一種大容量金屬氧化物限壓器的模擬裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種大容量金屬氧化物限壓器的模擬裝置，所述模擬裝置包括相互連接的整流電路和負(fù)載電路，所述整流電路的輸出端連接控制與驅(qū)動(dòng)電路輸入端，所述控制與驅(qū)動(dòng)電路的輸出端與負(fù)載電路中的IGBT連接。本裝置通過(guò)利用電力電子器件模擬金屬氧化物限壓器，不但可以模擬不同的金屬氧化物限壓器的特性曲線(xiàn)還具有體積小、成本低、安全可靠，可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種大容量金屬氧化物限壓器的模擬裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
:
[0001]本發(fā)明涉及電氣工程科學(xué)領(lǐng)域，更具體涉及一種大容量金屬氧化物限壓器的模擬
>J-U ρ?α裝直。

【背景技術(shù)】
:
[0002]金屬氧化物限壓器，即壓敏電阻(M0V)，它利用了壓敏電阻的強(qiáng)非線(xiàn)性。即運(yùn)行在正常電壓下，金屬氧化物的電阻阻值很大，流過(guò)氧化物的電流很?。划?dāng)運(yùn)行電壓突然增大至其拐點(diǎn)電壓時(shí)，金屬氧化物的電阻阻值會(huì)迅速降低，流過(guò)氧化物的電流快速增大，以限制金屬氧化物限壓器兩端的電壓進(jìn)一步增加。
[0003]金屬氧化物限壓器廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的各級(jí)輸電線(xiàn)路中，抑制由于雷擊、開(kāi)關(guān)設(shè)備操作、故障等引起的過(guò)電壓，保護(hù)線(xiàn)路上的設(shè)備免受過(guò)電壓而遭到損壞。
[0004]金屬氧化物限壓器也應(yīng)用于電力電子裝置中，尤其是應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的電力電子裝置。
[0005]電力系統(tǒng)的低壓動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)裝置中，對(duì)于避雷器、限壓器的模擬非常難以實(shí)現(xiàn)。因?yàn)楹茈y找到類(lèi)似的非線(xiàn)性電阻，其動(dòng)作電壓、容量能夠滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。而且，當(dāng)被試驗(yàn)對(duì)象的參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，動(dòng)態(tài)模擬裝置中的限壓器也必須重新選型。更重要的是，試驗(yàn)時(shí)限壓器只動(dòng)作一次就無(wú)法再使用了，若要再次進(jìn)行試驗(yàn)必須更換新的限壓器。大大增加了試驗(yàn)的成本和試驗(yàn)的強(qiáng)度。


【發(fā)明內(nèi)容】

:
[0006]本發(fā)明的目的是提供一種大容量金屬氧化物限壓器的模擬裝置，該裝置有體積小、成本低、安全可靠，可重復(fù)利用的優(yōu)點(diǎn)。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種大容量金屬氧化物限壓器的模擬裝置，所述模擬裝置包括相互連接的整流電路和負(fù)載電路，所述整流電路的輸出端連接控制與驅(qū)動(dòng)電路輸入端，所述控制與驅(qū)動(dòng)電路的輸出端與負(fù)載電路中的IGBT連接。
[0008]本發(fā)明提供的一種大容量金屬氧化物限壓器的模擬裝置，所述負(fù)載電路包括依次連接的電感、電阻I和IGBT ;所述IGBT的漏極與所述電阻I相連，所述IGBT的柵極與所述控制與驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接。
[0009]本發(fā)明提供的一種大容量金屬氧化物限壓器的模擬裝置，所述IGBT的漏極和源極間設(shè)有RC吸收電路。
[0010]本發(fā)明提供的另一優(yōu)選的一種大容量金屬氧化物限壓器的模擬裝置，所述控制與驅(qū)動(dòng)電路包括依次連接的霍爾元件、濾波與調(diào)理電路、DSP芯片、CPLD芯片、電光轉(zhuǎn)換電路和IGBT驅(qū)動(dòng)模塊。
[0011]本發(fā)明提供的再一優(yōu)選的一種大容量金屬氧化物限壓器的模擬裝置，所述霍爾元件包括電壓霍爾元件和電流霍爾元件。
[0012]本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種大容量金屬氧化物限壓器的模擬裝置，所述DSP芯片的控制步驟為:將目標(biāo)阻值與反饋?zhàn)柚抵顐魉椭罰ID控制器；通過(guò)脈寬調(diào)制和電子器件驅(qū)動(dòng)、隔離電路輸出占空比驅(qū)動(dòng)脈沖。
