基于FPGA的高壓交聯(lián)電纜測試電源的研制

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載側(cè)電流達到一定的值后，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)器做加運算，當(dāng)加到設(shè)置的K值時，輸出一個進位脈沖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)沒有進位或借位信號時，電路僅對輸入時鐘進行二分頻；當(dāng)有進位信號時，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?，兩路脈沖有明顯的死區(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到12 kV(高壓探棒是1：1 000的比例)，基本達到試驗要求。

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。