專利名稱：一種用于智能變電站測試系統(tǒng)的功率放大器的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及一種功率放大器，具體涉及一種用于智能變電站測試系統(tǒng)的功率放大器。屬于智能變電站測試技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
隨著通信網(wǎng)絡技術(shù)、光電互感器技術(shù)、數(shù)字化保護技術(shù)的快速發(fā)展，多個制造廠家、科研單位在智能電網(wǎng)變電站技術(shù)上作了大量的創(chuàng)新研究工作，并取得了智能電網(wǎng)數(shù)字化變電站研究的經(jīng)驗和成果。簡而言之，數(shù)字化變電站是建設統(tǒng)一堅強智能電網(wǎng)的重要組成部分，數(shù)字化變電站將變革傳統(tǒng)變電站的一、二次設備，以變電站一、二次設備為數(shù)字化對象，以高速網(wǎng)絡通訊平臺為基礎，對應每套一次設備的保護和測控裝置均需運行于網(wǎng)絡，二次設備所需的電流、電壓和控制信號，以及保護和測控裝置在運行中產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)，又都以統(tǒng)一的通訊規(guī)約與網(wǎng)絡進行交換，通過對數(shù)字化信息進行標準化，實現(xiàn)信息共享和交互操作，并以網(wǎng)絡數(shù)據(jù)為基礎，實現(xiàn)數(shù)據(jù)測量監(jiān)視、控制保護、信息管理等自動化功能的變電站。在智能數(shù)字化變電站技術(shù)不斷發(fā)展的同時，對智能電網(wǎng)數(shù)字化變電站的測試手段的研究也在不斷深入。作為測試手段研究的一個方面，智能變電站測試系統(tǒng)是檢驗智能變電站的各個電力設備是否正常工作的關鍵。另一方面，功率放大器是智能變電站測試系統(tǒng)的核心部分，藉由該功率放大器可完成人為設定信號的功率放大，并驅(qū)動模擬型繼電保護裝置。一般地，功率放大器通常輸出功率較大，單模塊的輸出功率可聞達100伏安到幾千伏安。在現(xiàn)有技術(shù)中，往往米用開關電源加線性功放的組合，利用開關電源模塊作為線性功放的供電電源。但是，由于線性功放效率較低，且發(fā)熱嚴重，因而功率密度難以提升。有鑒于此，如何設計一種新的功率放大方案，以有效改善功放效率和增加功率密度，是相關領域的技術(shù)人員應當解決的一項課題。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于智能變電站測試系統(tǒng)的功率放大器。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用下述技術(shù)方案:—種用于智能變電站測試系統(tǒng)的功率放大器，包括用于輸出220V的交流電壓的電源輸入模塊、用于將220V交流電壓整流為300V的直流電壓的整流橋、用于將300V的直流電壓轉(zhuǎn)換為1V 150V的直流電壓的DC/DC變換器和用于對基準信號進行功率放大輸出的DC/AC變換器，四者順次連接。優(yōu)選的，所述DC/DC變換器為一半橋變換電路。所述半橋變換電路包括:一次側(cè)電路，包括電阻R1、電阻R2、開關管Ql和開關管Q2，其中，所述電阻Rl的第一端和所述開關管Ql的第一端連接至300V直流電壓的一端，所述電阻R2的第二端和所述開關管Q2的第二端連接至300V直流電壓的另一端；高頻變壓器，具有一次側(cè)繞組、第一二次側(cè)繞組和第二二次側(cè)繞組，所述一次側(cè)繞組的一端電連接至所述電阻Rl和電阻R2的共同節(jié)點且另一端經(jīng)由電容C3連接至所述開關管Ql的第二端和所述開關管Q2的第一端；以及二次側(cè)電路，包括二極管D3、二極管D4、平波電感LI和兩個濾波電容C4 C5，二極管D3的陽極連接至第一二次側(cè)繞組的一端且陰極連接至所述平波電感LI的第一端，二極管D4的陽極連接至第二二次側(cè)繞組的一端且陰極連接至所述平波電感LI的第一端，兩個濾波電容C4 C5并聯(lián)連接，濾波電容C4 C5的一端連接至所述平波電感LI的另一端且濾波電容C4 C5的另一端連接至第一二次側(cè)繞組和第二二次側(cè)繞組的共同端。