變頻電源范文

導語：如何才能寫好一篇變頻電源，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

1、單相變頻電源的主電路采用交一直一交電壓型變頻電路，主要由整流、濾波、逆變組成。整流部分采用單相橋式整流模塊，實現AC/DC的轉換；濾波環節采用濾波電容來穩定直流電壓；

2、逆變部分采用智能功率模塊DIP-IPM，實現DC/AC的轉換。變頻電源的控制回路用來調節電源系統輸出信號的頻率和幅值，實現變壓變頻。為保證系統安全可靠，設置了過壓欠壓檢測保護電路、光耦隔離驅動電路、輔助電源轉換電路等。

（來源：文章屋網 ）

篇2

關鍵詞：變頻器；輸出特性；波形分析

引言

眾所周知，我們所使用的市電頻率是50Hz，但是，在實際生活中，有時需要的電源頻率不是50Hz，這就需要變頻電源。對一個電源來說，用戶期望它在各種性質的負載下，都能輸出穩定的電壓，變頻電源也不例外。因此，有必要研究變頻電源在各種性質的負載（純阻性，感性，容性，非線性）下的輸出特性。

1實驗方案

本實驗的接線框圖如圖1所示。

50Hz的三相電網電壓經變頻器整流逆變后，輸出頻率可變（用戶可自行調節輸出頻率）的正弦波，經LC濾波后，再經過升壓變壓器（作用是升壓和隔離）加到三相負載上。三相負載可以是純阻性，感性，容性和非線性。

本實驗期望得到的結果是，當變頻器的輸出電壓和輸出頻率設定為固定值時，此變頻電源裝置能在各種性質的負載下，輸出穩定的電壓和頻率。

2參數選擇

2．1變頻器

本實驗用的變頻器是SIEMENS公司的MIDIMASTERVECTOR（MDV），它的輸出功率是7.5kW，額定輸入電壓380V，輸出電壓可調，輸入頻率50Hz，輸出頻率可調。

2．2變壓器及濾波參數

由于變頻器輸入額定電壓是380V，輸出電壓在0～380V范圍內可調，本實驗設定變頻器輸出電壓最高為300V，因此，就需要一個升壓變壓器，變比為300/380，使加在負載兩端的電壓為380V。

由于采用的濾波電路為LC濾波，其濾波電感和電容須滿足式（1）

1/2μ（根號LC）≤根號f1fs（1）

式中：fs為變頻器的開關頻率，fs=4kHz；

f1取為fs。

所以根號f1fs=根號（800×4000）=1789Hz

如果取L=7mH，C=1.5μF，則=1/[2π(根號LC）]

1553Hz滿足式（1）。

2．3負載參數

在純阻性負載實驗中，每相均采用5個250Ω，額定功率200W的電阻串聯；在感性負載實驗中，每相均采用3個250Ω/200W的電阻并聯，然后再跟62mH的電感串聯組成感性負載；在容性負載實驗中，每相用3個10Ω/250W的電阻串聯，再跟70μF的電容串聯組成容性負載，另外，每相用5個250Ω/200W的電阻并聯，再跟70μF的電容并聯也組成容性負載；在非線性負載實驗中，采用額定電壓為800V，額定電流為20A的整流橋作為非線性負載。

3實驗過程及分析

按圖1接線，其中三相濾波電感L均為7mH，三相濾波電容均為1.5μF，變壓器采用/Y接法，變比是300/380，變頻器輸出頻率設定為60Hz，然后接不同性質的負載進行實驗。

3．1純阻性負載實驗及分析

三相負載均采用五個250Ω/200W的陶瓷電阻串聯，輸出電壓為300V，當確認一切接線都沒有問題時，開始實驗，測得波形如圖2所示。分析及說明如下：

1）由于變頻器輸出電壓為300V，則變壓器輸入電壓接近300V，而變壓器變比是300/380，所以，理論上變壓器輸出電壓為380V，其峰值為537V；

2）實驗中，通過觀察圖2中的波形，得到變壓器輸出電壓峰值的實驗值為540V，接近理論值；

3）用頻譜分析儀觀察諧波分布，看到4kHz的諧波與60Hz基波相差最大，有30dB，即諧波約占基波的3.16％。

3．2感性負載實驗及分析

把圖1中的負載換成感性，其中每相均用3個250Ω/200W電阻并聯，再跟63mH的電感串聯，三相負載接成星形，輸出電壓為300V，當確認一切接線均沒有問題后，開始實驗，測得波形如圖3所示。分析及說明如下：

1）用頻譜分析儀觀察諧波分布，發現此種情況下300Hz以內諧波及4kHz，8kHz諧波與60Hz的基波相差30dB左右，即諧波成分約占基波的3.16％，其余次數的諧波含量更低，表明濾波效果良好；

2）為了進一步改善波形，嘗試把每相濾波電感由7mH換為10mH，再觀察諧波分布，發現高次諧波（4kHz，8kHz）與基波相差33.6dB，波形有所改善，如圖4所示；

3）由于本次實驗所用電感的漆包線比較細，不能承受很大的電流，因此，把變頻器輸出電壓調節為230V，此時理論上變壓器輸出電壓峰值應為412V，觀察圖3波形,發現實驗值為420V，基本接近理論值。

3．3容性負載實驗及分析

3．3．1電阻與電容串聯

把圖1的負載換成三相容性負載,每相均由3個10Ω/250W的電阻串聯，再與70μF的電容串聯，變頻器輸出電壓為298.4V，測得波形如圖5所示。分析與說明如下：

用頻譜分析儀觀察諧波分布狀況，發現最高次諧波為高次諧波（4kHz，8kHz），其倍頻與基波相差35dB，即諧波成分占基波的1.8％，濾波效果非常好，有高次諧波，是因為變頻器的開關頻率為4kHz。

3．3．2電阻與電容并聯

再把負載換成每相均由5個250Ω/200W的電阻并聯，再與70μF的電容并聯，變頻器輸出電壓為303V，測得波形如圖6所示。

3．4非線性負載實驗及分析

把圖1的負載換成額定電壓為800V，額定電流為20A的整流橋作為非線性負載，變頻器輸出電壓為300V，檢查一切接線均無問題后，開始實驗，實驗情況如下：

1）整流橋輸出電壓波形，如圖7所示，其理論值為515V，觀察波形，實驗值為520V，相差不大，實驗效果還可以；

2）變壓器輸出電壓波形，如圖8所示。用頻譜分析儀觀察諧波分布，發現諧波比較厲害，其中300Hz的諧波最厲害，與60Hz基波相差20.6dB;120Hz，240Hz，1.2kHz，4kHz，8kHz諧波也較厲害，其中4kHz的諧波與基波相差28.8dB，8kHz的諧波與基波相差34dB；

3）嘗試把濾波電容由1．5μF變為3μF，發現高頻部分諧波有所減小，波形更接近正弦波；

4）再把濾波電感由7mH變為10mH，發現諧波分布無明顯變化。

3．5實驗結果總結

在綜合分析了上述實驗波形及數據后，總結如下：

1）當變頻器輸出頻率設定為60Hz時，變頻電源在各種性質的負載下輸出頻率也為60Hz，波動很小，符合設計要求；

2）在純阻性負載情況下，變頻器輸出電壓設定為300V，變頻電源輸出電壓峰值為540V，在510V～564V的范圍內（理論值的波動在±5％范圍內）；

3）在感性負載情況下，由于所用電感的漆包線比較細，承受電流比較小，最多3A，因此，把變頻器輸出電壓調節為230V，此時變頻電源輸出電壓峰值為420V，照此推論，如果變頻器輸出電壓為300V，則變頻電源輸出電壓峰值為549V，也在510V～564V的范圍內，滿足要求；

4）在容性負載情況下，當電阻與電容串聯時，變頻器輸出電壓為298.4V，變頻電源輸出電壓峰值為530V；當電阻與電容并聯時，變頻器輸出電壓為303V，變頻電源輸出電壓峰值為540V；

