专利名称：一种串联谐振型单相单管电压暂降发生装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于单相电力负荷设备的电能质量敏感性测试设备，尤其涉 及一种串联谐振型单相单管电压暂降发生装置。
背景技术：
20世纪80年代以来，随着现代化敏感电力电子设备的广泛应用以及新型电力负 荷的迅速发展，动态电能质量问题日益受到关注，其中最为突出、代价较大的问题之一就是 电压暂降。据国外某电力部门的调查在由电能质量引起的用户投诉中，由电压暂降引起的 投诉> 70%，而由谐波、开关操作过电压等引起的投诉< 30%。美国每年由电压暂降造成 的经济损失为120 260亿美元。因此，仅仅考虑谐波、工频变化、三相不平衡、电压偏差等 稳态电压质量指标已不能满足现代电力用户的要求。电压暂降这一方向的研究已越来越引 起电力科技工作者的极大关注。电压凹陷是指在系统频率时电压有效值(RMS)瞬时减小到额定值的10% 90% 的范围内，其持续时间一般为半个工频周期到数秒钟。由于1)现代电力系统中电压暂降事 件发生的次数多，远大于停电次数；2)电压暂降影响范围大，短路电压暂降可波及几十km 外负荷正常运行；3)电压暂降使敏感设备不能获得所需质量的电能，电压暂降造成的损失 巨大，因而电压凹陷是目前电力系统中最严重的电能质量问题之一。电压凹陷的发生，会导 致程序逻辑控制器(PLC)误动而造成工业生产过程停产，导致调速装置(ASD)失灵而造成 产品报废，导致接触器与辅助继电器跳开以及不可预计的欠电压跳闸，导致计算机系统丢 失重要数据等。最近十几年来，由于敏感设备的激增，电压凹陷给工业用户造成了巨大的经 济损失，资料表明，在欧美等国家1次电压凹陷事故造成的经济损失至少在数百万美元以 上。某织纺厂仅6个周波幅值为80%的电压暂降，对生产线造成的损失和两个小时的持续 停电事故相当。为了测试一个新设计系统的电压暂降抗干扰性以及电压暂降对一些特定电子设 备的敏感影响性，我们需要一个电压暂降信号产生设备，即电压暂降发生装置。如SEMI-F47 就规定了半导体制造设备对电压暂降抗干扰性要求。电压暂降主要有2个参数指标。第一 个是电压暂降的幅度，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。 第二个是电压暂降的持续时间，即电压暂降发生后持续多少时间，一般为0. 5周波 3秒。电 压暂降发生装置必须能满足上述2个参数指标设计和实现。下面对现有各种应用场合的多 种不同电压暂降发生装置进行分析描述。美国专利第5920132号描述了能够利用自耦变压器在小功率电子设备上产生电 压暂降动作，仅用于低电压领域。美国专利第5886429号描述了一种计算机控制和监测的测试台，用于测试连接到 测试台的电子设备对测试台产生的电压暂降和电压突升的响应。专利申请W00060430号描述了应用于玻璃生产厂电压暂降部件敏感性检验系统。 每相至少包括两个双极型开关，连接到工业自耦变压器。该系统提供电压暂降的幅度、持续时间两个参数的选择控制，且每相可产生不同电压暂降。国家专利101151546描述了用于测试低电压下发电机如风力涡轮机响应电压暂 降的动作的测试装置，电压暂降类似于可能出现在风力涡轮机连接到电网上的电压暂降。专利申请200910083733. 5号描述了一种用于电磁兼容国家标准电压暂降抗扰度 测试的三相交流电压暂降发生电路。该电路每相由2块双向功率开关模块、滤波电感组成， 采用两个IGBT共发射级串联组成双向功率开关模块代替传统整流桥式开关模块，简化了 设计。此外，专利申请200810020220. 5号提出了模拟电压暂降试验的过程和方法，根据 不同被测设备类型确定典型接线形式和实验点。上述各种设备和方法均采用了双向功率开关模块或变压器，存在的控制复杂、价 格昂贵、体积大的缺点，主电路保护难。