[0013]本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種大容量金屬氧化物限壓器的模擬裝置，所述反饋?zhàn)柚禐樗隹刂婆c驅(qū)動(dòng)電路采集所述整流電路輸出端的電壓與電流比。
[0014]本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種大容量金屬氧化物限壓器的模擬裝置，所述目標(biāo)阻抗根據(jù)將采集到的所述整流電路輸出端的電壓通過(guò)其電壓一阻抗關(guān)系表得到。
[0015]本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種大容量金屬氧化物限壓器的模擬裝置，所述電壓——阻抗關(guān)系表通過(guò)金屬氧化物限壓器的特性曲線(xiàn)公式得到:
[0016]金屬氧化物限壓器的特性曲線(xiàn)公式為:y = A.X3-B.x2+C.x+D
[0017]其中y = 1g(U) , X = 1g(I);
[0018]A、B、C和D多項(xiàng)式系數(shù)的取值決定于需要模擬的金屬氧化物限壓器的特性曲線(xiàn)圖的形狀，再通過(guò)液晶顯示界面將A、B、C和D的數(shù)值下發(fā)給DSP芯片，DSP芯片通過(guò)計(jì)算特性曲線(xiàn)公式，從而得出電壓——阻抗關(guān)系表。
[0019]本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種大容量金屬氧化物限壓器的模擬裝置，所述整流電路為整流器。
[0020]由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明得到的有益效果是:
[0021]1、本發(fā)明中利用電力電子器件模擬金屬氧化物限壓器，成本低，且可重復(fù)試驗(yàn)使用；
[0022]2、本發(fā)明中通過(guò)液晶顯示界面可在線(xiàn)設(shè)定、調(diào)整限壓器的動(dòng)作參數(shù)，應(yīng)用靈活且方便使用；
[0023]3、本發(fā)明中利用整流器將交流電壓轉(zhuǎn)變成單方向脈動(dòng)電壓，這樣就可只用一個(gè)電力電子器件控制負(fù)載中的電流，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；
[0024]4、本發(fā)明利用光纖和霍爾元器件將功率器件與控制電路分開(kāi)進(jìn)行高壓、低壓隔離，提高了裝置操作的安全性，也增強(qiáng)了控制電路的抗電磁干擾能力；
[0025]5、本發(fā)明通過(guò)電力電子器件來(lái)模擬金屬氧化物限壓器的特性，且裝置參數(shù)可改變以模擬不同的金屬氧化物限壓器的特性曲線(xiàn)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1為實(shí)際金屬氧化物限壓器的伏安曲線(xiàn)示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明的金屬氧化物限壓器模擬裝置的電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖3為控制與驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖4為本發(fā)明的模擬裝置控制步驟示意圖；
[0030]圖5為本發(fā)明的模擬裝置電壓、電流波形示意圖示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0032]實(shí)施例1:
[0033]如圖1所示，給出了某型號(hào)金屬氧化物限壓器的伏安曲線(xiàn)圖。
[0034]從圖中可見(jiàn)，當(dāng)金屬氧化物限壓器兩端的電壓低于某個(gè)電壓值(俗稱(chēng)拐點(diǎn)電壓)，其流過(guò)的電流很小，可以忽略不計(jì)。當(dāng)限壓器兩端的電壓超過(guò)拐點(diǎn)電壓后，其阻抗呈非線(xiàn)性變化很快，流過(guò)的迅速增加。當(dāng)限壓器兩端的電壓很高時(shí)，限壓器阻抗已經(jīng)很小且趨于穩(wěn)定，此時(shí)較小的電壓增加會(huì)導(dǎo)致較大的電流流過(guò)。
[0035]本申請(qǐng)中提及的模擬裝置就是要模擬出這種特性的伏安曲線(xiàn)圖。
[0036]圖2給出了金屬氧化物限壓器模擬裝置的電路結(jié)構(gòu)圖。
[0037]所述模擬裝置包括相互連接的整流電路和負(fù)載電路，所述整流電路的輸出端連接控制與驅(qū)動(dòng)電路輸入端，所述控制與驅(qū)動(dòng)電路的輸出端與負(fù)載電路中的IGBT連接。
