基于FPGA的高壓交聯(lián)電纜測試電源的研制

摘要：分析了串聯(lián)諧振的原理并通過推導(dǎo)得出諧振電容兩端電壓的關(guān)系式，結(jié)合目前國內(nèi)高壓電纜耐壓測試的發(fā)展現(xiàn)狀，證明了變頻串聯(lián)諧振試驗方法的優(yōu)越性。對于控制部分，利用現(xiàn)場可編程門陣列(FPCA)實現(xiàn)了自動頻率跟蹤，使得整套系統(tǒng)的控制精度得以提高。經(jīng)測試結(jié)果表明，研制的耐壓測試電源樣機(jī)具有操作簡單、控制方便、體積小、重量輕等優(yōu)點，在輸出功率為6 kW的情況下，可以使電纜試品上承受的電壓穩(wěn)步升高到18 kV，滿足了18 kV以下交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜的耐壓測試要求。
關(guān)鍵詞：電源；耐壓測試；串聯(lián)諧振；自動頻率跟蹤

1 引言
    近年來，XLPE絕緣電力電纜已經(jīng)取代油紙絕緣電力電纜，并逐步取代PVC絕緣電力電纜和充油電力電纜，且電壓等級已發(fā)展到500kV。
    目前，高壓電纜耐壓測試的方法主要有直流耐壓測試、超低頻耐壓測試、振蕩波耐壓測試、工頻串聯(lián)諧振以及調(diào)頻諧振耐壓測試等方法。通過分析可知，對XLPE絕緣電纜進(jìn)行耐壓試驗時，采用直流耐壓試驗是不恰當(dāng)?shù)?，它存在很大的缺陷。超低頻(0．1 Hz)耐壓試驗方法和工頻串聯(lián)諧振試驗方法由于電壓等級的限制和自身條件的限制也不易采用，而采用調(diào)頻串聯(lián)諧振試驗方法，可方便地對任意長度的XLPE絕緣電纜進(jìn)行耐壓試驗。因此它也是目前對XLPE橡塑電纜進(jìn)行耐壓試驗的最有效、最有前景的方法。此處系統(tǒng)為在調(diào)壓變頻諧振試驗技術(shù)的基礎(chǔ)上利用FPGA對高壓交聯(lián)電纜進(jìn)行的智能化設(shè)計。

2 主電路結(jié)構(gòu)
    圖1為調(diào)頻諧振式耐壓試驗樣機(jī)的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖，其主電路由兩套整流和逆變電路構(gòu)成。前級、后級逆變電路的控制電路實現(xiàn)調(diào)壓、調(diào)頻功能。滿足了電纜耐壓測試電源中電壓和頻率同時可調(diào)的要求。在主電路中，控制繼電器可實時判斷系統(tǒng)故障并及時做出反應(yīng)。為減小系統(tǒng)控制的復(fù)雜度，整流部分采用單相橋式不可控整流電路。濾波電路是由電容和電感組成的π型濾波電路。逆變電路是由4個IGBT組成的全橋逆變電路，后級逆變電路輸出的是頻率可調(diào)的交流電壓，通過勵磁變壓器T1變換后，輸入由高壓諧振電抗器L、電纜試品電容Cx組成的諧振回路。通過諧振在Cx上產(chǎn)生高壓，達(dá)到對電纜進(jìn)行耐壓試驗的目的。

3 變頻串聯(lián)諧振試驗原理
    圖2示出串聯(lián)諧振變換器的原理圖，在全橋變換器中，以PWM進(jìn)行控制時，對角的兩只開關(guān)管VQ1和VQ4，VQ2和VQ3同時開通和關(guān)斷，且它
們處于近似于180°的互補(bǔ)導(dǎo)通。當(dāng)VQ1和VQ4(或VD1和VD4)同時導(dǎo)通時，A，B兩點電壓uAB=Uin；當(dāng)VQ2和VQ3(或VD2和VD3)同時導(dǎo)通時，uAB=-Uin，因此uAB為幅值Uin，近似180°寬的交流方波電壓，具體波形如圖3a所示。

