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[摘 要]目前现场检修工作中多使用有源交流调压器与试验变压器配合完成带电显示装置的校验，无法满足变电站现场实际校验工作需要。本文拟研究与开发新型可扩展便携式带电显示器校验装置，成果将有效改善目前高压带电显示器现场校验工作中试验仪器笨重、试验接线复杂、试验环境杂乱存在安全隐患的问题。
[关键词]逆变整流;带电显示器
中图分类号：TM591 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）22-0089-01
第一章 绪论
《电业安全作业规程》和《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》都对带电显示及闭锁装置的配置和使用提出了要求，根据国家电网公司企业标准 Q/GDW 1168-2013《输变电状态检修试验规程》要求，高压开关柜例行试验项目应包含带电显示装置检查。目前现场检修工作中多使用有源交流调压器与试验变压器配合完成带电显示装置的校验无法满足变电站现场实际校验工作需要。本文成果将有效改善目前高压带电显示器现场校验工作中试验仪使用困难的缺点，大大提高工作效率
第二章 研究背景
带电显示器是一种安装在室内电气设备上，直观显示出电气设备是否带有运行电压的提示性安全装置。当设备带有运行电压时，该显示器显示窗发出闪光，警示人们高压设备带电，无电时则无指示。
本文结合现场工作实际，成立调查小组，对当前变电站现场检修工作中带电显示器校验工作进行现状调查。发现现场存在以下问题（1）试验设备笨重、试验接线复杂; （2）关键电压节点不清晰;（3）试验过程存在安全隐患。
第三章 整体设计方案
本文拟研究和开发基于直流逆变技术的便携式可扩展带电显示器校验仪。本文拟以大容量蓄电池为电源，利用直流逆变技术和交流升压电路输出达到65%额定相电压的交流电压，总体方案原理框图如下图1所示。
由于蓄电池输出直流电压只有12V，所以必须通过升压电路将直流电压升到一定值才能作为逆变器的输入电压。逆变器的核心是半导体开关器件，不同拓扑的逆变电路有不同的优缺点和应用领域。半导体开关器件需要触发信号才能导通，要使逆变器输出正弦波形，则需要特殊的触发电路对开关器件进行调制。逆变器输出带有高次谐波，需要滤波电路对谐波进行。
第四章 直流逆变技术原理及实现方法
直流逆变技术是指将直流电通过逆变成为交流电的技术。DC-AC 逆变器是将直流转化为交流的系统，通过控制半导体开关器件的开启和截止，从而实现直流转交流。其中开关器件的开和关由控制部分来完成，这会导致逆变电路输出中含有谐波，最后需要通过滤波得到需要的交流电压。系统的结构框图如下
从图2 中可以看出，逆变系统主要由输入部分、逆变部分、控制部分、辅助部分、保护部分和输出部分等六大结构组成。其中：
（1）输入电路部分在系统的最前端，可接收各种电池或者供电设备输出的直流电压。
（2）逆变部分，主电路主要是由功率开关器件组成的，根据类型不同可分为降压变换、升压变换、降壓-升压、升压-降压等多种不同形式，可对应于不同的需求进行具体选择。
（3）控制部分，控制部分主要是由主控芯片产生一系列一定宽度的脉冲信号，输出到驱动电路，驱动电路控制功率开关，控制其开启与截止，从而得到输出电压。
（4）输出部分，输出部分一般包括了滤波电路和隔离电路，这样保证输出电压的稳定性。
（5）保护部分，保护电路中主要是包括了过压保护，欠压保护，过载保护以及过流保护等多种情况。防止电压或者电流超出范围给电路器件或者是用电设备造成的损失，在一般应用中，可以根据实际需要选择相应的保护电路，在必要的情况下，也可以选择全部保护形式，当然，代价是电路更加复杂，功耗也可能更大。
第五章 DC-DC 变换器的工作原理及实现方法
DC-AC-DC 升压变换器原理是通过半导体器件的开关切换动作将直流电压部分先转变为交流电压部分，其中交流电压部分经整流后转变为极性和电压值满足要求直流电压的电路，本文使用的是全桥升压电路。
全桥升压 DC-DC电路是后续逆变电路的基础，其变压器初级施加的是幅值为正反相的 Ui，是半桥变换器的二倍，但是全桥开关管承受的关断电压却与半桥变换器相同，为最大直流输入电压。在开关管承受的峰值电压和电流相同时，其输出功率是半桥的二倍，这也是其主要的优点。 电路的大概工作过程为，4个开关管共分成两组，斜对的两个开关管为一组，两组交替导通半个周期，在变压器一次侧产生交变方波，经过升压变比和变压器二次侧的二极管整流产生直流电压供后级逆变电路使用。