[0038]模擬裝置首先將交變的正弦電壓，通過(guò)整流電路的輸入端轉(zhuǎn)換成單向的脈動(dòng)電壓輸出，所述整流電路為整流器。電感、電阻I和IGBT串聯(lián)起來(lái)作為整流器的負(fù)載，所述IGBT的漏極與所述電阻I相連，所述IGBT的漏極和源極間設(shè)有RC吸收電路；電阻2和電容構(gòu)成IGBT的RC吸收電路。該部分電路元器件都工作在高電壓、大電流的情況下，選用功率器件。
[0039]所述控制與驅(qū)動(dòng)電路的輸出端與負(fù)載電路中的IGBT的柵極連接。控制電路對(duì)整流后的電壓、負(fù)載中的電流進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)控制算法后輸出占空比變化的驅(qū)動(dòng)脈沖。驅(qū)動(dòng)脈沖控制IGBT的開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)間的長(zhǎng)短，使負(fù)載中流過(guò)電流的幅值發(fā)生變化。
[0040]圖3給出了控制與驅(qū)動(dòng)電路具體的結(jié)構(gòu)圖。
[0041]所述控制與驅(qū)動(dòng)電路包括依次連接的霍爾元件、濾波與調(diào)理電路、DSP芯片、CPLD芯片、電光轉(zhuǎn)換電路和IGBT驅(qū)動(dòng)模塊，所述霍爾元件包括電壓霍爾元件和電流霍爾元件。
[0042]電壓霍爾元件對(duì)整流器后的電壓進(jìn)行隔離變換，電流霍爾元件對(duì)整流器后的電流進(jìn)行隔離變換。兩路電氣量首先都經(jīng)過(guò)濾波與調(diào)理電路，然后送給數(shù)字信號(hào)處理(DSP)芯片進(jìn)行模/數(shù)(A/D)變換。采集到的電壓、電流數(shù)字量根據(jù)控制算法得出當(dāng)前的占空比數(shù)值，然后將占空比數(shù)值傳遞給復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)芯片。CPLD芯片會(huì)輸出頻率固定，但占空比卻隨輸入占空比數(shù)值變化的方波。
[0043]該方波要變成光信號(hào)，通過(guò)光纖傳遞給IGBT驅(qū)動(dòng)模塊，由IGBT驅(qū)動(dòng)模塊控制IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷。
[0044]圖中，功率器件及其驅(qū)動(dòng)模塊都工作在高電位，利用光纖與低電位的控制電路進(jìn)行隔離與聯(lián)系。而高電位的電壓、電流的采集則由電壓、電流霍爾元件進(jìn)行電氣隔離。
[0045]圖4給出了模擬裝置DSP芯片的控制步驟示意圖。
[0046]所述DSP芯片的控制步驟為:將目標(biāo)阻值與反饋?zhàn)柚抵顐魉椭罰ID控制器；通過(guò)脈寬調(diào)制和電子器件驅(qū)動(dòng)、隔離電路輸出占空比驅(qū)動(dòng)脈沖。
[0047]所述反饋?zhàn)柚禐樗隹刂婆c驅(qū)動(dòng)電路采集所述整流電路輸出端的電壓與電流比。
[0048]所述目標(biāo)阻抗通過(guò)采集所述整流電路輸出端的電壓通過(guò)其電壓一阻抗關(guān)系表得到。
[0049]所述電壓——阻抗關(guān)系表通過(guò)金屬氧化物限壓器的特性曲線(xiàn)公式得到:
[0050]金屬氧化物限壓器的特性曲線(xiàn)公式為:y = A.X3-B.x2+C.x+D
[0051]其中y = 1g(U)，X = 1g(I);
[0052]A、B、C和D多項(xiàng)式系數(shù)的取值決定于模擬的金屬氧化物限壓器的特性曲線(xiàn)圖圖1的形狀，再通過(guò)液晶顯示界面將A、B、C和D的數(shù)值下發(fā)給DSP芯片，DSP芯片通過(guò)計(jì)算特性曲線(xiàn)公式，從而得出電壓——阻抗關(guān)系表。
[0053]將該金屬氧化物限壓器的電壓一阻抗關(guān)系表并儲(chǔ)存起來(lái)?？刂婆c驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)當(dāng)前電壓采集值，查表即可得目標(biāo)控制阻抗。
[0054]圖5給出了金屬氧化物限壓器模擬裝置，整流器后電壓、電流控制波形圖。
[0055]由圖中可見(jiàn)，當(dāng)模擬單元兩端的電壓小于金屬氧化物拐點(diǎn)時(shí)，其流過(guò)的電流幾乎為零。電壓超過(guò)拐點(diǎn)電壓后，控制與驅(qū)動(dòng)電路輸出固定頻率的IGBT驅(qū)動(dòng)脈沖。電壓越高，驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比越高,相應(yīng)流過(guò)的電流也越大。