優(yōu)選的，所述二極管D3和二極管D4為快速整流二極管。優(yōu)選的，所述DC/AC變換器為一全橋變換電路。所述全橋變換電路包括:第一橋臂，具有串聯(lián)連接的開關管Q6和開關管Q7，所述開關管Q6的第一端連接至所述輸入電壓的一端，所述開關管Q7的第二端連接至所述輸入電壓的另一端，所述開關管Q6的第二端與所述開關管Q7的第一端電連接形成第一節(jié)點A ；第二橋臂，與所述第一橋臂并聯(lián)連接，具有串聯(lián)連接的開關管Q8和開關管Q9，所述開關管Q8的第一端連接至所述開關管Q6的第一端，所述開關管Q9的第二端連接至所述開關管Q7的第二端，所述開關管Q8的第二端與所述開關管Q9的第一端電連接形成第二節(jié)點B ；以及二階低通濾波器，包括電感L6、電感L7、電容C6和電容C7，其中，所述電感L6的第一端連接至所述第一節(jié)點A，所述電容C6的第一端連接至所述電感L6的第二端和所述電感L7的第一端，所述電容C6的第二端連接至所述第二節(jié)點B和所述電容C7的第二端，所述電容C7的第一端與所述電感L7的第二端相連接。開關管Q6和開關管Q9導通時，所述開關管Q7和開關管Q8截止；所述開關管Q7和開關管Q8導通時,所述開關管Q6和開關管Q9截止。所述功率放大器還包括對DC/DC變換器的輸出電壓和輸出電流分別進行檢測和保護的過壓保護電路和過流保護電路。本實用新型的有益效果是，采用本實用新型的用于智能變電站測試系統(tǒng)的功率放大器，可提高功率放大器的效率，并增加功率放大器的功率密度。此外，該功率放大器還可設置過流保護和過壓保護的多重保護設計，以保證系統(tǒng)運行時的穩(wěn)定性和安全性。
圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為DC/DC變換器的電路圖；圖3為DC/AC變換器的一次側(cè)的電路圖；圖4為對半橋輸出電壓進行采樣隔離的光耦結(jié)構(gòu)圖；圖5為采用圖4的光耦對半橋輸出電壓進行采樣隔離的電路原理圖；圖6為使用圖5的半橋輸出電壓采樣隔離電路時，以輸入電壓為橫坐標且輸出電壓為縱坐標的擬合線性度曲線；[0028]圖7為采用電流互感器法進行過電流檢測和保護的電路圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進行進一步的闡述，應該說明的是，下述說明僅是為了解釋本實用新型，并不對其內(nèi)容進行限定。圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)框圖。如圖1所示，本實用新型包括電源輸入模塊101、整流橋103、DC/DC變換器105和DC/AC變換器107。電源輸入模塊101輸出220V交流電壓，整流橋103連接至電源輸入模塊101，將220V交流電壓轉(zhuǎn)換成約300V的直流電壓，DC/DC變換器105根據(jù)實際使用情況，將300V直流電壓轉(zhuǎn)換成1V 150V的直流電壓，從而為DC/AC變換器107提供電源。DC/AC變換器107將控制系統(tǒng)所提供的基準信號進行功率放大輸出。DC/DC變換器采用半橋變換器，其主要優(yōu)點是，開關管關斷時承受電壓為Vdc，而不是像推挽拓撲或單端正激變換器(Forward)那樣為2倍的Vdc。在相同情形下，相當于降低了對開關器件的耐壓要求，適用于輸入電壓高、輸出功率大的場合。圖2示出圖1的功率放大器中的DC/DC變換器的電路圖。