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    根據(jù)開關(guān)管的開關(guān)情況和諧振電流的方向，全橋變換器存在3種開關(guān)模態(tài)，即VQ1和VQ4導(dǎo)通，VQ2和VQ3關(guān)閉；VQ1，VQ4，VQ2，VQ3均關(guān)閉；VQ2和VQ，導(dǎo)通，VQ。和VQ4關(guān)閉。這3種開關(guān)模態(tài)的電路結(jié)構(gòu)完全相同，只是電源電壓不同而已，因此可以統(tǒng)一為一個電路，如圖3b所示。

    接下來根據(jù)不同的時刻中uC的最大值，再比較每段時刻中最大值之間的關(guān)系，可得出諧振電容電壓幅值的變化情況。
    通過對uC(t)在各個時間段的表達(dá)式求導(dǎo)，其導(dǎo)數(shù)等于零的點處獲得最大值，如果不存在該點，則在其端點處獲得最大值。通過比較分析，可得到uC(t)在各個時間段的最大值如下：

    通過比較各個時間段最大值的絕對值，可知當(dāng)電路處于諧振狀態(tài)時，電容上的電壓波形呈正弦規(guī)律變化且有臺階式的增大。但在實際電路中，諧振電路的輸入電壓是經(jīng)過了變壓器才傳輸?shù)街C振網(wǎng)絡(luò)中的，而由于變壓器和諧振電抗器都存在內(nèi)阻，電阻會不斷地消耗能量，一段時間后會達(dá)到平衡，這時uC幅值就會保持在某個穩(wěn)定值不再變化。經(jīng)仿真分析穩(wěn)定狀態(tài)下的電容電壓表達(dá)式為：，其中Q為品質(zhì)因數(shù)。

    圖4示出調(diào)頻串聯(lián)諧振高壓試驗設(shè)備的工作原理圖。圖中，交流220 V／50 Hz的電源經(jīng)變頻器輸出30～300 Hz頻率可調(diào)的電壓，輸入到勵磁變壓器，升壓至0～2 kV，再經(jīng)諧振電抗器L(也可以是串并聯(lián)組合的電抗器)和Cx，構(gòu)成高壓主諧振回路，電容分壓器為純電容式，用來測量試驗電壓。根據(jù)串聯(lián)諧振的原理及表達(dá)式，有uCx=QUE，降低L和變壓器的內(nèi)阻，適當(dāng)增大L的電感量，就可在較小的勵磁電壓U下，使被試電纜Cx上產(chǎn)生幾十倍于UE的試驗輸出電壓。同時，如果被試品被擊穿，電路立即失去諧振條件，被試品兩端的電壓急劇減小，從而起到了保護(hù)被試品的作用。[!--empirenews.page--]

4 控制部分的數(shù)字化設(shè)計
    目前國內(nèi)采用模擬模塊實現(xiàn)PWM輸出的技術(shù)己比較成熟，但此類芯片最大的缺點就是波形不穩(wěn)定，會受到電磁場和工作環(huán)境的影響，漂移現(xiàn)象嚴(yán)重，而且不易用微處理器控制，動態(tài)調(diào)節(jié)頻率和功率困難。同時，當(dāng)逆變器負(fù)載固有頻率發(fā)生變化時，如果此時逆變器的工作頻率不能隨之改變，就會使逆變器偏離最佳工作點。因此對整個系統(tǒng)而言，逆變器輸出頻率需要隨負(fù)載頻率而變化，亦即控制電路必須具有自動頻率跟蹤功能。圖5示出控制電路設(shè)計框圖。