[0056]由于負(fù)載電感的存在，負(fù)載電流呈現(xiàn)上升、下降的鋸齒波，頻率即IGBT的驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)頻率。當(dāng)IGBT驅(qū)動(dòng)脈沖，占空比較大(開(kāi)通時(shí)間長(zhǎng)、關(guān)斷時(shí)間短)時(shí)，負(fù)載電流上升時(shí)間長(zhǎng)，關(guān)斷時(shí)間短，有效電流值則大；當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖占空比較小(開(kāi)通時(shí)間端、關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng))時(shí)，負(fù)載電流上升時(shí)間端，關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)，有效電流值則小。控制了負(fù)載電路電流值，即控制了金屬氧化物限壓器模擬裝置等效電阻。
[0057]最后應(yīng)該說(shuō)明的是:以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:依然可以對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種大容量金屬氧化物限壓器的模擬裝置，其特征在于:所述模擬裝置包括相互連接的整流電路和負(fù)載電路，所述整流電路的輸出端連接控制與驅(qū)動(dòng)電路輸入端，所述控制與驅(qū)動(dòng)電路的輸出端與負(fù)載電路中的IGBT連接。
2.如權(quán)利要求1所述的一種大容量金屬氧化物限壓器的模擬裝置，其特征在于:所述負(fù)載電路包括依次連接的電感、電阻I和IGBT ;所述IGBT的漏極與所述電阻I相連，所述IGBT的柵極與所述控制與驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接。
3.如權(quán)利要求2所述的一種大容量金屬氧化物限壓器的模擬裝置，其特征在于:所述IGBT的漏極和源極間設(shè)有RC吸收電路。
4.如權(quán)利要求1所述的一種大容量金屬氧化物限壓器的模擬裝置，其特征在于:所述控制與驅(qū)動(dòng)電路包括依次連接的霍爾元件、濾波與調(diào)理電路、DSP芯片、CPLD芯片、電光轉(zhuǎn)換電路和IGBT驅(qū)動(dòng)模塊。
5.如權(quán)利要求4所述的一種大容量金屬氧化物限壓器的模擬裝置，其特征在于:所述霍爾元件包括電壓霍爾元件和電流霍爾元件。
6.如權(quán)利要求4所述的一種大容量金屬氧化物限壓器的模擬裝置，其特征在于:所述DSP芯片的控制步驟為:將目標(biāo)阻值與反饋?zhàn)柚抵顐魉椭罰ID控制器；通過(guò)脈寬調(diào)制和電子器件驅(qū)動(dòng)、隔離電路輸出占空比驅(qū)動(dòng)脈沖。
7.如權(quán)利要求6所述的一種大容量金屬氧化物限壓器的模擬裝置，其特征在于:所述反饋?zhàn)柚禐樗隹刂婆c驅(qū)動(dòng)電路采集所述整流電路輸出端的電壓與電流比。
8.如權(quán)利要求7所述的一種大容量金屬氧化物限壓器的模擬裝置，其特征在于:所述目標(biāo)阻抗根據(jù)將采集到的所述整流電路輸出端的電壓通過(guò)其電壓一阻抗關(guān)系表得到。
9.如權(quán)利要求8所述的一種大容量金屬氧化物限壓器的模擬裝置，其特征在于:所述電壓——阻抗關(guān)系表通過(guò)金屬氧化物限壓器的特性曲線(xiàn)公式得到: 金屬氧化物限壓器的特性曲線(xiàn)公式為:y = A.X3-B.x2+C.x+D
其中 y = 1g(U), X = 1g(I); A、B、C和D多項(xiàng)式系數(shù)的取值決定于需要模擬的金屬氧化物限壓器的特性曲線(xiàn)圖的形狀，再通過(guò)液晶顯示界面將A、B、C和D的數(shù)值下發(fā)給DSP芯片，DSP芯片通過(guò)計(jì)算特性曲線(xiàn)公式，從而得出電壓——阻抗關(guān)系表。
10.如權(quán)利要求1所述的一種大容量金屬氧化物限壓器的模擬裝置，其特征在于:所述整流電路為整流器。
【文檔編號(hào)】G01R31/00GK104375016SQ201310354209
【公開(kāi)日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2013年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月14日
【發(fā)明者】崔虎寶 申請(qǐng)人:國(guó)家電網(wǎng)公司, 國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院, 中電普瑞科技有限公司