实用新型内容为了达到所述目的，本实用新型的技术方案一种串联谐振型单相单管电压暂降 发生装置，包括连接启动键的可调节单脉冲发生器，可调节单脉冲发生器的输出端连接占 空比可调脉冲发生电路上，占空比可调脉冲发生电路输出端上依次连接有光耦PWM驱动电 路，单相单管交流斩波器和LC串联谐振型滤波器。优选的所述可调节单脉冲发生器由555芯片、电位器连接组成。这样的结构实现 半个周波_3秒的可调脉宽单脉冲产生，进行暂降持续时间的调节。优选的占空比可调脉冲发生电路和555芯片、至少1个电阻、至少1个电位器、至 少2个二极管和至少1个电容器构成多谐振荡器。控制端信号由可调节单脉冲发生器输出 提供，控制本多谐振荡器是否起振，电位器用于10% -95%范围内进行暂降深度调节。优选的光耦PWM驱动电路中采用至少1个高速光耦。高速光耦完成PWM驱动并 实现弱电与主电路的隔离。优选的单相单管交流斩波器中至少包括1个全控功率管、4个快恢复二极管，实 现单管双向电子开关斩控式交流调压，全控功率管控制信号由光耦PWM驱动电路输出提{共。优选的LC串联谐振型滤波器由谐振电感L、膜薄电容C串联构成，在工频50Hz中 发生LC串联谐振，PWM载波频率以上构成低通滤波，负载与LC串联。由于采用了所述的技术方案，本实用新型一种串联谐振型单相单管电压暂降发生 装置，采用单个绝缘栅双极型功率管及辅助电路代替，从而减少了主电路和控制电路的元 器件数目，实现了电路简化并降低成本，提高装置的可靠性。负载与LC串联谐振型滤波器 串联，LC串联谐振型滤波器在PWM载波频率以上构成低通滤波，在工频50Hz时中发生LC串 联谐振，使得工频时滤波器导致压降很小，暂降电压控制误差小。另外，功率管驱动采用可 调节单脉冲发生器、占空比可调脉冲发生电路纯硬件实现，保护可靠性好。基于单相单管的 电压暂降发生装置的方法，较好克服了目前同类装置存在的控制复杂、价格昂贵、体积大的缺点，具有显著的技术经济优越性。装置可在手动模式下产生电压暂降，并能10%-90%范 围内进行暂降深度调节，半个周波-3秒范围内进行暂降持续时间调节。
图1本实用新型一种串联谐振型单相单管电压暂降发生装置的原理框图。图2本实用新型一种串联谐振型单相单管电压暂降发生装置的电路图。图3本实用新型一种串联谐振型单相单管电压暂降发生装置的单相单管交流斩 波器电路图。
具体实施方式
如图1，图2以及图3所示，本实用新型包括连接启动键6的可调节单脉冲发生器 1、可调节单脉冲发生器1的输出端连接占空比可调脉冲发生电路2上，占空比可调脉冲发 生电路2输出端上依次连接有光耦PWM驱动电路3，单相单管交流斩波器4和LC串联谐振 型滤波器5。以电流最大30A的串联谐振型单相单管电压暂降发生装置为例，主电路采用单相 单管交流斩波器4，包括1个全控功率管、4个快恢复二极管构成，实现单管双向电子开关斩 控式交流调压，功率管控制信号由光耦PWM驱动电路3输出提供。单相单管交流斩波器4 一端与正常电网相连接，单相单管交流斩波器4另外一端通过LC串联谐振型滤波器5与暂 降发生电路的输出端相连。另外，启动键6与可调节单脉冲发生器1的控制端相连，可调节 单脉冲发生器1的信号输出端与占空比可调PWM脉冲发生电路2的的控制端相连，占空比 可调PWM脉冲发生电路2的信号输出端产生一个时间段的占空比可调PWM脉冲，经过光耦 PWM驱动电路3发出单路PWM驱动信号，控制单个绝缘栅双极型功率管的开通关断。负载与 LC串联谐振型滤波器串联，LC串联谐振型滤波器在PWM载波频率以上构成低通滤波，在工 频50Hz时中发生LC串联谐振，使得工频时滤波器导致压降很小，暂降电压控制误差小。在单相单管电压暂降发生电路中，最重要的设计是单管双向交流调压模块的设 计。本实用新型单相单管交流斩波器4包括1个全控功率管、4个快恢复二极管构成，实现 单管双向电子开关斩控式交流调压，功率管控制信号由光耦PWM驱动电路3输出提供。全 控功率管采用绝缘栅双极型功率管IRFP450，4个快恢复二极管都采用IDP45E60，两个。