[發明專利]一種IGBT觸發的變壓器感應操作沖擊電壓產生裝置

在審

• 申請號: 201410383501.2
• 申請日: 2014-08-06
• 公開（公告）號: CN104167927A
• 公開（公告）日: 2014-11-26
• 發明（設計）人: 黃軍凱;劉崇濱;曾華榮;趙立進;呂黔蘇;劉華麟;楊佳鵬;任明;董明;張崇興
• 申請（專利權）人: 貴州電力試驗研究院;西安交通大學
• 主分類號: H02M5/293
• 分類號: H02M5/293
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 周義剛

1.一種IGBT觸發的變壓器感應操作沖擊電壓產生裝置，包括：交流電源(1)、調壓器(2)、限流電阻(3)、整流模塊(4)、IGBT模塊(5)、主電容(9)和變壓器(14)，其特征在于：

交流電源(1)連接調壓器(2)，對調壓器進行220V供電；

調壓器的輸出電壓為0～1000V，所述調壓器通過限流電阻(3)和整流模塊(4)連接，所述整流模塊(4)進一步連接IGBT模塊(5)，所述IGBT模塊(5)進一步連接調波R-L-C模塊和主電容(9)，所述調波R-L-C模塊進一步和變壓器原邊相連；

其中：所述調波R-L-C模塊包括波頭電阻(11)、波尾電阻(10)、調波電感(12)和調波電容(13)；

所述IGBT模塊(5)至少包括第一IGBT管子(6)和第二IGBT管子(7)；

所述裝置通過第一IGBT管子(6)對主電容(9)進行充電，充電后的主電容(9)通過第二IGBT管子(7)和所述調波R-L-C模塊對所述變壓器(14)的原邊進行放電，所述變壓器的副邊則用于感應出操作沖擊電壓。

2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于：

所述IGBT模塊(5)由驅動電路(8)控制；

所述操作沖擊電壓由沖擊高壓分壓器(15)測量；

所述沖擊高壓分壓器(15)由高壓臂(17)和低壓臂(16)組成，所述沖擊高壓分壓器通過同軸電纜(18)連接示波器(19)，由示波器(19)示出操作沖擊電壓的波形。

3.根據權利要求1所述的裝置，優選的，其特征在于：

所述第一IGBT管子(6)和第二IGBT管子(7)串聯連接，且：第一IGBT管子(6)的發射極連接第二IGBT管子(7)的集電極(21)，第一IGBT管子(6)的發射極與集電極(23)之間反向并聯第一二極管(29)；第二IGBT管子(7)的發射極(22)與集電極(21)之間反向并聯第二二極管(28)。

4.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于：

所述的IGBT模塊(5)開通時間不大于0.15μs，關斷時間不大于0.4μs，由此引入的峰值時間T_p和半峰值時間T₂的誤差均不大于0.75％，第一IGBT管子(6)和第二IGBT管子(7)耐壓為1700V，最大通過電流100A。

5.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于：

對于波頭電阻(11)、波尾電阻(10)、調波電感(12)和調波電容(13)，其所需耐壓水平不大于變壓器原邊電壓峰值的2倍；

通過波頭電阻(11)、波尾電阻(10)、調波電感(12)和調波電容(13)參數值的調節，以產生非振蕩操作沖擊電壓和振蕩操作沖擊電壓。

6.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于：

所述的IGBT驅動電路(8)耐壓為5kV，開通時間小于0.67μs，關斷時間小于0.4μs，耐受的電壓變化率為50kV/μs；

所述驅動電路為雙通道獨立控制觸發型，用以同時驅動第一IGBT管子(6)和第二IGBT管子(7)。

7.根據權利要求5所述的裝置，其特征在于：

優選的，通過調節波頭電阻(11)、波尾電阻(10)、調波電感(12)和調波電容(13)的參數，以使得產生的操作沖擊電壓峰值時間在20～400μs內可調，半峰值時間在1000～4000μs內可調。

8.根據權利要求5所述的裝置，其特征在于：

對于所述參數值的調節，考慮到變壓器繞組的電阻相對電抗都比較小，而漏抗相對于勵磁電抗也比較小，變壓器便能等效為Γ型電路，當主電容對變壓器原邊放電時，假設此時等效的電路中，變壓器的勵磁電感為L_m，設：通過勵磁電感L_m的電流為i_m，調波電容為C₂，主電容為C₁，調波電感為L，波尾電阻為R₁，波頭電阻為R₂，則得到等效的電路的微分方程如下：

LLmC1C2d4imdt4+(C1C2R2Lm+LC2LmR1)d3imdt3+(LC1+LmC1+LmC2R2R1+LmC2)d2imdt2+(C1R2+LR1+LmR1)dimdt+R2+R1R1im=0---(1)]]>

其中，初始條件為：

im|t=0=0dimdt|t=0=0d2imdt2|t=0=0d3imdt3|t=0=U0LLmC2---(2)]]>

針對微分方程(1)可通過引入中間變量化為常微分方程組求解，即

y′＝Fy??(3)