逆变电源的功率元件的选择至关重要，目前使用较多的功率元件有巨型晶体管（GTR）、功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（IGBT）和可关断晶闸管（GTO）、静电感应晶体管（SIT）等。本文选用功率MOSFET作为功率开关元件。功率 MOSFET 是一种多子导电的单极型电压控制器件，具有开关速度快、高频特性好、热稳定性优良、驱动电路简单、驱动功率小、安全工作区宽、无二次击穿问题等显著优点。
本文采用峰值电流型 PWM 控制。通过采样电阻对主电路电感的电流进行反馈，将电流转换为电压信号 Ui，电压信号 Ui送入比较器的一端，误差信号 Ue在比较器的另外一端。比较器对二者进行比较，送到 RS 触发器的输入端，触发得到 PWM 波形，送到驱动电路，控制开关管的导通和截止。
第六章 逆变驱动及控制器选择
电路的驱动选取 IR2184S 作为驱动芯片，IR2184S 芯片多用于桥式电路的开关管驱动，他具有传统的光耦合驱动和电磁驱动的优点，反应速度快，噪声小。
整个控制电路核心由ATmel公司的芯片ATMEGA88及外围电路构成。ATMEGA88是基于AVR增强型RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间， ATMEGA88的数据吞吐率高达1MIPS/MHZ，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算术逻辑单元相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。
第七章 电源及通讯功能
本设计使用12V磷酸铁锂电蓄电池供电，并提供外接扩展电源接口。
本文设计无线遥控开关可实现 100 米及以内对高压带电显示器校验仪的控制，并且能实现无线开或者控制信息的发送，传输到电子设备并能进行接收，当电子设备发送开或者关命令完成后的反馈，开关设备也能接受并且反应。本文选择以PT2264/2272为核心的遥控开关控制电路。
第八章 总结
本文研发的基于直流逆变技术的便携式多功能带电显示器校验仪，创新地结合直流逆变技术和交流升压将蓄电池作为电源实现高电压的输出，完成高压带电显示器的校验功能，并提供扩展接口提高带负载能力实现10kV真空断路器和10kV母线的交流耐压试验。本项目设计的便携式带电显示器校验仪，与简单变压器升压相比，在减少工作量，提高效率，提高精确度上有较好的表现。
[关键词]逆变整流;带电显示器
中图分类号：TM591 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）22-0089-01
第一章 绪论
《电业安全作业规程》和《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》都对带电显示及闭锁装置的配置和使用提出了要求，根据国家电网公司企业标准 Q/GDW 1168-2013《输变电状态检修试验规程》要求，高压开关柜例行试验项目应包含带电显示装置检查。目前现场检修工作中多使用有源交流调压器与试验变压器配合完成带电显示装置的校验无法满足变电站现场实际校验工作需要。本文成果将有效改善目前高压带电显示器现场校验工作中试验仪使用困难的缺点，大大提高工作效率
第二章 研究背景
带电显示器是一种安装在室内电气设备上，直观显示出电气设备是否带有运行电压的提示性安全装置。当设备带有运行电压时，该显示器显示窗发出闪光，警示人们高压设备带电，无电时则无指示。
本文结合现场工作实际，成立调查小组，对当前变电站现场检修工作中带电显示器校验工作进行现状调查。发现现场存在以下问题（1）试验设备笨重、试验接线复杂; （2）关键电压节点不清晰;（3）试验过程存在安全隐患。
第三章 整体设计方案
本文拟研究和开发基于直流逆变技术的便携式可扩展带电显示器校验仪。本文拟以大容量蓄电池为电源，利用直流逆变技术和交流升压电路输出达到65%额定相电压的交流电压，总体方案原理框图如下图1所示。
由于蓄电池输出直流电压只有12V，所以必须通过升压电路将直流电压升到一定值才能作为逆变器的输入电压。逆变器的核心是半导体开关器件，不同拓扑的逆变电路有不同的优缺点和应用领域。半导体开关器件需要触发信号才能导通，要使逆变器输出正弦波形，则需要特殊的触发电路对开关器件进行调制。逆变器输出带有高次谐波，需要滤波电路对谐波进行。
第四章 直流逆变技术原理及实现方法