具體來說，電阻R1、電阻R2用于確定中點電位，保證電容Cl和電容C2上的電壓各為Vdc的一半，S卩l(xiāng)/2Vdc。開關管Ql、開關管Q2可以是MOSFET或IGBT，電容C3是隔直電容，用于防止變壓器Tl偏磁。二極管Dl、二極管D2反并聯(lián)在開關管Ql和開關管Q2的DS端，將開關管Ql和開關管Q2承受的漏感尖峰電壓鉗位于Vdc。Tl是高頻變壓器，實現(xiàn)能量的變換和隔離。在高頻變壓器Tl的二次側(cè)，二極管D3和二極管D4是快速整流二極管，電感LI是平波電感，電容C4、電容C5是二次側(cè)濾波電容。電阻R3是假負載，用于保證平波電感LI中的電流保持連續(xù)狀態(tài)。更詳細地，該DC/DC變換器的電路可描述如下。該半橋變換電路包括:一次側(cè)電路、高頻變壓器和二次側(cè)電路。其中，一次側(cè)電路包括電阻R1、電阻R2、開關管Ql和開關管Q2。電阻Rl的第一端和開關管Ql的第一端連接至300V直流電壓的一端，電阻R2的第二端和開關管Q2的第二端連接至300V直流電壓的另一端。電阻R1、電阻R2用于確定中點電位，保證電容Cl和電容C2上的電壓各為Vdc的一半，即l/2Vdc，約150V直流電壓。高頻變壓器Tl具有一次側(cè)繞組、第一二次側(cè)繞組和第二二次側(cè)繞組。一次側(cè)繞組的一端電連接至電阻Rl和電阻R2的共同節(jié)點且另一端經(jīng)由電容C3連接至開關管Ql的第二端和開關管Q2的第一端。二次側(cè)電路包括二極管D3、二極管D4、平波電感LI和兩個濾波電容C4 C5，二極管D3的陽極連接至第一二次側(cè)繞組的一端且陰極連接至平波電感LI的第一端，二極管D4的陽極連接至第二二次側(cè)繞組的一端且陰極連接至平波電感LI的第一端，兩個濾波電容C4 C5并聯(lián)連接，濾波電容C4 C5的一端連接至平波電感LI的另一端且濾波電容C4 C5的另一端連接至第一二次側(cè)繞組和第二二次側(cè)繞組的共同端。圖3示出圖1的功率放大器中的DC/AC變換器的一次側(cè)的電路圖。參照圖3，在全橋變換器工作期間，全橋?qū)蔷€上的兩開關管同時導通。例如，在前半個周期，開關管Q6和開關管Q9同時導通，此時開關管Q7和開關管Q8均處于截止狀態(tài)；在后半個周期，開關管Q7和開關管Q8同時導通，此時開關管Q6和開關管Q9均處于截止狀態(tài)。每個開關管的導通期間小于半個周期，例如，當開關管Q6及開關管Q9導通時，開關管Q7及開關管Q8截止，輸入電壓Ui經(jīng)電感L6、電容C6、電感L7、電容C7所構(gòu)成的二階低通濾波器后輸出。[0035]更具體地，該DC/AC變換器的電路可描述如下。該全橋變換電路的一次側(cè)電路包括第一橋臂、第二橋臂和二階低通濾波器。第一橋臂具有串聯(lián)連接的開關管Q6和開關管Q7，開關管Q6的第一端連接至輸入電壓Ui的一端，開關管Q7的第二端連接至輸入電壓Ui的另一端，開關管Q6的第二端與開關管Q7的第一端電連接形成第一節(jié)點A。第二橋臂與第一橋臂并聯(lián)連接，具有串聯(lián)連接的開關管Q8和開關管Q9。開關管Q8的第一端連接至開關管Q6的第一端，開關管Q9的第二端連接至開關管Q7的第二端，開關管Q8的第二端與開關管Q9的第一端電連接形成第二節(jié)點B。二階低通濾波器包括電感L6、電感L7、電容C6和電容C7。電感L6的第一端連接至第一節(jié)點A，電容Cl的第一端連接至電感L6的第二端和電感L7的第一端，電容Cl的第二端連接至第二節(jié)點B和電容C7的第二端，電容C7的第一端與電感L7的第二端相連接。此外，還需說明的是，開關管Q6和開關管Q9截止而開關管Q7和開關管Q8尚未導通時，變壓器二次側(cè)全波整流的兩個二極管同時續(xù)流，變壓器二次繞組短路，電壓為零。另外，為保證測試信號發(fā)生系統(tǒng)的安全性，本申請還采用多重保護設計的保護電路。該保護電路主要分為過壓保護電路和過流保護電路。過流保護分別從半橋部分和全橋部分取樣。