其中，y＝(y₁，y₂，y₃，y₄)^T，y′＝(y₁′，y₂′，y₃′，y₄′)^T

系數矩陣F=010000100001-ea-da-ca-ba,y0=(0,0,0,U0LLmC2)T]]>

a=LLmC1C2b=C1C2R2Lm+LC2LmR1c=LC1+LmC1+LmR1R2R1+LmC2d=C1R2+LR1+LmR1e=R2+R1R1---(4)]]>y1=imy1′=dimdt=y2y2′=d2imdt2=y3y3′=d3imdt3=y4y4′=-bay4-cay3-day2-eay1---(5)]]>

這樣，求解方程(1)的四階龍格庫塔公式為：

yi+1=yi+16(K1+2K2+2K3+K4)K1=hf(ti,yi)K2=hf(ti+h2,yi+12K1)K3=hf(ti+h2,yi+12K2)K4=hf(ti+h,yi+K3)---(6)]]>

由上式(6)求出y后，則可得變壓器輸出的操作沖擊電壓的波形曲線u₂：

u2=Lmdimdt=Lmy2---(7)]]>

1)進一步的，基于上述理論，對于振蕩操作沖擊電壓，振蕩操作沖擊電壓的波形計算步驟如下：

1.1)設定振蕩操作沖擊電壓的目標波形的峰值時間T_p和半峰值時間T₂；

1.2)設定計算步長h以及最大計算步數，忽略漏抗并設定所述主電容C₁、調波電容C₂、波尾電阻R₁、波頭電阻R₂、調波電感L，以及變壓器的勵磁電感L_m的元件參數值；

1.3)根據所述設定的元件參數值，計算系數矩陣F，并初始化曲線向量qx[]，包絡線向量blx[]，極大值數組jdz[]，數組y[]，以及中間變量數組K1[]、K2[]、K3[]、K4[]；

1.4)步進計算所述y[]和qx[]，直至qx[]過零或達到最初設定的最大計算步數后，查找qx[]中的各極大值和其橫坐標及qx[]末位順序存入jdz[]中；然后用Laplace插值方法求出jdz[]所有點的內插曲線，即包絡線向量blx[]，以及求出jdz[]各連續兩點間距平均值的倒數并將其作為振蕩頻率freq；

1.5)查找qx[]中的最大值和blx[]下降沿中值，找到步驟1.2)所述設定的元件參數值情況下的、對應的操作沖擊電壓波形的峰值時間和半峰值時間；

1.6)變更所述設定的元件參數值，循環調用上述步驟1.2)至1.5)，求得每一組所述設定的元件參數值情況下、對應的操作沖擊電壓波形的峰值時間和半峰值時間，并計算其與目標波形的峰值時間T_p和半峰值時間T₂的誤差S；根據可接受的誤差S，確定循環次數，待循環結束后，在整個范圍內找到誤差最小的，即得到符合要求的所述主電容C₁、調波電容C₂、波尾電阻R₁、波頭電阻R₂、調波電感L的參數值，同時一并得到符合要求的操作沖擊電壓曲線、包絡線曲線、峰值時間、半峰值時間和振蕩頻率；

2)進一步的，基于上述理論，對于非振蕩操作沖擊電壓，與上述1)類似，只是變量少了調波電感L，具體的，非振蕩操作沖擊電壓的波形計算步驟如下：

2.1)設定非振蕩操作沖擊電壓的目標波形的峰值時間T_q和半峰值時間T₃；

2.2)設定計算步長h以及最大計算步數，忽略漏抗并設定所述主電容C₁、調波電容C₂、波尾電阻R₁、波頭電阻R₂，以及變壓器的勵磁電感L_m的元件參數值；

2.3)根據所述設定的元件參數值，計算系數矩陣F，并初始化曲線向量qx[]，數組y[]，以及中間變量數組K1[]、K2[]、K3[]、K4[]；

2.4)步進計算所述y[]和qx[]，直至qx[]過零或達到最初設定的最大計算步數后，查找qx[]中的最大值和下降沿中值，找到步驟2.2)所述設定的元件參數值情況下的、對應的操作沖擊電壓波形的峰值時間和半峰值時間；

2.5)變更所述設定的元件參數值，循環調用上述步驟2.2)至2.4)，求得每一組所述設定的元件參數值情況下、對應的操作沖擊電壓波形的峰值時間和半峰值時間，并計算其與目標波形的峰值時間T_p和半峰值時間T₂的誤差S；根據可接受的誤差S，確定循環次數，待循環結束后，在整個范圍內找到誤差最小的，即得到符合要求的所述主電容C₁、調波電容C₂、波尾電阻R₁、波頭電阻R₂的參數值，同時一并得到符合要求的操作沖擊電壓曲線、峰值時間、半峰值時間。