直流逆变技术是指将直流电通过逆变成为交流电的技术。DC-AC 逆变器是将直流转化为交流的系统，通过控制半导体开关器件的开启和截止，从而实现直流转交流。其中开关器件的开和关由控制部分来完成，这会导致逆变电路输出中含有谐波，最后需要通过滤波得到需要的交流电压。系统的结构框图如下
从图2 中可以看出，逆变系统主要由输入部分、逆变部分、控制部分、辅助部分、保护部分和输出部分等六大结构组成。其中：
（1）输入电路部分在系统的最前端，可接收各种电池或者供电设备输出的直流电压。
（2）逆变部分，主电路主要是由功率开关器件组成的，根据类型不同可分为降压变换、升压变换、降壓-升压、升压-降压等多种不同形式，可对应于不同的需求进行具体选择。
（3）控制部分，控制部分主要是由主控芯片产生一系列一定宽度的脉冲信号，输出到驱动电路，驱动电路控制功率开关，控制其开启与截止，从而得到输出电压。
（4）输出部分，输出部分一般包括了滤波电路和隔离电路，这样保证输出电压的稳定性。
（5）保护部分，保护电路中主要是包括了过压保护，欠压保护，过载保护以及过流保护等多种情况。防止电压或者电流超出范围给电路器件或者是用电设备造成的损失，在一般应用中，可以根据实际需要选择相应的保护电路，在必要的情况下，也可以选择全部保护形式，当然，代价是电路更加复杂，功耗也可能更大。
第五章 DC-DC 变换器的工作原理及实现方法
DC-AC-DC 升压变换器原理是通过半导体器件的开关切换动作将直流电压部分先转变为交流电压部分，其中交流电压部分经整流后转变为极性和电压值满足要求直流电压的电路，本文使用的是全桥升压电路。
全桥升压 DC-DC电路是后续逆变电路的基础，其变压器初级施加的是幅值为正反相的 Ui，是半桥变换器的二倍，但是全桥开关管承受的关断电压却与半桥变换器相同，为最大直流输入电压。在开关管承受的峰值电压和电流相同时，其输出功率是半桥的二倍，这也是其主要的优点。 电路的大概工作过程为，4个开关管共分成两组，斜对的两个开关管为一组，两组交替导通半个周期，在变压器一次侧产生交变方波，经过升压变比和变压器二次侧的二极管整流产生直流电压供后级逆变电路使用。
逆变电源的功率元件的选择至关重要，目前使用较多的功率元件有巨型晶体管（GTR）、功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（IGBT）和可关断晶闸管（GTO）、静电感应晶体管（SIT）等。本文选用功率MOSFET作为功率开关元件。功率 MOSFET 是一种多子导电的单极型电压控制器件，具有开关速度快、高频特性好、热稳定性优良、驱动电路简单、驱动功率小、安全工作区宽、无二次击穿问题等显著优点。
本文采用峰值电流型 PWM 控制。通过采样电阻对主电路电感的电流进行反馈，将电流转换为电压信号 Ui，电压信号 Ui送入比较器的一端，误差信号 Ue在比较器的另外一端。比较器对二者进行比较，送到 RS 触发器的输入端，触发得到 PWM 波形，送到驱动电路，控制开关管的导通和截止。
第六章 逆变驱动及控制器选择
电路的驱动选取 IR2184S 作为驱动芯片，IR2184S 芯片多用于桥式电路的开关管驱动，他具有传统的光耦合驱动和电磁驱动的优点，反应速度快，噪声小。
整个控制电路核心由ATmel公司的芯片ATMEGA88及外围电路构成。ATMEGA88是基于AVR增强型RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间， ATMEGA88的数据吞吐率高达1MIPS/MHZ，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算术逻辑单元相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。
第七章 电源及通讯功能
本设计使用12V磷酸铁锂电蓄电池供电，并提供外接扩展电源接口。
本文设计无线遥控开关可实现 100 米及以内对高压带电显示器校验仪的控制，并且能实现无线开或者控制信息的发送，传输到电子设备并能进行接收，当电子设备发送开或者关命令完成后的反馈，开关设备也能接受并且反应。本文选择以PT2264/2272为核心的遥控开关控制电路。
第八章 总结
本文研发的基于直流逆变技术的便携式多功能带电显示器校验仪，创新地结合直流逆变技术和交流升压将蓄电池作为电源实现高电压的输出，完成高压带电显示器的校验功能，并提供扩展接口提高带负载能力实现10kV真空断路器和10kV母线的交流耐压试验。本项目设计的便携式带电显示器校验仪，与简单变压器升压相比，在减少工作量，提高效率，提高精确度上有较好的表现。