5）在非線性負載情況下，變頻器輸出電壓仍然設定為300V，此時變頻電源輸出電壓峰值為530V，也在510V～564V的范圍內，同樣滿足要求。

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關鍵詞：有源功率因數校正；正激變換器；振動棒；變頻調速

引言

隨著電力電子技術，微型計算機和大規模集成電路的飛速發展，使得由變頻器組成的交流電機變頻調速系統迅速發展成熟起來，并得到了越來越廣泛的應用。

現有的振動棒產品基本上都是一種電動機帶發電機，再由發電機提供200Hz交流電，帶動高速振動棒電機運行的工作狀態[1]。其突出的缺點是體積和重量都比較大，對現場施工造成使用和移動上的很大不便。本文研究的重點是將交流變頻調速技術，應用在振動棒這一種小型建筑用機械上，開發一種新型變頻電源。在實現振動棒功能的同時使整機的體積和重量都大幅減小，并提高輸入端的功率因數，穩定輸出端的電壓和頻率，還能降低產品的成本。該變頻電源基本性能指標如下：供振動器的內置式異步偏心式振動電機的電源頻率為200Hz，單相輸入，三相輸出，電機的線電壓為42V，單機功率為350W，要求能帶雙機運行。

1電壓型逆變器的主電路

變頻電源不但要實現變壓和變頻功能，還要使輸入與輸出實現電氣隔離，并且還要滿足電網的諧波要求，其基本結構一般均包括AC/DC，DC/DC和DC/AC等幾個重要部分。

本電源主電路由APFC前級，DC/DC和三相逆變3個部分構成。輸入經全橋不控整流后，用Boost電路作為APFC的電路拓撲進行電壓預調節。DC/DC部分采用單端正激變換器實現降壓和隔離的功能。三相逆變部分則采用SPWM控制方式，其基本結構如圖1所示。由于采用了功率因數校正技術，因此輸入功率因數高，電網側流諧波小，對電網的諧波污染很??；而且當電網電壓波動或負載變化時，由于DC/DC環節的控制可以保持三相逆變部分的直流側電壓穩定，從而使系統的輸出電壓穩定，而不需要通過調節三相逆變部分的調制深度來改變輸出電壓的大小，因此，對逆變部分的控制芯片的要求就可以降低，可以采用比較廉價的CPU。另外，由于是低壓逆變，則可采用低壓MOS管作為逆變電路的功率開關管。

2有源功率因數校正（APFC）電路

采用平均電流控制的Boost電路來實現APFC，是目前在高頻開關電源中使用最廣泛的一種APFC控制方法。應用平均電流控制法的功率因數校正器的控制電路在市場上已有很多種集成電路芯片可供選擇，其中美國Unitrode公司的UC3854是很有代表性的一種，并在實際中得到了較廣泛的應用。在本方案中，就是采用Unitrode公司的UC3854芯片來實現的，其電路原理圖如圖2所示[2]，輸入端電壓電流實驗結果如圖3所示。實際電壓和圖中電壓對應關系為為1V∶1V，實際電流和圖中電流對應關系為4A∶1V。

3正激（Forward）變換器的設計[2]

振動棒是一種手持式電動產品，為了操作人員的人身安全，輸入與輸出之間要實現電氣隔離。APFC前級的輸入與輸出是沒有隔離的，實現隔離的功能是由DC/DC部分完成的。由于采用的是高頻DC/DC變換電路，因此變壓器的體積可以做得很小。另外，由于APFC的輸出電壓大約為350～400V，考慮到后面逆變電路開關管的電壓應力問題，DC/DC部分應該還具有降壓的功能?；谶@種考慮，在本方案中，DC/DC部分采用的是正激變換電路（ForwardConverter）。正激變換器的最大優點是結構簡單，可靠性高，減少了成本和重量?？紤]變壓器的磁復位問題，本方案采用如圖4所示的電路。在開關管導通時，變壓器傳輸能量，在開關管關斷時，輸出二極管D1反偏沒有能量泄放回路，磁化能量將引起較大的反壓加在MOS管的漏極和源極之間。采用N2線圈的作用就在于經二極管D可以把儲存的能量返回到電源中。只要N2和N1的匝數相同，開關管承受的漏－源電壓就為2Vs。采用N1與N2兩個繞組雙線并繞的方法，可以減小漏感。在圖4電路中，功率開關的控制芯片采用的是Unitrode公司的UC3844。

4三相逆變器控制、驅動與保護電路的設計

4.1逆變控制電路的設計[3]

由于本方案逆變部分不需要通過調節調制深度來改變輸出電壓的大小，僅須實現變頻功能就可以，故控制電路采用的芯片是INTEL的87C51FX系列的8位單片機，價格比通用的Intel196單片機大大降低，而性能足夠。一般而言，應用CPU產生PWM的典型用法是采用定時的方法，在定時中斷中通過查詢的方式來確定三相的輸出。但是，這種方法只適用于輸出PWM脈沖頻率很低的情況，當輸出頻率大于1kHz時，中斷查詢時間就可能會長于最小輸出脈沖寬度，這樣就會造成輸出脈沖寬度變大或減小，使輸出諧波加大，三相之間的對稱關系也會受到影響。與普通的51系列單片機相比，87C51FX增加了一個可編程的計數器陣列（PCA），它由一個16位的定時器/計數器和5個16位比較/捕捉模塊組成，如圖5所示，其功能與Intel196單片機的EPA相似。PCA的16位定時器/計數器作為比較/捕捉模塊的定時標準，因此，主要作為定時器使用，每個比較/捕捉模塊都有4種用途，即捕捉外部引腳CEXn上輸出電平發生跳變的時間，軟件定時器，高速輸出和脈沖寬度調制輸出。

本方案采用不對稱規則采樣法產生三相6路控制脈沖。相比于對稱規則采樣法，不對稱規則采樣法所形成的階梯波更接近于正弦波。將計算出的三相脈沖寬度的值存成一個數據表，作為定時基準，在程序中查詢這些定時時間就可以得到6路控制脈沖。工作原理簡述如下：應用87C51FX的軟件定時器和高速輸出方式，在16位比較方式中，16位PCA定時器的計數值和模塊中的16位比較寄存器中的預置值在每個機器周期進行3次比較，若相等則產生一個匹配信號，使模塊工作于高速輸出方式，即在PCA定時器計數值和模塊的比較寄存器比較相等時產生一個匹配信號，該信號使外部引腳CEXn上的輸出電平發生跳變，如果允許也產生一個PCA中斷。由軟件來設置CEXn上輸出電平的初態，就可以使該引腳在預定時刻達到時發生正（負）跳變，利用這種方式就可以產生16位PWM波。

由于引腳的跳變不須經過CPU的運算來完成，因此，避免了由于最小脈沖寬度過窄而造成的脈沖寬度變化。程序主要由主程序和中斷服務程序兩部分組成。主程序主要是進行初始化工作，將定時器和各個寄存器賦予初值。中斷程序主要包括用于產生PWM脈沖的PCA中斷服務程序和保護中斷程序：在PCA中斷服務程序中，主要是將下一個定時時間賦值給各個模塊的比較寄存器；保護中斷程序主要是處理當有保護信號到來時，封鎖PWM輸出。

4.2驅動電路的設計[4][5]

本方案中驅動芯片采用IR2130。IR2130的最大優點是可共地運行，因此只需要一路控制電源。而且它的6路輸出信號中的3路還具有電平轉換功能，既能驅動低壓側的功率器件，也能驅動高壓側的功率器件。IR2130還具有電流放大和過電流保護功能；欠壓鎖定并能指示欠壓和過電流狀態功能；輸入端噪聲抑制功能；同時還能自動產生上、下側驅動所必需的死區時間（2μs）等功能。實際應用中的驅動電路如圖6所示。

4.3保護電路與主電路的設計

由于驅動電路部分具有電流保護功能，因此，保護電路部分只設計了電壓保護，包括輸入過壓、欠壓保護和輸出過壓、欠壓保護。保護電路如圖7所示。其中，這幾種保護功能的實現電路是類似的，即輸出（或輸入）電壓經過分壓后送到比較器的反相端，比較器的同相端接給定電壓。他們的區別在于比較器的輸出不同，即輸入過壓和輸出過壓時，比較器輸出低電平；輸入欠壓和輸出欠壓時，比較器輸出高電平。前面3種保護電路的輸出經過4011的運算后，成為“或”的關系，即只要有一種故障發生，得到的故障信號就是高電平，送到CPU的外中斷端口進行相應的處理。輸出欠壓時，比較器輸出高電平，發光二極管點亮，同時蜂鳴器發出聲音報警。

