适用于大功率阀试品的冲击电压发生器
阅读：344发布：2020-11-09
专利汇可以提供适用于大功率阀试品的冲击电压发生器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型涉及一种适用于大功率 阀 试品的冲击 电压 发生器。由包括AC电源和整流 硅 堆的整流充电部分、包括电容Cs和 电阻 R的三级并联充电部分、包括调波电感L和电阻Rs、Rd的调波部分、测量部分Vd和被试品P构成；主要特征是采用调波电感参与试验 波形 的调制，利用调波电感来避免过大的本体电容。调波电感的加入使得冲击波形的调节更加灵活、方便，可以更有效地得到大功率电 力 电子 装置所需的特殊冲击波形，同时调波电感也降低了发生器的整体造价，节省了试验过程中的 能源 消耗。，下面是适用于大功率阀试品的冲击电压发生器专利的具体信息内容。
技术领域
本实用新型涉及电力系统及电力电子系统中的大功率电力电子装置高电压试验技术的装 置，特别是一种适用于大功率阀试品的冲击电压发生器。
背景技术
电力电子技术是能够给电力工业带来革命性进步的新技术，也是当今电力工业界的热门 研究课题之一。先进电力电子技术将电子开关器件的制造技术、现代控制技术和传统电网技 术实现了有机的融合。并随着电力系统的发展，这一技术向着大容量、高功率的方向发展， 出现了一大批基于电力电子器件的大功率电力电子装置并逐步在电力系统中应用，如静止无 功补偿器(SVC)，晶闸管控制串联补偿器(TCSC)、静止同步补偿器(STATCOM)和直流输电 (HVDC)等。相信随着全国联网、西电东送和交直流特高压输电的逐步推进，大功率电力电 子技术及其应用必将在我国得到更大发展。
现代大功率电力电子装置的核心器件是单、双向的大功率阀，大功率阀是由半控或全控 的硅元件(晶闸管、GTO、IGCT等)，动态均压电路，静态均压电路，触发系统，散热器和 绝缘结构通过串并联的方式组成，结构复杂；又由于其在电力系统中的实际运行工况也很复 杂，因此大功率阀是一个非常复杂的电气部件，必须建立与其实际工况相应的试验手段。
IEC标准——61954和60700中明确提出大功率阀的介电试验主要包括交、直流耐压试验、 冲击电压试验和局放试验，其中冲击电压试验还包括一些特种操作波冲击试验。冲击电压发 生器是用于进行冲击试验的装置，主要研究被试品经受雷电过电压或操作过电压时的绝缘 性能。其工作原理可概括为首先电容器并联充电，而后串联放电。一般冲击电压发生器的 本体电容远大于被试品的电容，只需波头、波尾电阻就可调得所需波形。但大功率阀试品 具有很大的等效电容，如果仍采用传统的冲击电压发生器结构，则装置整体体积大，重量重， 损耗大且造价高。
发明内容
为了克服现有技术当中的上述缺陷，本实用新型的目的是提供一种适用于大功率阀试品 的冲击电压发生器，能够显著减小所需本体电容，扩大试验装置适用的试品范围(既可适用 于传统的高压试品，也可适用于现代的大功率阀试品)，增强试验装置的波形调节能力(雷电 波、操作波及特种操作波等)。
本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种适用于大功率阀试品的冲击电压发生器，由整流充电部分、三级并联充电部分、调 波部分、测量部分和被试品构成；其中所述整流充电部分包括AC电源和整流硅堆；所述三 级并联充电部分由三级并联的充电电容和充电电阻组成；所述调波部分由调波电阻Rt、Rp和 调波电感L构成，所述测量部分与所述被试品部分并联。与传统冲击电压发生器的主要区别 在于装置的调波部分增加了调波电感，通过采用调波电感来避免过大的本体电容；且调波电 感的加入使得冲击波形的调节更加灵活、方便，可以更有效地得到大功率电力电子装置所需 的特殊冲击波形；调波电感也降低了发生器的整体造价，节省了试验过程中的能源消耗。
