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Power Electronic Control Device for High Voltage Test Transformers

Alzatari, Mazen

Electrical insulators reliability and age degradation estimation can be evaluated accurately by test. Beside other test procedures high voltage dielectric test(HV-DI) and partial discharge (PD) measurements are used for this purpose. Since the accuracy in test is an essential issue, HV-DI test and PD measurements have to be accomplished in nearly ideal signal quality of the test's voltage source, as well as controllable distortions(in presence of harmonics)in order to investigate all possible circumstances. Performing the test using other frequencies(16,7 Hz, 50 Hz, 60 Hz) are also on market demand. For the dimensioning of the power electronic system, the essential components of a HV test system need to be characterised. The characterisation focus on the properties relevant for the use cases High Voltage Dielectric Tests and Partial Discharge Measurements. Based on this characterisation the required parameters for a single phase DC-AC Inverter and the corresponding PWM parameters are derived. The goal of spectral purity disallows the use of standard PWM schemes. Based on the Naturally Sampled PWM scheme as described in the literature [10], a new PWM scheme (Enhanced Unipolar PWM) is developed which allows its use for HV testing. The new driven algorithm is implemented in Digital Signal Processor (DSP) unit which is controlling an H-Bridge and an attached 100 kV, 5 kVA test transformer. The fast Switch-Off unit in case of breakdowns is based on a detection algorithm which is implemented in a second DSP. The accurate detection of a breakdown uses signals from a current sensor in the primary circuit and the voltage signal from a HV divider. Finally the functioning of the whole system is demonstrated in an experimental investigations.

Die Verlässlichkeit und Abschätzung der Degradation (Alterungsverhalten) von elektrischen Isolatoren, kann in Laborversuchen ausgewertet werden. Hochspannungsisolationsprüfungen und Messungen der Teilentladung können zu diesem Zweck, neben anderen Testverfahren, eingesetzt werden. Da die Genauigkeit eine große Rolle spielt, ist es notwendig die Hochspannungsisolationsprüfung und Messung der Teilentladung mit nahezu idealen Spannungsquellen durchzuführen, sowie kontrollierbare Störungen (Oberwellen) zu erzeugen, um alle möglichen Umstände zu untersuchen. Entsprechend der Marktnachfragesoll das Testverfahren mit anderen Frequenzen (16,7 Hz, 50 Hz, 60 Hz) durchgeführt werden können. Für die Dimensionierung des leistungselektronischen Systems, bedarf es der Charakterisierung der wesentlichen Komponenten zur Hochspannungsprüfung. Dabei beschränkt sich die Charakterisierung auf Eigenschaften, welchen für die genannten Testverfahren relevant sind. Darauf basierend sollen die benötigten Parametereinstellungen für einen einphasigen DC-AC Umrichter und die entsprechende Pulsweitenmodulation (PWM) bestimmt werden. Die bekannten Pulsmodulationsverfahren enthalten unerwünschte Frequenzkomponenten in ihrem Spektrum und können deshalb in dieser Arbeit nicht zur Anwendung kommen. Aus diesem Grund wurde ein neues Pulsweitenmodulationsverfahren, die sogenannte „Enhanced Unipolar PWM“ (En-Unipolar-PWM), entwickelt. Dieses basiert auf der „NaurallySampled PWM“, siehe dazu [10]. Das Spektrum der En-Unipolar-PWM enthält keine unerwünschten Frequenzkomponenten. Zusätzlich ist die Erzeugung von kontrollierbaren Oberwellen möglich. Womit das Ziel dieser Arbeit erreicht werden kann. Da es während der Hochspannungsisolationsprüfung zu einem Durchschlag kommen kann, ist es notwendig die Spannungsquelle schnell möglichst auszuschalten. Deswegen wird in dieser Arbeit eine Schnellabschaltung der Anlage entwickelt. Diese hat einen eingebetteten Algorithmus, der die Spannung und den Strom im Durchbruchskanal beobachtet. Die entwickelte Anlage kann die Spannungsquelle in nur 50 us ausschalten. Abschließend wird die Funktion des gesamten Systems durch eine experimentelle Untersuchung demonstriert.

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Zitierform:

Alzatari, Mazen: Power Electronic Control Device for High Voltage Test Transformers. 2016.

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