其 工作原理是，电网电压正半周时，正向电流分别经滤波器、负载和二极管D2和全控功率管 及二极管D3，流回电源地端；电网电压负半周时，反向电流分别经二极管D1、全控功率管、 二极管D4、负载及滤波器，流回电源端，实现双向电流，同时在整个过程中，全控功率M0S管 IRFP450的电流始终保持从漏极D流向源极S.所述的正常电网为单相220V。暂降电压输出 为正常电网电压的10% 90%。谐振电感L的电感范围8mlTl5mH，膜薄电容C.功率管的开 关频率为5kHz，能够暂降电压的持续时间为10ms-3s，暂降电压的暂降幅值为10% 90%。本实用新型的整体工作原理是启动键6按下后，与相连可调节单脉冲发生 器一555单稳态触发器的控制使能端有效，输出产生单个低电平脉冲，低电平维持时间通 过该部分的调节电位器进行调节，低电平维持时间也就等于暂降电压的持续时间。该低电 平脉冲信号与其相连占空比可调PWM脉冲发生电路2的控制使能端有效，输出产生一个时 间段的占空比可调PWM脉冲，占空比调节通过该部分电路中的调节电位器进行调节，占空比越小对应暂降电压的暂降幅值就越小。输出的占空比可调PWM脉冲，经过光耦PWM驱动电 路3发出单路PWM驱动信号，控制单个绝缘栅双极型功率管的开通关断。再经过LC串联谐 振型滤波器在PWM载波频率以上构成低通滤波，驱除高频成分，在工频50Hz时中发生LC串 联谐振，压降很小，从而实现负载两端产生一个单相电压暂降信号。当启动键6弹起后，经 过一段持续时间，可调节单脉冲发生器的输出从低电平跳回高电平，单个低电平脉冲结束， 占空比可调PWM脉冲发生电路不再输出PWM脉冲，而输出保持高电平，此时控制单个绝缘栅 双极型功率管保持开通，负载两端的单相电压暂降结束，恢复正常电网电压。这样就实现了 串联谐振型单相单管电压暂降发生装置的功能。
权利要求一种串联谐振型单相单管电压暂降发生装置，包括启动键(6)，其特征在于包括可调节单脉冲发生器(1)、可调节单脉冲发生器(1)的输出端连接占空比可调脉冲发生电路(2)，占空比可调脉冲发生电路(2)的输出端上依次连接有光耦PWM驱动电路(3)，单相单管交流斩波器(4)和LC串联谐振型滤波器(5)。
2.如权利要求1所述的一种串联谐振型单相单管电压暂降发生装置，其特征在于所 述可调节单脉冲发生器(1)由555芯片、电位器连接组成。
3.如权利要求2所述的一种串联谐振型单相单管电压暂降发生装置，其特征在于占 空比可调脉冲发生电路(2)和555芯片、至少1个电阻、至少1个电位器、至少2个二极管 和至少1个电容器构成多谐振荡器。
4.如权利要求1所述的一种串联谐振型单相单管电压暂降发生装置，其特征在于光 耦PWM驱动电路(3)中采用至少1个高速光耦。
5.如权利要求1所述的一种串联谐振型单相单管电压暂降发生装置，其特征在于单 相单管交流斩波器(4)中至少包括1个全控功率管、4个快恢复二极管。
6.如权利要求1所述的一种串联谐振型单相单管电压暂降发生装置，其特征在于LC 串联谐振型滤波器(5)由谐振电感L、膜薄电容C串联构成。
专利摘要本实用新型一种串联谐振型单相单管电压暂降发生装置对双向功率开关模块进行分析改进，减少主电路和控制电路的元器件数目，不需要变压器。为了达到所述目的，本实用新型的技术方案一种串联谐振型单相单管电压暂降发生装置，包括可调节单脉冲发生器、可调节单脉冲发生器的输出端连接占空比可调脉冲发生电路上，占空比可调脉冲发生电路输出端上依次连接有光耦PWM驱动电路，单相单管交流斩波器和LC串联谐振型滤波器。由于采用了所述的技术方案，本实用新型一种串联谐振型单相单管电压暂降发生装置，采用单个绝缘栅双极型功率管及辅助电路代替，从而减少了主电路和控制电路的元器件数目，实现了电路简化并降低成本，提高装置的可靠性。
文档编号G01R31/00GK201637768SQ20092021559
公开日2010年11月17日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者吕干云 申请人:浙江师范大学