由于DC/DC部分的輸出電壓比較低，因此，主電路部分采用的功率開關管是低壓MOSFET。同時，為了減輕開關過程中功率管的負擔，在主電路部分采用了緩沖電路，如圖8所示。其中三相逆變橋由6個MOSFET組成，D1～D6是MOSFET自帶集成的快速恢復二極管，R，D，C組成了緩沖電路（也可以看出是U，V，W三相緩沖電路的等效電路）。

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關鍵詞：變頻器；干擾；因素；預防；措施

中圖分類號：F407文獻標識碼： A

目前工業所用變頻器，其開關元件大多采用較大功率的開關元件，如：IGBT、GTO等。變頻器的主要控制方法有：U/F（恒壓頻率比）、PAM（脈沖幅度調制）以及矢量控制等。變頻器以其節能、軟啟動、多臺控制等優點在現代工業生產中得到廣泛應用。但變頻器也有自身缺陷，即易受到電氣干擾，干擾來源來自變頻器自身及設備等，變頻器在電氣干擾下，其運行可靠性受到較大影響。因此，在實際應用中，需做好電氣干擾的預防措施，以保證變頻器能夠可靠運行。

1內部電氣干擾與預防措施

在進行變頻器安裝或安裝變頻器柜時，變頻器干擾是每一位安裝人員所需重點考慮的問題。變頻器是為設備的控制系統，一旦發生變頻器因干擾問題造成變頻器誤動作、當機時，被控制設備也因此停止工作，導致工業成產中斷，對工廠造成巨大的經濟損失。因此，保證變頻器的運行可靠性，對保障工業生產效益有著重要意義。

在安裝變頻器時，通過以下安裝處理，可以解決大部分電氣干擾問題：①將變頻器主電路與控制電路分開安裝，保證主電路與控制電路的線纜沒有交叉、纏繞；②將變頻器主電路線纜使用金屬管包裹，利用金屬管屏蔽電磁干擾；③嚴格按照接地標準對變頻器進行接地處理。下面為具體干擾因素分析與解決措施。

1.1高次諧波電氣干擾與預防措施

1）高次諧波電氣干擾。變頻器自身攜帶的整流電路在工作時會產生一種非線性諧波，即高次諧波。在實際工作時，變頻器自身所攜帶的整流器會產生一定量的高次諧波，這些高次諧波首先會產生一種輻射干擾，然后與電網系統相連的各個負載部分在帶有高次諧波的諧波電流作用下，造成電源側功率因數降低，對與電網相連的負載與變頻器自身產生不同程度的影響；除輻射干擾外，整流器還會產生傳導干擾，傳導干擾會使與變頻器相連的異步電動機發出電磁噪聲以及異步電機的銅損與鐵損增大，導致異步電機的效率與功率因數有較大降低、同時異步電機在運行時震動程度增加、機身溫度上升較快等影響。因此，為了保證變頻器與電源側負載運行的可靠性，需采取措施抑制或消除電源諧波干擾。

2）預防措施。為抑制高次諧波措施圖，具體過程如下：①在變頻器電源輸入側安裝電流濾波器，利用電源濾波器降低變頻器電源側的高次諧波電流；②在變頻器電流輸出端安裝電流濾波器，降低變頻器在工作時產生的高次諧波，從而有效降低異步電機運行時產生的電磁噪聲；③當電源容量超過500千伏安以上，且容量超過變頻器容量的10倍以上時，變頻器會因電源阻抗較小，導致變頻器工作時因電源諧波的增加，造成變頻器整流電路中的整流二極管與電容發生損毀，因此在實際工作時，應采用電源適配電感器與濾波器組合使用。

1.2電磁噪聲干擾與預防措施

1）電磁噪聲干擾。變頻器在工作時，其斬波通過高波頻率輸出。變頻器也因此在實際運行中相當于一個干擾源，產生大量的電磁噪聲。電磁噪聲根據傳輸途徑可分為3種：

①輻射式電磁噪聲傳播，即通過與變頻器相連的輸出、輸入線路傳播，它又可分為變頻器直接輻射噪聲、電源線輻射噪聲和電動機輻射噪聲三種。這類輻射傳播噪聲會造成測量儀表、傳感器等設備的誤動作。易受此種傳輸方式干擾的元器件大多數是傳感器、各類測量儀表等這一類設備；

②感應式電磁噪聲干擾。感應式電磁干擾，其主要產生原因為：變頻器附近的輸出、入線路的外部設備在電磁感應以及靜電感應的作用下產生噪聲干擾，這類電磁噪聲同樣會對設備產生一定的影響；

③電源傳播式噪聲干擾。電源傳播式噪聲干擾，其干擾傳播方式為：當變頻器與其設備共同使用同一電源供電時，變頻器在運行時產生的電磁噪聲會通過相連的電源線傳入變頻器設備，設備在電磁干擾的影響下，易發生誤動作。

2）解決措施。針對輻射式電磁噪聲，我們需要采取以下幾種有效措施：第一種方法是將受到輻射傳播噪聲影響的外部設備安裝到遠離變頻器的地方，從而降低輻射傳播噪聲對它們的影響；第二種方法是在變頻器輸入輸出動力線上安裝線性濾波器，這樣以來，可以有效的抑制電源線輻射噪聲；第三種方法是在設備信號線上使用屏蔽線并接地，同時也要在輸入輸出動力線上使用屏蔽線并接地，這樣就形成了屏蔽層，從而抑制電磁噪聲對設備的干擾。

針對感應式電磁噪聲干擾，我們采取的抑制對策與輻射傳播噪聲的抑制對策是相同的。變頻器設備使用同軸電纜，或使用雙絞屏蔽線代替設備信號線，以此達到抑制或屏蔽感應式電磁噪聲干擾的目的。電源傳播式電磁噪聲干擾的預防措施：采用降低載波頻率的方式，抑制電磁噪聲干擾。

針對電源傳播式噪聲，為了避免其它設備的誤動作，需要采取和抑制以上兩種噪聲相同的策略，有效的抑制這種電磁噪聲。

2變頻器外部電氣干擾與預防措施

在變頻器安裝位置附近，通常還安裝一些繼電器、電磁接觸器等電氣設備。這些電氣設備在實際工作時，會產生電磁噪聲干擾。電磁噪聲的產生，會對安裝于附近的變頻器產生一定干擾，在電磁干擾的作用下，變頻器運行可靠性受到影響，是變頻器易發生誤動作。為了保障變頻器能夠可靠運行，有必要對變頻器采取防干擾措施。

1）設備需安裝電磁噪聲抑制器。解決外部設備對變頻器的電磁干擾，主要有兩種解決方式，一種是在設備上安裝屏蔽設備，第二種就是對變頻器安裝屏蔽裝置。電磁噪聲干擾來源于設備，因此在干擾源頭安裝電磁噪聲屏蔽裝置有著良好作用。例如，在實際工業生產中，作為變頻器設備之一的直流繼電器，其輸入端與變頻器的輸出端相連，為了防止繼電器產生的電磁噪聲對變頻器產生干擾，需在變頻器輸出端與繼電器輸入端安裝電涌吸收管，使繼電器產生的電磁噪聲干通過電涌吸收管的作用，抑制電磁噪聲，從而保證變頻器的運行可靠性。

2）變頻器本身安裝防干擾裝置。在對變頻器設備安裝電磁噪聲干擾抑制器的同時，還可對變頻器本身安裝電磁噪聲抑制器。例如，通過對變頻器安裝濾波器，使設備產生的電磁噪聲干擾信號在濾波器的作用下得到抑制、消除，從而達到抑制電磁噪聲干擾的目的。

3變頻器產生的泄露電流

泄漏電流主要包括對地漏電流和線間漏電流兩種，對地漏電流容易使斷路器、繼電器等設備產生誤動作，對它最有效的抑制對策就是降低載波頻率，選擇合適的設備。線間漏電不僅會使繼電器產生誤動作，還會對變頻器本身造成一定的影響，抑制這種漏電流也是采取以上方法。在使用變頻器內的電子熱繼電器時，要注意縮短它的動力線長度，對于3.7千瓦的變頻器，要將動力線控制在50米以內，對于超過3.7千瓦的變頻器，需要將動力線控制在100米以內。

結束語

在變頻器實際工作運行中，除設備與變頻器本身產生的電氣干擾外，其工作環境對變頻器也存在一定干擾，例如：雷電、溫度、濕度、電網波動等，這些因素的變化對變頻器工作可靠性同樣產生較大影響。因此，在實際生產中，需對干擾因素進行分析，從而找出解決辦法，保障變頻器的工作可靠性。

參考文獻

[1]徐淑莉.電氣設備抗干擾能力的探索[J].科技信息.2010(05).

