基于FPGA的高壓交聯(lián)電纜測(cè)試電源的研制

由于一開始逆變器工作需要驅(qū)動(dòng)脈沖，因此必須先給一個(gè)他激頻率信號(hào)，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(dòng)全橋逆變，此時(shí)選擇器的開關(guān)信號(hào)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(hào)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(dòng)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?jì)數(shù)器構(gòu)成，數(shù)控振蕩器是由脈沖加減電路和除N計(jì)數(shù)器構(gòu)成。K變?？赡嬗?jì)數(shù)器和脈沖加減電路的時(shí)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(hào)Fin和除N計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)Fout的相位差，因?yàn)樵撓到y(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(hào)uo是Fin和Fout的異或信號(hào)，它直接輸入到K變?？赡嬗?jì)數(shù)器，作為可逆計(jì)數(shù)器的方向脈沖。當(dāng)uo為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器做減運(yùn)算，當(dāng)減至零時(shí)，輸出一個(gè)借位脈沖r2；當(dāng)uo為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器做加運(yùn)算，當(dāng)加到設(shè)置的K值時(shí)，輸出一個(gè)進(jìn)位脈沖r1。r1和r2信號(hào)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(hào)時(shí)，電路僅對(duì)輸入時(shí)鐘進(jìn)行二分頻；當(dāng)有進(jìn)位信號(hào)時(shí)，就在輸入時(shí)鐘中插入半個(gè)脈沖；當(dāng)有借位信號(hào)時(shí)，就在輸入時(shí)鐘中減去半個(gè)脈沖，再將輸出信號(hào)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(hào)Fin的頻率。瞬時(shí)頻率與瞬時(shí)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。可見，若要實(shí)現(xiàn)Fin與Fout的頻率相等，只要兩者的相位差△φ(t)為一個(gè)恒定不變的常數(shù)即可。

5 測(cè)試結(jié)果與分析
試驗(yàn)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(zhǎng)接地線的長(zhǎng)度，特別注意的是調(diào)頻控制箱和勵(lì)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(yàn)時(shí)，應(yīng)盡可能使高壓引線固定，減小分布電容，有利于試驗(yàn)電壓的穩(wěn)定。

測(cè)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(jì)算諧振頻率f=190 Hz。啟動(dòng)自動(dòng)頻率跟蹤控制后，驅(qū)動(dòng)脈沖如圖6a所示?？芍?，兩路脈沖有明顯的死區(qū)時(shí)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(shí)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(shí)，測(cè)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(yàn)要求。

6 結(jié)論
對(duì)于交聯(lián)聚乙烯電纜而言，采用交流耐壓試驗(yàn)，根據(jù)電纜實(shí)際電容的大小，選用變頻串聯(lián)諧振的試驗(yàn)方法，能很好地模擬電纜的實(shí)際運(yùn)行情況。當(dāng)被試電纜擊穿時(shí)，失去諧振條件，高壓電壓和低壓電流自動(dòng)減小，因此不會(huì)擴(kuò)大被試品的故障點(diǎn)。通過現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(cè)試設(shè)備的體積小，重量輕，便于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。