過壓保護分別從半橋輸出端和高壓輸出端采樣。半橋電路是整個功率放大電路的核心部分，半橋輸出電壓是否穩(wěn)定關系到整個系統(tǒng)的成敗。由于控制環(huán)采用電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，半橋電路的電壓調(diào)節(jié)則是電壓調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)。控制電路首先給出一定占空比的PWM驅(qū)動波形到半橋電路，于是半橋電路輸出相應的直流電壓值，經(jīng)采樣電路送回單片機，單片機根據(jù)測量值調(diào)整給定值，從而實現(xiàn)了電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)功能。為避免控制電路受功率電路故障的影響，以及提高測量精度，本申請的一實施例中采用可隔離模擬信號的高精度線性光耦HCNR200來進行隔離。圖4示出圖1的功率放大器中，對半橋輸出電壓進行采樣隔離的光耦結(jié)構(gòu)圖。該光耦芯片包括一個高性能的發(fā)光二極管LED，兩個由同種工藝制成且具有嚴格比例關系的光敏二極管PDl和光敏二極管TO2。發(fā)光二極管LED發(fā)出的光被光敏二極管PDl和光敏二極管PD2接收，使用該光耦芯片時，由發(fā)光二極管LED和光敏二極管PDl構(gòu)成輸入電路并形成負反饋電路，光敏二極管PD2則構(gòu)成隔離輸出電路。由于輸入電路引入負反饋，因而只要發(fā)光二極管LED和光敏二極管PDl關系確定，輸入部分就穩(wěn)定。又因為光敏二極管PDl和光敏二極管PD2關系恒定，這樣就可使輸出信號和輸入信號比例關系穩(wěn)定。應用光耦HCNR200設計的半橋輸出電壓采樣隔離電路如圖5所示。半橋輸出直流電壓為0V 150V，經(jīng)分壓電阻后，輸入反饋電路電壓Vi為(T2V。當Vi輸入電壓為0時，運放Al的反相輸入端被電阻Rl拉到地電位，當輸入電壓Vi逐漸增加時，運放Al的輸出端將迅速增加，從而流過發(fā)光二極管LED的電流將增加，則流過光敏二極管PDl的電流也相應增力口，于是運放Al的反相輸入端電位將抬高到幾乎與Vi相等，兩輸入端相當于虛短路，電壓恒為0，實現(xiàn)了負反饋調(diào)節(jié)功能。而光耦的傳輸增益幾乎為1，所以運放A2的同相輸入端電壓幾乎與運放Al的反相輸入端電壓相等。運放A2的作用主要是電壓跟隨，電阻R4和電容C2則構(gòu)成高通濾波器，因而輸入電壓Vi幾乎線性地傳輸?shù)絾纹瑱C。表I為實驗數(shù)據(jù)。表I
權(quán)利要求1.一種用于智能變電站測試系統(tǒng)的功率放大器，其特征在于，包括用于輸出220V的交流電壓的電源輸入模塊、用于將220V交流電壓整流為300V的直流電壓的整流橋、用于將300V的直流電壓轉(zhuǎn)換為1V 150V的直流電壓的DC/DC變換器和用于對基準信號進行功率放大輸出的DC/AC變換器，四者順次連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于智能變電站測試系統(tǒng)的功率放大器，其特征在于，所述DC/DC變換器為一半橋變換電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于智能變電站測試系統(tǒng)的功率放大器，其特征在于，所述半橋變換電路包括: 一次側(cè)電路，包括電阻R1、電阻R2、開關管Ql和開關管Q2，其中，所述電阻Rl的第一端和所述開關管Ql的第一端連接至300V直流電壓的一端，所述電阻R2的第二端和所述開關管Q2的第二端連接至300V直流電壓的另一端； 高頻變壓器，具有一次側(cè)繞組、第一二次側(cè)繞組和第二二次側(cè)繞組，所述一次側(cè)繞組的一端電連接至所述電阻Rl和電阻R2的共同節(jié)點且另一端經(jīng)由電容C3連接至所述開關管Ql的第二端和所述開關管Q2的第一端；以及 