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關鍵詞：變頻空調；電氣控制系統原理；無刷直流電機；轉子位置檢測

一、變頻空調工作的特點

變頻空調可以根據環境的溫度變化自動選擇制冷、制熱和除濕等功能，讓房間在短時間

內達到用戶所需要的溫度。因此，變頻空調具有多種特點，具體分析如下。

第一，當變頻空調剛啟動時，其運轉頻率最大，通常超過130HZ，同時在這個時候，變頻空調的制冷和制熱速度最快，能夠在最短的時間內讓房間溫度達到用戶所需的溫度。

第二，變頻空調不需要進行頻繁的開關機，由于變頻空調在很大部分時間內都是進行低頻段運轉，所以，整機的噪音較低。

第三，當變頻空調在開機半小時之后，就可以自動轉入節能運行。如果在夜間使用節能功能時，應在低頻下運轉，這樣才能使能效達到最高，更能起到節能省電的作用。

第四，當變頻空調在剛啟動時能夠以高速進行運轉，但它并非一直以高速運轉的，當室溫達到所設定的溫度時，就會自動轉為低頻進行運轉工作，因此，變頻空調對于溫度的控制比較精確。

第五，通常情況下，一旦室溫低于8℃，空調器便不能正常運行，而變頻空調便不是如此，它能夠在室溫低于-15℃時依然能夠制熱運轉，從而實現了變頻空調超低溫運行功能。

第六，由于變頻空調在進行控制室溫的過程中，主要以低頻運轉為主，又加之開關機比較少，對變頻空調產生的損害較小，同時壓縮機和空調的整個系統運行的比較穩定，基于這些原因，變頻空調的使用壽命要比普通的空調長，且對電網造成的沖擊比較小，從而保證了家用其他電器的安全。

二、變頻空調系統設計及電氣控制系統原理

（一）系統設計

變頻空調系統主要由制冷系統和控制系統構成。在分體式的變頻空調中，其運轉部件主要由室內風機、室外風扇以及壓縮機組成，主要將空調器內部產生的冷、熱空氣帶到房間內的不同區域，最終讓室溫在短時間內達到用戶所需要的溫度。對于溫度的設定及其他空調的運轉功能等，都是利用紅外線遙控器和室內機控制板上的紅外線接收器，來對變頻空調的各項功能進行控制，將控制指令發送到室內機控制板上的單片機中。而實現對風扇電機和風門電機的控制主要是利用匯編指令和溫度傳感器的狀態進行實施控制過程的，因此，變頻式空調器電氣控制系統具有高效率、低噪音，且體積較小，質量較輕的特點，最終實現對溫度的精確控制功能。

（二）電氣控制系統原理

1.直流變頻概念

我們把采用無刷直流電機作為壓縮機的空調器稱為“直流變頻空調”從概念上來說是不確切的，因為我們都知道直流電是沒有頻率的，也就談不上變頻，但人們已經形成了習慣，對于采用無刷直流壓縮機的空調器就稱之為直流變頻空調。

2.無刷直流電機

無刷直流電機與普通的交流電機或有刷直流電機的最大區別在于其轉子是由稀土材料的永久磁鋼構成，定子采用整距集中繞組，簡單地說來，就是把普通直流電機由永久磁鐵組成的定子變成轉子，把普通直流電機需要換向器和電刷提供電源的線圈繞組轉子變成定子。這樣，就可以省掉普通直流電機所必須的電刷，而且其調速性能與普通的直流電動機相似，所以把這種電機稱為無刷直流電機。無刷直流電機既克服了傳統的直流電機的一些缺陷，如電磁干擾、噪聲、火花可靠性差、壽命短，又具有交流電機所不具有的一些優點，如運行效率高、調速性能好、無渦流損失。所以，直流變頻空調相對與交流變頻空調而言，具有更大的節能優勢。

3.轉子位置檢測

由于無刷直流電機在運行時，必須實時檢測出永磁轉子的位置，從而進行相應的驅動控制，以驅動電機換相，才能保證電機平穩地運行。實現無刷直流電機位置檢測通常有兩種方法，一是利用電機內部的位置傳感器（通常為霍爾元件）提供的信號；二是檢測出無刷直流電機相電壓，利用相電壓的采樣信號進行運算后得出。在無刷直流電動機中總有兩相線圈通電，一相不通電。一般無法對通電線圈測出感應電壓，因此通常以剩余的一相作為轉子位置檢測信號用線，捕捉到感應電壓，通過專門設計的電子回路轉換，反過來控制給定子線圈施加方波電壓；由于后一種方法省掉了位置傳感器，所以直流變頻空調壓縮機都采用后一種方法進行電機換相。

4.變頻驅動模塊

這一部分指的是完成直流到交流的逆變過程，用于驅動變頻壓縮機運轉的逆變橋及其周圍電路。變頻空調上通常采用6個IGBT構成上下橋式驅動電路。在實際應用中，多采用IPM（IntelligentPower Module）模塊加上周圍的電路（如開關電源電路）組成。IPM是一種智能的功率模塊，它將IGBT連同其驅動電路和多種保護電路封裝在同一模塊內，從而簡化了設計，提高了整個系統的可靠性?，F在變頻空調常用的IPM模塊有日本三菱的PM系列及日本新電元的TM系列（內置開關電源電路）。

5.通訊電路

從主機（室內機）發送信號到室外機是在收到室外機狀態信號處理完50毫秒之后進行，副機同樣等收到主機（室內機）發送信號處理完50毫秒之后進行，通訊以室內機為主，正常情況主機發送完之后等待接收，如500毫秒仍未接收到信號則再發送當前的命令，如果1分鐘內未收到對方的應答（或應答錯誤），則出錯報警；同時發送信息命令給室外，以室外機為副機，室外機未接收到室內機的信號時，則一直等待，不發送信號。由于空調室內機與室外機的距離比較遠，因此兩個芯片之間的通信（+5V信號）不能直接相連，中間必須增加驅動電路，以增強通信信號（增加到+24V），抵抗外界的干擾。

6.電源的濾波及保護

該部分主要的功能是吸收電網中各種干擾，并抑制電控器本身對電網的電磁串擾，以及過壓保護及防雷擊保護。

三、結語

綜上所述，了解了變頻空調的特點和電氣控制系統的原理，才能更好的評估及測試變頻空調，從而使變頻空調更加安全可靠的為人們的日常生活提供舒適環境的保證，滿足人們對高品質生活的需求。

參考文獻：

[1]江靜，張雪松.基于模糊PID控制的變頻空調電氣控制系統的設計[J].華北科技學院學報，2010，（4）：64-70.

