流按照正弦波规律变化。

第二模块化功率单元23b、第三模块化功率单元23c、第四模块化功率单元 23d与装置模块化功率单元23a的连接结构完全相同。

主控系统25由大容量现场可编程逻辑门陈列FPGA36，微处理器ARM37，接口电路38，电源转换39电路组成。其中接口电路包括AD采样电路、信号调理电路、基本I/O口电路、光电隔离接口电路、通讯接口电路。现场可编程逻辑门陈列FPGA36与微处理器ARM37通过SPI总线连接，相互配合完成系统控制功能；现场可编程逻辑门陈列FPGA36与微处理器与接口电路38通过信号线连接，并通过接口电路38接收/发送采样信号、IO信号、光电隔离的驱动信号；微处理器 ARM37与接口电路38通过信号线连接，并通过接口电路38接收/发送各种通讯信号，电源转换39电路通过供电线路分别与现场可编程逻辑门陈列FPGA36、微处理器ARM37连接，给控制系统核心控制器供电。如图7所示。

第一输出滤波电路26a由第一输入端子63a、第二输入端子64a、滤波电感 61a、滤波电容62a和输出端子65a组成的模块化电路，可以有效处理功率单元产生的开关次频率。

第二输出滤波电路26b、输出滤波电路26c、输出滤波电路26d和输出滤波电路26a的连接结构完全相同。

单三相切换电路27由第一大功率接触器S1、第二大功率接触器S2、第三大功率接触器S3、第一半桥输出端子40、第二半桥输出端子41、第三半桥输出端子42、第四半桥输出端子43组成，通过控制大功率接触器的开、关组合方式，可以方便的切换输出方式，包括

第一大功率接触器S1、第二大功率接触器S2、第三大功率接触器S3全分断情况下，第一半桥输出端子40、第二半桥输出端子41、第三半桥输出端子42 组成三相S桥输出；

第一大功率接触器S1闭合、第二大功率接触器S2及第三大功率接触器S3 分断情况下，第一半桥输出端子40、第二半桥输出端子42组成单相H桥串联输出；

第一大功率接触器S1分断、第二大功率接触器S2及第三大功率接触器S3 闭合情况下，第一半桥输出端子40、第二半桥输出端子42组成单相H并串联输出。

综上所述：

本发明大功率高精度低频交流发生装置可以方便地完成输出单相和三相的转换，方便地扩展装置的容量，以适应大功率、高精度、低频率的输出。