二次側(cè)電路，包括二極管D3、二極管D4、平波電感LI和兩個濾波電容C4、C5，二極管D3的陽極連接至第一二次側(cè)繞組的一端且陰極連接至所述平波電感LI的第一端，二極管D4的陽極連接至第二二次側(cè)繞組的一端且陰極連接至所述平波電感LI的第一端，兩個濾波電容C4 C5并聯(lián)連接，濾波電容C4 C5的一端連接至所述平波電感LI的另一端且濾波電容C4^C5的另一端連接至第一二次側(cè)繞組和第二二次側(cè)繞組的共同端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于智能變電站測試系統(tǒng)的功率放大器，其特征在于，所述二極管D3和二極管D4為快速整流二極管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于智能變電站測試系統(tǒng)的功率放大器，其特征在于，所述DC/AC變換器為一全橋變換電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于智能變電站測試系統(tǒng)的功率放大器，其特征在于，所述全橋變換電路包括: 第一橋臂，具有串聯(lián)連接的開關管Q6和開關管Q7，所述開關管Q6的第一端連接至所述輸入電壓的一端，所述開關管Q7的第二端連接至所述輸入電壓的另一端，所述開關管Q6的第二端與所述開關管Q7的第一端電連接形成第一節(jié)點A ； 第二橋臂，與所述第一橋臂并聯(lián)連接，具有串聯(lián)連接的開關管Q8和開關管Q9，所述開關管Q8的第一端連接至所述開關管Q6的第一端，所述開關管Q9的第二端連接至所述開關管Q7的第二端，所述開關管Q8的第二端與所述開關管Q9的第一端電連接形成第二節(jié)點B ;以及 二階低通濾波器，包括電感L6、電感L7、電容C6和電容C7，其中，所述電感L6的第一端連接至所述第一節(jié)點A，所述電容C6的第一端連接至所述電感L6的第二端和所述電感L7的第一端，所述電容C6的第二端連接至所述第二節(jié)點B和所述電容C7的第二端，所述電容C7的第一端與所述電感L7的 第二端相連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于智能變電站測試系統(tǒng)的功率放大器，其特征在于，開關管Q6和開關管Q9導通時，所述開關管Q7和開關管Q8截止；所述開關管Q7和開關管Q8導通時，所述開關管Q6和開關管Q9截止。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于智能變電站測試系統(tǒng)的功率放大器，其特征在于，所述功率放大器還包括對DC/DC變換器的輸出電壓和輸出電流分別進行檢測和保護的過壓保護電路和過 流保護電路。
專利摘要本實用新型公開了一種用于智能變電站測試系統(tǒng)的功率放大器，包括用于輸出220V的交流電壓的電源輸入模塊、用于將220V交流電壓整流為300V的直流電壓的整流橋、用于將300V的直流電壓轉(zhuǎn)換為1V~150V的直流電壓的DC/DC變換器和用于對基準信號進行功率放大輸出的DC/AC變換器，四者順次連接。采用本實用新型的用于智能變電站測試系統(tǒng)的功率放大器，可提高功率放大器的效率，并增加功率放大器的功率密度。此外，該功率放大器還可設置過流保護和過壓保護的多重保護設計，以保證系統(tǒng)運行時的穩(wěn)定性和安全性。
文檔編號H02M5/40GK202940735SQ20122069629
公開日2013年5月15日 申請日期2012年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月14日
發(fā)明者張國輝, 井雨剛, 唐新建, 孫運濤, 劉延華, 王永波 申請人:山東電力集團公司電力科學研究院, 國家電網(wǎng)公司