篇6

關鍵詞：絕緣柵雙極型晶體管；IGBT；擊穿（炸機）；海上平臺；電潛泵；變頻柜 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN733 文章編號：1009-2374（2016）17-0148-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.17.072

1 IGBT擊穿故障原因分析

2013年在避臺風回到平臺恢復生產時，南海某A平臺B-22H和B-11H各有一整流模塊在送電時內部炸機，當時廠家ABB人員隨即從B-03H變頻柜拆下一個整流模塊恢復B-22H變頻柜；另拆了一個模塊到B-11H變頻柜，再次送電時又炸機，另外一臺原先未損壞的模塊又出現了炸機。相隔不久，同時建造投產的姊妹B平臺也出現了6臺變頻柜炸機故障，同年11月4日，B平臺在臺風“羅莎”過后，復臺時候又發生兩臺變頻柜故障停機，分別是B20井和14井變頻柜，其中B20井變頻柜是整流側IGBT短路故障，B14井變頻柜是K13接觸器無法吸合故障，同一時段A平臺也有2臺變頻柜出現IGBT短路故障。平臺變頻柜連續發生模塊擊穿故障，而且問題是發生在避臺風回來的時候，模塊擊穿故障引起ABB廠方高度重視，指派其售后服務工程師現場檢查并提供調查處理報告。

1.1 IGBT擊穿原因廠家認為與受潮有關

電潛泵變頻柜在平臺陸地建造期間安裝時正好處于南方的梅雨季節，曾有一段時間不能進行驅潮工作，環境濕度較大。在設備投產前，雖然進行了長時間除濕和除塵工作，變頻柜表面的水跡已經干了，但是受潮后會在一定時間內影響變頻柜性能。雖經全面檢查和絕緣測試均達到了使用要求，在運行了一段時間，有一部分變頻柜在避臺后恢復生產重啟時出現IGBT擊穿，廠方售后工程師配合平臺電氣師重新檢查了全部變頻柜，發現受潮問題也只是個案，不能代表所有設備情況一樣，受潮并不是IGBT擊穿的主要原因。

1.2 設備上電后啟動整流前暖機驅潮工作未做好

廠家認為設備上電后啟動整流前暖機驅潮工作未做好，為此平臺電氣師按要求進行了全面檢查和整改

工作：

1.2.1 變頻柜上電前先抽出變頻柜整流及逆變模塊，檢查變頻柜交直流主回路相間、相對、二次回路對地絕緣有無問題。

1.2.2 用萬用表測量整流模塊及逆變模塊輸入輸出各極有無接地，測試合格后將整流模塊及逆變模塊重新安裝好。

1.2.3 確保在電機電纜與逆變模塊輸出端子U2、V2、W2斷開的情況下，用耐壓測試儀在電機繞組、電機電纜與保護地之間施加國家標準規定的直流電壓，絕緣電阻應符合國標準規定要求阻值。

1.2.4 用耐壓測試儀在直流母排正負極母線、交流母排相間以及交直流母線對地間施加國家標準規定的直流電壓，絕緣電阻符合國家標準規定要求阻值。

1.2.5 按照運行措施和規范的要求，檢查柜體應無明顯的凝露和潮濕的現象，如果環境潮濕，必須采取強通風措施，在運行前必須先啟動逆變模塊風機運行30分鐘進行驅潮。

1.3 要求變頻柜空間加熱器電源必須連續工作

廠方要求變頻柜空間加熱器電源必須連續工作不能有中斷，為此平臺電氣師為每一臺變頻柜電加熱器重新敷設了由不間斷電源（UPS）供電的電纜，同時在避臺期間因空調無法運行，為達到調控濕度要求，安裝了三臺除濕機進行連續工作。

平臺電氣根據廠家的調研報告進行了一系列的整改工作，但是變頻柜擊穿故障并未停止。2013年11月27日，避臺返回恢復生產時又發生三組變頻柜發生同樣的IGBT模塊擊穿故障，同時B平臺也有兩臺變頻柜IGBT模塊短路擊穿故障。初步的原因分析并不明朗，故障的頻繁出現引起了各級領導和工程師的高度重視，也得到了ABB廠家的技術支持，廠家再次安排傳動方面專家進行現場調查和取證返廠進行分析研究。

2 IGBT擊穿故障根本原因分析

按照變頻柜廠方專家要求，重新進行全面檢查，并更換為未投產井同等功率變頻柜的相同模塊（屬于同一批次），進行現場重復啟動運行測試。記錄各項參數、運行曲線、故障時間點等方面展開。著重檢測分析短路故障發生上電啟動整流模塊的起始時間段，在廠方專家現場的幾次上電、啟動、運行測試過程中，再次發生了兩臺變頻柜IGBT模塊擊穿故障，由于是親身經歷廠方專家對自身產品性能的認識有了重新思考，也驗證平臺方電氣師的判斷――IGBT發生擊穿故障有一個共同特點，就是在變頻柜上電啟動整流部分的前幾秒鐘內發生的。如果躲過去這個啟動擊穿時間節點，那就可以連續運轉至停機是不會擊穿的，如果在啟動整流模塊時間點與這個時間節點重合，即發生擊穿故障并伴有一聲巨響。為分析擊穿的根本原因，廠家立即將損壞的模塊及尚未發生問題的兩組模塊帶回廠實驗室進行分析研究，并記錄下所有產品的批次代碼及產地等信息，再次分析IGBT擊穿故障，尋找問題的根本原因。

2.1 查閱隨機資料分析

2.1.1 AGDR（驅動板）提供觸發信號去控制IGBT的導通和關斷，AGDR從AINT接收的電壓及控制信號經過各種電路轉換成控制IGBT導通關斷的觸發信號，如果中間任何元件故障造成觸發信號丟失，則AINT接收不到反饋信號，RDCU會給出模塊短路故障，有時候觸發信號沒有完全丟失，但信號不正常，一般會報出模塊電流不平衡故障。

2.1.2 故障的AGDR板返回分析（送檢的IGBT驅動板），首先檢查外觀有沒有元器件損壞：如果有，直接檢測損壞的元器件，再根據原理圖檢查有無其他元器件損壞，最后上電運行測試；如果沒有，需要先上電測試，用示波器觀察電路各部分的波形，發現有問題的部分再根據原理圖進一步檢查

2.2 廠家試驗報告分析

下面是AGDR板上有關陶瓷電容電路（C213～C216）部分的簡單結構，這一部分目前發現的有四種損壞的情況：

2.2.1 C213或C214損壞，內部結構損壞導致電容變成一個電阻特性，即在+15V和GND之間加了一個電阻，造成IGBT的驅動波形向下偏移，直接影響了IGBT的正常導通和關斷。

2.2.2 同樣C215或C216損壞，造成了IGBT的驅動波形向上偏移，也會影響了IGBT的正常導通和關斷。

2.2.3 如果C213或C214其中一個損壞，同時C215或C216也有一個損壞，這樣在整流的+15V和-8V之間直接形成了一個通路，電流會變大，同時會造成整流二極管V201和V221燒壞。

2.2.4 外觀檢查時有時會發現一個電阻R203燒壞，原因是C213或C214損壞后，在這個電阻上產生了大約2V左右的壓降，電阻參數是功率0.25W，阻值10Ω，容易造成這個電阻燒壞。

2.3 根據相關技術資料分析

2.3.1 變頻柜快熔保險的熔斷時間應該在20毫秒級，對IGBT也是一個過載保護。

2.3.2 變頻柜的輸出電流大，也會延長IGBT管的關斷時間，導致直通。

2.3.3 驅動不足也即驅動電壓偏低，容易使IGBT管進入放大狀態，IGBT管的功耗大幅增加，IGBT管將迅速燒毀。

2.3.4 IGBT發生擎住效應后，漏極電流過大造成了過高的功耗，最后導致器件的損壞。

2.3.5 IGBT具有極高的輸入阻抗，容易造成靜電擊穿，故在存放和測試時應采取防靜電措施。

2.3.6 在并行連接的逆變單元模塊中，傳動檢測到逆變單元中過高的輸出電流不平衡。這可能是由于外部故障（接地故障、電機故障、電纜故障等）或內部故障（損壞的逆變器部件）引起。