由于采用了上述的技术方案，本实用新型具有的有益效果是：与传统的冲击电压发生器 相比，通过采用调波电感以提高了装置的灵活性和全面性，得到了经济有效的针对大功率阀 试品冲击试验的解决方案。该装置大大减小了试验等效大电容试品时所需冲击电压发生器的 本体电容，进而有效的节省了成本，提高了效率；实现了现代等效大电容阀试品各种波形的 冲击试验，同时可兼顾传统高压小电容试品的冲击试验；调波电感的采用使得冲击波形的调 节更为灵活，方便，提高了冲击装置的灵活性和全面性；降低了试验损耗，有效的节省了试 验所需能量，使得试验更经济、更环保。
附图说明
图1是本实用新型的一种用于大功率阀试品的冲击电压发生器原理图；
图2是本实用新型的一种用于大功率阀试品的冲击电压发生器的数学模型原理图；
图3是本实用新型的一种用于大功率阀试品的标准操作波波形；
图4是本实用新型的一种用于大功率阀试品的20/200μs特种试验波波形。
现代大功率电力电子装置的核心器件是单、双向的大功率阀，大功率阀是由半控或全控 的硅元件(晶闸管、GTO、IGCT等)，动态均压电路，静态均压电路，触发系统，散热器和 绝缘结构通过串并联的方式组成，结构复杂；又由于其在电力系统中的实际运行工况也很复 杂，因此大功率阀是一个非常复杂的电气部件，必须建立与其实际工况相应的试验手段。
IEC标准——61954和60700中明确提出大功率阀的介电试验主要包括交、直流耐压试验、 冲击电压试验和局放试验，其中冲击电压试验还包括一些特种操作波冲击试验。冲击电压发 生器是用于进行冲击试验的装置，主要研究被试品经受雷电过电压或操作过电压时的绝缘 性能。其工作原理可概括为首先电容器并联充电，而后串联放电。一般冲击电压发生器的 本体电容远大于被试品的电容，只需波头、波尾电阻就可调得所需波形。但大功率阀试品 具有很大的等效电容，如果仍采用传统的冲击电压发生器结构，则装置整体体积大，重量重， 损耗大且造价高。
发明内容
为了克服现有技术当中的上述缺陷，本实用新型的目的是提供一种适用于大功率阀试品 的冲击电压发生器，能够显著减小所需本体电容，扩大试验装置适用的试品范围(既可适用 于传统的高压试品，也可适用于现代的大功率阀试品)，增强试验装置的波形调节能力(雷电 波、操作波及特种操作波等)。
本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种适用于大功率阀试品的冲击电压发生器，由整流充电部分、三级并联充电部分、调 波部分、测量部分和被试品构成；其中所述整流充电部分包括AC电源和整流硅堆；所述三 级并联充电部分由三级并联的充电电容和充电电阻组成；所述调波部分由调波电阻Rt、Rp和 调波电感L构成，所述测量部分与所述被试品部分并联。与传统冲击电压发生器的主要区别 在于装置的调波部分增加了调波电感，通过采用调波电感来避免过大的本体电容；且调波电 感的加入使得冲击波形的调节更加灵活、方便，可以更有效地得到大功率电力电子装置所需 的特殊冲击波形；调波电感也降低了发生器的整体造价，节省了试验过程中的能源消耗。
由于采用了上述的技术方案，本实用新型具有的有益效果是：与传统的冲击电压发生器 相比，通过采用调波电感以提高了装置的灵活性和全面性，得到了经济有效的针对大功率阀 试品冲击试验的解决方案。该装置大大减小了试验等效大电容试品时所需冲击电压发生器的 本体电容，进而有效的节省了成本，提高了效率；实现了现代等效大电容阀试品各种波形的 冲击试验，同时可兼顾传统高压小电容试品的冲击试验；调波电感的采用使得冲击波形的调 节更为灵活，方便，提高了冲击装置的灵活性和全面性；降低了试验损耗，有效的节省了试 验所需能量，使得试验更经济、更环保。