    由于一開始逆變器工作需要驅(qū)動脈沖，因此必須先給一個他激頻率信號，經(jīng)過死區(qū)產(chǎn)生環(huán)節(jié)和PWM產(chǎn)生環(huán)節(jié)產(chǎn)生4路PWM波形來驅(qū)動全橋逆變，此時選擇器的開關(guān)信號為0。當(dāng)逆變電路工作使得負(fù)載側(cè)電流達(dá)到一定的值后，選擇器開關(guān)信號變?yōu)?，電路由他激模式轉(zhuǎn)換為自激模式，取樣負(fù)載側(cè)電流經(jīng)過數(shù)字鎖相環(huán)后再產(chǎn)生4路PWM波來驅(qū)動全橋逆變。
    本控制部分的核心是全數(shù)字化的鎖相環(huán)，由圖5可知，它由數(shù)字鑒相器、數(shù)字環(huán)路濾波器和數(shù)控振蕩器組成，其中數(shù)字環(huán)路濾波器是由K變?？赡嬗嫈?shù)器構(gòu)成，數(shù)控振蕩器是由脈沖加減電路和除N計數(shù)器構(gòu)成。K變?？赡嬗嫈?shù)器和脈沖加減電路的時鐘分別設(shè)為Mfc和2Nfc，fc為環(huán)路的中心頻率，一般情況下取M和N為2的整數(shù)冪。
    數(shù)字鑒相器是用來比較逆變負(fù)載側(cè)反饋信號Fin和除N計數(shù)器的輸出信號Fout的相位差，因為該系統(tǒng)采用串聯(lián)諧振型電路，其逆變負(fù)載側(cè)電流的高次諧波分量小，基波分量最大，因此Fin取自負(fù)載側(cè)的電流。數(shù)字鑒相器的輸出信號uo是Fin和Fout的異或信號，它直接輸入到K變?？赡嬗嫈?shù)器，作為可逆計數(shù)器的方向脈沖。當(dāng)uo為高電平時，計數(shù)器做減運(yùn)算，當(dāng)減至零時，輸出一個借位脈沖r2；當(dāng)uo為低電平時，計數(shù)器做加運(yùn)算，當(dāng)加到設(shè)置的K值時，輸出一個進(jìn)位脈沖r1。r1和r2信號分別輸入到脈沖加減電路的inc端和dec端，當(dāng)沒有進(jìn)位或借位信號時，電路僅對輸入時鐘進(jìn)行二分頻；當(dāng)有進(jìn)位信號時，就在輸入時鐘中插入半個脈沖；當(dāng)有借位信號時，就在輸入時鐘中減去半個脈沖，再將輸出信號dout進(jìn)行N分頻，以此來調(diào)節(jié)Fout的頻率來跟蹤輸入信號Fin的頻率。瞬時頻率與瞬時相位的關(guān)系為：ω(t)=dφ(t)／dt。若鎖相環(huán)的Fin與Fout的頻率差為△ω(t)，相位差是△φ(t)，則△ω(t)=d△φ(t)／dt?？梢?，若要實現(xiàn)Fin與Fout的頻率相等，只要兩者的相位差△φ(t)為一個恒定不變的常數(shù)即可。

5 測試結(jié)果與分析
    試驗中，應(yīng)使用專業(yè)的接地線將需要接地的各部件連接到地，不要隨便延長接地線的長度，特別注意的是調(diào)頻控制箱和勵磁變壓器的接地端到專用地線組的距離應(yīng)盡可能短。高壓設(shè)備應(yīng)盡量靠近被試品，并與周圍其他物體保持一定的空間距離。小容量試品試驗時，應(yīng)盡可能使高壓引線固定，減小分布電容，有利于試驗電壓的穩(wěn)定。

    測試中，直接用電容代替電力電纜，為保證Q值和頻率范圍，取C=1μF，L=0．7 H，理論計算諧振頻率f=190 Hz。啟動自動頻率跟蹤控制后，驅(qū)動脈沖如圖6a所示?？芍瑑陕访}沖有明顯的死區(qū)時間，有效地避免了在逆變電路中，同橋臂的上下兩只開關(guān)管同時導(dǎo)通而出現(xiàn)短路大電流，燒毀開關(guān)管的情況發(fā)生。變換器輸出電壓uo波形(探頭衰減10倍)和被試電容兩端的電壓uC波形如圖6所示，頻率在190．3 Hz時，測試的電容兩端電壓達(dá)到12 kV(高壓探棒是1：1 000的比例)，基本達(dá)到試驗要求。

6 結(jié)論
    對于交聯(lián)聚乙烯電纜而言，采用交流耐壓試驗，根據(jù)電纜實際電容的大小，選用變頻串聯(lián)諧振的試驗方法，能很好地模擬電纜的實際運(yùn)行情況。當(dāng)被試電纜擊穿時，失去諧振條件，高壓電壓和低壓電流自動減小，因此不會擴(kuò)大被試品的故障點。通過現(xiàn)場可編程門陣列實現(xiàn)自動頻率跟蹤的智能化控制更加能夠提高系統(tǒng)的控制精度，整套耐壓測試設(shè)備的體積小，重量輕，便于現(xiàn)場試驗。