2.3.7 變頻柜硬件故障（APBU/NPBU）板――檢查并聯整流器的分配單元板。

2.3.8 直流電容器容量變化――可在傳動上電但未調制時檢測直流電壓是否穩定。

2.3.9 控制盤柜型號與傳動應用程序的版本不兼容――檢查其型號與程序的版本。

2.3.10 不正確的整流/逆變器型號――比較傳動單元的額定銘牌與軟件中的參數配置。

3 故障處理和防范措施

第一，廠家免費為平臺更換存在設計缺陷的同一批次全部IGBT模塊共500多塊（整流和逆變）。

第二，改進變頻柜冷卻風機運行控制模式，更改兩個平臺共55組變頻柜內部接線，上電時立即啟動冷卻風機為內部熱備機條件，干燥一段時間后再啟動主回路。

第三，變頻柜內部電加熱器電源改為由平臺不間斷電源UPS專門供電，停機時連續自動加熱驅潮，電潛泵開關間（VFD）安裝除濕機，其電源供給也使用不間斷電源。

第四，制定詳細的海上維護保養技術措施和注意事項：定期做維護保養使設備長期穩定運行；在沒有斷開變頻柜外部電纜連接的情況下，不要對外部電纜進行絕緣測試；當再次連接電機電纜時，應檢查相序是否正確；逆變模塊的中間回路使用了多個電解電容。這些電容的使用壽命至少有90000小時，實際壽命取決于傳動單元的運行時間、負荷及環境溫度。通過降低環境溫度可以延長電容器的壽命。

4 結語

經過變頻柜廠家和平臺電氣師的反復調查和分析研究，查出變頻柜接連發生故障的根本原因是該批次IGBT模塊存在設計上的缺陷，不適合海上環境下使用。廠家免費更換此批次IGBT模塊，并和平臺電氣采取了一系列的防范措施，返臺或平時啟動變頻柜再未出現過IGBT模塊短路的炸機情況，變頻柜運行一切正常。

參考文獻

[1] 李麗.電工與電子技術[M].北京：石油工業出版社，2007.

篇7

【關鍵詞】供電系統；變頻交流發電機；過壓保護；設計保證等級；調壓點

【Abstract】This paper presents the design principles of the new civil aircraft overvoltage protection power supply system， and focuses on the architecture and design of hardware-based hardware implementation of the principle of overvoltage protection devices to meet the Airworthiness regulations requirements of civil aircraft， reducing the risk of Airworthiness certification.

【Key words】Electrical power System； Variable frequency AC generator； Overvoltage protection； Design assurance level； Point of regulation

0 前言

目前，新型民用飛機供電系統將采用115/200V、360-800Hz變頻交流供電體制，考慮到變頻交流發電機的輸入轉速范圍大和轉速高，其供電頻率取決于發電機的輸入轉速，變頻交流供電系統具有優良的動、靜態性能，其應用也帶了的新的挑戰。

根據某機型供電系統中大功率變頻交流發電機（VFG，額定功率120kVA）的電壓輸出特性可知，在勵磁電流飽和條件下，其電壓上升率非常高，在電源系統進行大容量負載切換或出現故障時，將會使發電機勵磁回路一直處于飽和狀態，引起發電機輸出過壓故障。如果采用與傳統飛機供電系統類似的發電機控制器（GCU）單獨實現電壓調節和保護功能，當GCU過壓保護功能起作用后，需要切斷發電機勵磁繞組，并斷開發電機接觸器，但是由于GCU的保護控制的延時特性（如延時50ms動作）以及接觸器存在固有的響應時間，當發電機在勵磁回路電流飽和時，其輸出電壓會嚴重超過飛機電網的過壓保護門限值，在發電機接觸器尚未斷開的時間內，機載用電設備將承受過高的電壓浪涌沖擊，可能導致用電設備故障，從而引起飛機災難級的飛行事故。

1 變頻交流供電系統過壓保護原理設計

針對新型民用飛機供電系統的過壓保護需求，下面將對供電系統調壓點處的過壓保護進行原理設計和分析。

變頻交流發電系統過壓冗余保護結構圖

1.1 功能結構和原理

通常飛機供電系統出現過電壓的原因主要有三種情況：（1）大容量負載的過程；（2）系統短路故障排除之后，由于發電機調壓器的滯后響應引起的過壓；（3）勵磁系統故障導致勵磁回路飽和的過壓。

若大功率變頻交流供電系統發生過壓故障，導致用電設備的損壞，可能發生飛機災難級失效，根據AC 25.1309-1B，“一個災難級的故障不可以由單個設備的失效導致”，需要在單個供電通道額外設置一個過壓保護裝置。

根據SAE ARP 4754A設備設計保證等級要求的確定和分配原則，A級設備可以由兩個獨立非相似設計的B級設備實現。因此從適航安全性要求方面考慮，應增加過壓保護裝置構成冗余過壓保護結構，以輔助GCU實現過壓保護功能。

的變頻交流供電系統過壓冗余保護結構，在GCU實現保護功能的基礎上，需要在發電機輸出端增加并聯的電源保護控制裝置OPU，該裝置利用電力電子裝置實現發電機輸出電壓的鉗位，并且增加發電機勵磁接觸器、發電機輸出接觸器的冗余控制電路，作為GCU的冗余保護，并與GCU獨立非相似，即GCU的電源保護功能基于復雜硬件與軟件實現，電源保護控制裝置OPU不含軟件，并且不基于復雜硬件電路實現。

當變頻交流發電機輸出過電壓后，GCU和OPU共同進行過壓保護，分成三個階梯過壓保護：

1）0～1ms內出現過壓故障之后，OPU在1ms內快速開始響應系統保護控制功能，進行發電機輸出過壓箝位；

2）1～55ms，在該過程中GCU電壓調節（包括電源保護控制）功能與OPU的過壓箝位功能同時作用，即通過發電機勵磁電流控制及OPU的過壓鉗位電路共同作用，將發電機輸出電壓限定在要求范圍內（180V以內）；

3）當出現過壓（180V）超過55ms后，GCU的電壓調節（過壓保護）不能達到要求時，OPU的冗余保護功能起作用，切斷電源。當電源電壓恢復到規定值時， OPU將給出電源接通信號。

GCU和OPU的接互信號包括：

1）由GCU提供給OPU永磁副勵磁機電源、28V直流電源、GCU28V電源、GCU保護產生的勵磁、主發電機接觸器控制信號；

2）OPU提供給GCU的BIT檢測信號，包括電壓鉗位電路、電源冗余保護控制電路、勵磁回路接觸器、發電機接觸器的狀態信息；

3）OPU需要獲取調壓點處的電壓信號，并在冗余保護控制時輸出勵磁回路接觸器、發電機接觸器的動作信號。

2.2 OPU的硬件結構和原理設計

2.2.1 OPU硬件結構

OPU硬件組成分為兩部分：過壓鉗位電路和延時保護電路，兩部分電路自身的工作原理不同，并獨立非相似，硬件結構見圖2。

過壓鉗位電路由采樣電路1、電壓鉗位電路、功率電路、能量泄放回路、輔助電源以及狀態檢測與顯示電路組成。

延時保護電路由采樣電路2、過壓延時比較電路、發電機接觸器電路、勵磁接觸器電路、輔助電源及狀態檢測與顯示電路組成。

過壓鉗位電路中的采樣電路1和延時保護電路的采樣電路2均對調節點電壓進行檢測、調理，為過壓鉗位、延時保護電路提供信號，但是采用不同工作原理和結構的電路，符合獨立非相似結構性，并且提高了采樣電路的可靠性。

2.2.2 OPU工作原理

OPU過壓鉗位電路通過采樣電路檢測調節點電壓，當電壓低于180V時，過壓鉗位電路不起作用，當電壓超過180V后，過壓鉗位電路在1ms內快速響應，鉗位發電機輸出電壓，只到輸出電壓低于180V后，鉗位電路不工作；當發電機輸出過電壓（180V）連續工作55ms之后，延時保護電路起作用，斷開發電機的輸出斷路器和勵磁控制回路接觸器，實現保護功能，該延時保護功能與GCU的過壓延時保護功能相互冗余，并且獨立非相似，提高整個發電系統的安全性和可靠性。

電源保護控制裝置中控制電源供電的輔助電源作為整個裝置失效率的關鍵部件，系統組成中將勵磁機輸出裝換成28V的變換器在過壓鉗位電路和延時保護電路中均作了冗余，過壓鉗位電路中變換器2作為變換器1的備份和冗余，同樣延時保護電路中變換器4作為變換器3的備份和冗余，保證整個裝置的各部分在某一變換器失效后，仍然能夠正常工作，以降低過壓保護裝置的失效率。