附图说明
图1是本实用新型的一种用于大功率阀试品的冲击电压发生器原理图；
图2是本实用新型的一种用于大功率阀试品的冲击电压发生器的数学模型原理图；
图3是本实用新型的一种用于大功率阀试品的标准操作波波形；
图4是本实用新型的一种用于大功率阀试品的20/200μs特种试验波波形。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
参见附图，用于大功率阀试品的冲击电压发生器原理图如图1所示，从左至右依次为： 整流充电部分(AC电源和整流硅堆)、三级并联充电部分(充电电容Cs和充电电阻R)、 调波部分(调波电阻Rt、Rp、调波电感L)、测量部分(Vd)和被试品(大功率阀试品P)。
本实用新型的一种大功率电力电子装置的冲击电压发生器与传统冲击电压发生器相比， 巧妙地采用调波电感L来避免过大的本体电容；且调波电感L的加入使得冲击波形的调节更 加灵活、方便，可以更有效地得到大功率电力电子装置所需的特殊冲击波形；调波电感也降 低了发生器的整体造价，节省了试验过程中的能源消耗。
下面结合本实用新型的数学模型对本发明进行描述：
图1原理等效的数学模型如图2所示。参见图2，其中C1为发生器本体电容，L1为调波 电感，C2、R3和R2的一部分电阻是由试品参数决定的，R1和R2的一部分是调波电阻，U1为 本体电容上的电压。
以电容器电压u1、u2和电感电流i2作为状态变量时，状态方程为：
i1＝-C1du1/dt＝u1/R1+i2 (1)
i2＝C2du2/dt+u2/R3 (2)
u1＝L1di2/dt+R2i2+u2 (3)
消去状态变量i2和u1后得到关于试品电容电压u2的微分方程：
式中：a＝C1L1C2≠0；b＝C1L1/R3+C1R2C2+C2L1/R1；c＝C1R2/R3+C2R2/R1+L2/R1R3+C1+C2；
d＝1/R3+1/R1+R2/R1R3。
式(4)的特征方程为：ar3+br2+cr+d＝0 (5)
式(5)为一元三次方程，经减根变换r＝y-b/3a后可化为缩减式：
y3+3py+2q＝0 (6)
式中3p＝c/a-b2/3a2；2q＝2b3/27a3-bc/3a2+d/a；于是针对q2+p3的不同取值式(6)式的 解为：
(1)q2+p3＞0，此时可得一实根y1和二共轭复根y2和y3：
y2＝m1ω1+n1ω2；y3＝m1ω2+n1ω1
其中，ω1＝(-1+j)/2；ω2＝(-1-j)/2。
(2)q2+p3＝0，此时可解得三实根(其中有二根相等)：
(3)q2+p3＜0，引入三角函数，0＜φ＜π， 也可解得三个实根：
根据相应q2+p3的情况解出y后，利用减根变换式可反推出特征方程的根r，进而得到微 分方程(4)的通解，再根据初始条件(u1(0)＝uc，u2(0)＝0和i2(0)＝0)确定相应常数即可得解。 本体参数如下：
额定标称电压为±300kV，级数为3级，输出电压波形为1.2/50μs，250/2500μs，20/200μs， 陡冲击波≥1200kV/μs，效率为75％～95％，根据波形需要确定工作方式分三级串联和三级并联 两种，三级串联时本体等效电容为0.167μF，此时最大输出电压为±300kV；三级并联时本体 等效电容为1.5μF，最大输出电压为±100kV。
调波波形如下：
标准操作波(250/2500μs)波形的调波参数和实测波形如表1和图3所示，其中Up是冲 击峰值电压，t1是波头时间，t2是波尾时间：