電源保護控制裝置的硬件結構

1）過壓箝位保護原理設計

為實現在發電機過壓運行狀態的電壓鉗位功能，采用電壓鉗位保護電路，將發電機輸出通過半波整流輸出，通過能量吸收電路。在發電機出現過壓現象后，即電源保護控制電路產生過壓信號之后，產生發電機接觸器驅動信號，利用該信號控制能量吸收電路，給發電機增加大負載后，使得發電機電流大幅增加，流過電阻負載，由于發電機固有的外特性，使得其輸出電壓下降，實現發電機過電壓的限定，此時發電機過壓產生的能量將消耗在電阻負載上。

2）獨立供電電源原理設計

電源保護控制裝置系統中采用冗余的電源電路，其中一路由變頻交流發電機的副勵磁機輸出供電，將永磁機輸出通過整流，再經功率變換器輸出28V獨立供電電源，在此基礎上利用28V經過輔助電源輸出±15V、5V，給電源保護控制裝置電壓檢測、保護電路用，該電源獨立于GCU電源系統，能夠在GCU失效工作之后，保證電源保護控制裝置獨立正常工作。另一路由系統28V電源通過輔助電源輸出±15V、5V，為電源保護裝置檢測、保護電路提供冗余供電。副勵磁機輸出產生28V與28V電源共同給勵磁回路、發電機接觸器供電，構成接觸器冗余供電系統。

2 結語

目前，新型大功率變頻交流供電系統采用發電機控制器（OPU）和過壓保護控制裝置（OPU）共同構成過壓保護結構，兩者獨立非相似，滿足了適航安全要求，并為飛機適航取證減小了不必要的風險。

【參考文獻】

[1]馬述訓.飛機設計手冊.第16冊[M].航空工業出版社，1999，12：118-119.

[2]AC25.1309 System Design and Analysis[S].

篇8

解決辦法：

1、改減速停車為自由停車，負載完全停下來的時間較長；

2、減速時間加長；

3、如果負載慣性較大，還希望快速停車，可以加裝合適的剎車電阻，使用電阻發熱消耗能量的辦法避免直流高壓側過電壓；

篇9

關鍵詞：高頻逆變；電除塵；電源優化；節能減排

中圖分類號： TE08 文獻標識碼： A

Abstract: It has been difficult for the old ESP to meet the new dust emission standards, but the update of the equipment costs a lot of money, therefore, how to reach a higher cost performance becomes the focus of attention . After researches we found that the replacement of the industrial frequency power with the high-frequency inverter of the ESP power can greatly improve the collection efficiency, with a high cost performance and a good prospect of application.

Key words: high-frequency inverter; ESP; power optimization; energy saving and emission reduction

0 引言

電除塵器(ESP)是利用電力將氣體中的粉塵分離出來，從而大幅度降低排入大氣層中的煙塵量，這是改善環境污染，提高空氣質量的重要環保設備。在我國，各類發電廠，燃煤鍋爐，堿回收鍋爐，水泥廠，垃圾發電廠，以及有色冶金工業、鋼鐵工業等行業，都不可缺少地需要配備電除塵器。它具有除塵效率高、阻力損失小、耐高溫、煙氣處理量大、操作自動化程度高等特點，應用廣泛。

我國的煤炭消耗占總體能源消費的60%以上，由此引起的煙塵和SO2污染日趨嚴重。上個世紀80-90年用的電除塵器因為設計時環保要求不高，設計余地不大，急需更新換代。電除塵器供電電源是電除塵系統的關鍵設備，也是重要的能耗設備。提升電除塵設備供電電源的效率就成為了提高電除塵器效率，達到國家環保的新標準的最有效手段。

1 高頻逆變電源原理及特點

高頻逆變電源電除塵器的核心思想是把三相工頻電轉變成直流電，然后再利用現代電力電子技術將直流電逆變成高頻交流加以控制，高頻逆變的拓撲形式如圖1所示：

圖1 高頻逆變電除塵電源框圖

其主要特點是：(l)三相整流器把三相交流電轉換成直流電，逆變器再把直流電壓轉換成高頻交變的方波，這種方式在控制上具有很大的靈活性，主要體現在逆變器可以采用PWM(pulse width modulation)、PS-PWM(phase-shift pulse width modulation)、PDM(pulse density modulation)和PFM(pulse frequency modulation)等多種控制方式或多種控制方式的組合。由于采用了高頻控制，輸出電壓的紋波小，系統的動態響應速度快，從而顯著地提高了除塵效率。另外，由于控制方式的靈活性，高頻逆變電除塵電源可以產生特定的高壓輸出波形，以適應不同的除塵工況。

(2)逆變器高頻交變方波的輸出形式使得升壓變壓器同時可為高頻變壓器。在保持升壓比不變的情況下，高頻變壓器的高、低壓繞組匝數相比于工頻變壓器明顯減少。變壓器體積的明顯減小，相應制作變壓器的原材料，如纏繞變壓器的銅、制作油箱的鐵、絕緣用的油等材料的使用都會大幅度減少。高頻電除塵電源的重量只有傳統工頻電除塵電源的1/5左右。

(3)與傳統的可控硅工頻相控電除塵電源相比，高頻逆變電除塵電源應用了全控型功率器件IGBT，開關速度快，電除塵器發生閃絡時能夠立即關斷。高頻逆變電除塵電源的上述特點使其具有比工頻電除塵電源更加優越的性能。傳統工頻電除塵電源的功率因數約為0.7，效率約為75%；而高頻逆變電除塵電源的功率因數達0.9以上，效率可高達95%以上，節能效果非常明顯。

2 高頻逆變電除塵器的先進性分析

2.1典型穩態輸出波形對比

電源的輸出電壓和電流越大，除塵效率越高。而電除塵器工作電壓受閃絡電壓限制存在上限值，因此，在相同閃絡電壓下，電除塵電源輸出電流越大，除塵效率將越高。圖2是穩態工作時高頻逆變電除塵電源與工頻電除塵電源的典型波形對比圖。

圖2 穩態時高頻逆變和傳統工頻典型波形對比

由圖可見，工頻電除塵電源輸出電壓具有較大的紋波，當閃絡電壓為約80kV時，平均輸出電壓約為60kV，只有閃絡電壓的75%。而高頻電除塵電源輸出電壓較平穩，接近閃絡電壓。因此，高頻逆變電除塵電源具有比工頻電源更大的輸出電流能力，除塵效率更高。

2.2動態輸出波形對比

高頻逆變電除塵電源不僅在穩態時具有突出優點，動態性能同樣優異。圖3為高頻逆變電除塵電源和工頻電除塵電源在電除塵器發生閃絡和重新啟動時的典型對比波形。

從上圖中可以看出，當閃絡發生時，兩者的輸出電壓都迅速下降，不同的是高頻逆變電除塵電源能夠迅速響應，封鎖電源輸出，所以輸出電流也隨之迅速下降至零。而工頻電除塵電源由于不能立即關斷晶閘管，導致輸出電流存在較大過流，且要經過很長時間才逐漸下降至零，在這個過程中，大量能量消耗在電除塵器中，并給電源造成很大沖擊。

從圖3中還可以得出結論，高頻逆變電除塵電源閃絡持續時間短，經過較短的退電離時間，系統就可以再次重新啟動；而工頻電除塵電源由于閃絡持續時間長，火花放電嚴重，電除塵器產生了大量的空間電荷，所以需要經過較長的退電離時間，系統才可以重新啟動。當系統重新啟動時，由于高頻逆變電除塵電源的響應速度快，因此輸出電壓能夠迅速達到預定電壓，而工頻電除塵電源則需要多個工頻周期后才能達到。上述兩點表明，高頻逆變電除塵電源的有效除塵時間將高于工頻電除塵電源，除塵效率更高。

3 高頻電源的應用實例

表1給出了各種工業應用采用高頻電除塵電源后，粉塵排放量相對于傳統工頻電除塵電源下降的現場數據[9]。

表1 各種工業采用高頻電除塵電源后排放量下降數據

應用場合 地點 安裝高頻電除塵電源裝置數量（臺） 排放量減少比例

燃煤鍋爐 世界各地 195 ～60%

堿回收爐 Baltic,Canada,South America 143 40-60%

濕式電除塵器 世界各地 103 40-85%

水泥和石灰 Europe 95 ～75%

垃圾 Japan,Europe 51 20-50%

生物鍋爐 Baltic 121 10-40%

玻璃制造 USA, Europe 52 ～60%

從表1可見，高頻電除塵電源在減小粉塵排放量上的效果顯著，平均可高達50%左右。

4 總結

從本文的研究可以看出，高頻電源在電除塵器上的使用具有很大的應用空間。高頻電源不但可以大大降低電除塵電氣設備的電耗，對企業節能減排和應對排放新標準都能起到極大作用。而且高頻電源的改造性價比高，對于不方便大規模更換電除塵設備的企業有著很大的吸引力。

參 考 文 獻

[1] Y.Liu, X.He. PDM and PFM hybrid control of a series-resonant inverter for corona surface treatmen. IEE Proeeedings Electric Power Application, 2005. 152(6): 1405-1410.

[2] 劉勇,何湘寧,張仲超.脈沖密度調制串聯諧振型塑料薄膜表面處理電源的研制.中國電機工程學報，2005.25(26): 155-162.

[3] 張琪.塑料薄膜表面處理電源的PS-PWM控制及其人機界面,碩士學位論文,杭州:浙江大學,2006.

[4] 張谷勛,蔣云峰.電除塵器電源的發展方向――高頻化和數字化.電源世界，2007(l): 1-4.

[5] N. Grass, W. Hartmann, M. Klockner. Application of different types of high-voltage supplies on industrial electrostatic Precipitators. IEEE Transactions on Industry Applications,2004. 40(6): 1513-1520.

篇10

【關鍵詞】視頻監控；小波變換；變電站

引言

隨著計算機技術、通信技術和視頻技術的不斷發展，對變電站進行遠程視頻監控成為可能。遠程視頻監控系統能監控變電站的安全和設備的運行情況以及提供事故發生過程中的圖像資料。同時它具有防火、防盜等功能。因此變電站遠程視頻監控系統將是自動化變電站的發展趨勢。本文簡要介紹遠程視頻監控系統的基本原理和功能，并對視頻監控的數據處理和傳輸加以分析，實現了小波變換的視頻壓縮方法，消除了現有系統中DCT變換帶來的方塊效應。

1 變電站視頻監控系統的原理及功能

變電站遠程視頻監控系統是將變電站內各監控目標區域內的圖像和環境數據傳輸到變電站的視頻主機。視頻主機對各收集的各種數據進行處理后通過通信網絡傳輸到調度中心和集控站視頻監控中心，運行人員通過監控中心視頻監控工作站對目標區域內進行監視。

遠程視頻監控系統主要由三部分組成：監控中心、通信通道和數據采集。數據采集是采用攝像頭和環境監測傳感器采集環境數據和視頻圖片數據，并對采集的數據進行實時壓縮，其環境數據包括溫度、風力和煙霧等數據。數據采集的設備將放置在各個需要監控的變電站內。通信通道是采用光纖或者互聯網等把壓縮數據傳輸到監控中心，通信通道的帶寬將會影響監控中心的視頻效果，如果帶寬不能滿足視頻數據傳輸的需求，視頻播放將會延時，達不到實時。監控中心將接受到的信息進行處理，探測出變電站的各種變化，給出報警信號，并能自動啟動相關保護設備。當環境和安防監控發生報警時，使工作人員能及時了解現場情況，采取處理措施。

視頻監控系統利用安裝在前端的攝像機等設備將被監控目標的數據傳輸到監控中心，同時通過監控中心控制前端設備的操作。變電站運行人員通過安裝在監控中心的視頻系統可以操作目標區域的設備進行全面監視。具體來說，視頻監控系統功能具有以下幾方面：

（1）視頻監控主機可對所有的接入信號進行全天24小時的監控，并把采集的視頻數據保存到監控中心的主機中，其視頻數據保存時間為30天。在視頻顯示窗口中將顯示站名、地點命名、時間和日期等信息。

（2）系統能夠對采集的圖像數據進行分析，以及對監控區域的物體運動進行偵測。如果采集的圖像數據在變化或者物體在運動，將分析圖像中物體的變化程度，如果超出限定值將觸發警報。

（3）根據變電站設備的特點，監控系統中可以制定相應的巡檢表。監控人員可以按照操作要求進行巡檢監控，并且一臺設備可以監視多個目標區域。檢測多個區域時設備能預置多個監控位置的云臺和鏡頭參數，能方便快速地轉到相應預置點，并自動調整好鏡頭的變焦和圖像清晰度。

（4）系統配置有溫度探測傳感器、濕度探測傳感器和煙霧探測傳感器等設備。這些裝置能自動檢測監控區域內的溫度、濕度和煙霧，如果檢測值超出范圍，立即發出報警。

2 變電站遠程視頻監控核心問題

變電站視頻監控系統主要通過攝像機等設備采集大量圖像數據，并通過通信網絡傳輸到監控中心。采集的圖像數據的數據量非常巨大，例如分辨率為512X512的一副24位的真彩色圖像，數據量就將達到

512×512×24=786.4KB

如果攝像頭采集的圖像按每秒25幀的速度傳輸到監控中心，每小時需要傳輸90000張圖像，則每小時監控中心需要提供存儲圖像的空間為

同時，通信網絡每小時也需要傳輸70.7GB的數據量。因此通信傳輸和存儲空間成了遠程視頻監控系統發展的瓶頸。雖然擴展通信帶寬和增加存儲空間可以解決視頻信息的傳輸和存儲所帶來的問題，但是并不是一個很有效的解決辦法，并會帶來新的困惑。解決此問題最有效的辦法是降低圖像數據量，因此圖像壓縮技術成為了遠程視頻監控的核心問題。本文采用小波變換對圖像數據進行壓縮，降低了圖像數據量。

3 視頻數據壓縮

視頻監控系統采集的視頻數據雖然數據量非常巨大，但是這些圖像數據之間是存在大量的冗余信息，這些冗余信息具有高度的相關性。在一些特定情況下，視頻數據允許有一定的失真，但是不影響視頻檢測的實際效果，因此可以通過去除視頻圖像數據之間的冗余來達到視頻數據壓縮的目的，使視頻數據的壓縮成為可能。本文采用小波變換對數據進行了壓縮。

3.1 視頻小波變換原理

視頻小波變換編碼系統主要由二維小波變換、量化和熵編碼三部分組成。首先對視頻中每一幀圖像進行二維小波變換（DWT），然后用改進的門限值量化矩陣對所得的小波系數進行量化，最后在比特分配階段對量化后的系數進行熵編碼。解碼過程是其編碼過程的逆過程。

3.2 二維小波變換算法原理

視頻中的每一幀圖像都是二維信號，圖像上任意一點都有一個圖像信號的灰度值與之對應。其小波變換過程表示如下：

假設是一個二維信號，其中，表示二維基小波，即：

其中：A為尺度因子，都取整數，。

將進行離散化處理可得：

，，

其中：是取定的非奇異矩陣，是離散化位移的序號，則二維小波變換方程為

其中：

，

峰值信噪比方程為：

其中：M，N分別表示圖像中像素點的行數和列數，表示橫坐標為縱坐標為的像素點的原始灰度值和壓縮后的灰度值，。

3.3 仿真實驗

本實驗選用了一張圖片進行小波變換處理，把處理后和處理前進行了比較，其峰值信噪比為246.83Ddb。圖1和圖2分別表示處理前后的數據圖。

圖1原始數據圖 圖2小波系數圖像

4 結論

隨著計算機技術和通信技術的飛速發展，在變電站內使用遠程視頻監控系統成為變電站發展成為無人值班變電站的必然趨勢，本文分析了變電站遠程監控系統的組成和基本功能，并提出了小波變換數據壓縮方法，有效的降低了視頻數據量，此算法消除了傳統DCT變換帶來的邊緣效應和方塊效應，有效的防止誤碼傳輸，降低了傳輸數據量和算法復雜度。

參考文獻：

[1]盧選民，張原，史浩山.分布式智能監控系統視頻多畫面顯示的設計與實現.計算機應用研究，2000（3）.