表1大功率阀试品标准操作波调波参数 充电电压 kV 峰值 kV 波头 μs 波尾 μs 效率 ％ 波头电阻 Ω 波尾电阻 Ω 调波电感 mH 55 41.19 256.05 2266.80 74.9 220+140 5.5//2.7k 393
参见附图，用于大功率阀试品的冲击电压发生器原理图如图1所示，从左至右依次为： 整流充电部分(AC电源和整流硅堆)、三级并联充电部分(充电电容Cs和充电电阻R)、 调波部分(调波电阻Rt、Rp、调波电感L)、测量部分(Vd)和被试品(大功率阀试品P)。
本实用新型的一种大功率电力电子装置的冲击电压发生器与传统冲击电压发生器相比， 巧妙地采用调波电感L来避免过大的本体电容；且调波电感L的加入使得冲击波形的调节更 加灵活、方便，可以更有效地得到大功率电力电子装置所需的特殊冲击波形；调波电感也降 低了发生器的整体造价，节省了试验过程中的能源消耗。
下面结合本实用新型的数学模型对本发明进行描述：
图1原理等效的数学模型如图2所示。参见图2，其中C1为发生器本体电容，L1为调波 电感，C2、R3和R2的一部分电阻是由试品参数决定的，R1和R2的一部分是调波电阻，U1为 本体电容上的电压。
以电容器电压u1、u2和电感电流i2作为状态变量时，状态方程为：
i1＝-C1du1/dt＝u1/R1+i2 (1)
i2＝C2du2/dt+u2/R3 (2)
u1＝L1di2/dt+R2i2+u2 (3)
消去状态变量i2和u1后得到关于试品电容电压u2的微分方程：
式中：a＝C1L1C2≠0；b＝C1L1/R3+C1R2C2+C2L1/R1；c＝C1R2/R3+C2R2/R1+L2/R1R3+C1+C2；
d＝1/R3+1/R1+R2/R1R3。
式(4)的特征方程为：ar3+br2+cr+d＝0 (5)
式(5)为一元三次方程，经减根变换r＝y-b/3a后可化为缩减式：
y3+3py+2q＝0 (6)
式中3p＝c/a-b2/3a2；2q＝2b3/27a3-bc/3a2+d/a；于是针对q2+p3的不同取值式(6)式的 解为：
(1)q2+p3＞0，此时可得一实根y1和二共轭复根y2和y3：
y2＝m1ω1+n1ω2；y3＝m1ω2+n1ω1
其中，ω1＝(-1+j)/2；ω2＝(-1-j)/2。
(2)q2+p3＝0，此时可解得三实根(其中有二根相等)：
(3)q2+p3＜0，引入三角函数，0＜φ＜π， 也可解得三个实根：
根据相应q2+p3的情况解出y后，利用减根变换式可反推出特征方程的根r，进而得到微 分方程(4)的通解，再根据初始条件(u1(0)＝uc，u2(0)＝0和i2(0)＝0)确定相应常数即可得解。 本体参数如下：
额定标称电压为±300kV，级数为3级，输出电压波形为1.2/50μs，250/2500μs，20/200μs， 陡冲击波≥1200kV/μs，效率为75％～95％，根据波形需要确定工作方式分三级串联和三级并联 两种，三级串联时本体等效电容为0.167μF，此时最大输出电压为±300kV；三级并联时本体 等效电容为1.5μF，最大输出电压为±100kV。
调波波形如下：
标准操作波(250/2500μs)波形的调波参数和实测波形如表1和图3所示，其中Up是冲 击峰值电压，t1是波头时间，t2是波尾时间：
表1大功率阀试品标准操作波调波参数 充电电压 kV 峰值 kV 波头 μs 波尾 μs 效率 ％ 波头电阻 Ω 波尾电阻 Ω 调波电感 mH 55 41.19 256.05 2266.80 74.9 220+140 5.5//2.7k 393
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