地網(wǎng)測(cè)量?jī)x用數(shù)字變頻電源設(shè)計(jì)

余為清

（華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌330013）

地網(wǎng)接地電阻測(cè)量中，容易受到50 Hz工頻及其高次諧波的干擾，流經(jīng)地網(wǎng)的不平衡電流在運(yùn)行的地網(wǎng)中產(chǎn)生電磁干擾對(duì)接地電阻的測(cè)量結(jié)果影響很大。加大實(shí)驗(yàn)電流可以提高測(cè)量系統(tǒng)的信噪比，如配合異與工頻的測(cè)量方法，可進(jìn)一步改善測(cè)量條件，提高測(cè)量精度[1-2]。異頻法通過(guò)信號(hào)放大、濾波、頻譜分析及復(fù)阻抗計(jì)算等方法可以有效削弱工頻的干擾，提高地網(wǎng)接地電阻測(cè)量?jī)x的抗干擾性。由于接地電阻測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)要求設(shè)備為便攜式，在采用電池供電的情況下，采用SPWM正弦脈寬調(diào)制技術(shù)是保障變頻電源具有較高頻率精度和效率的有效手段之一[3]。

1 變頻電源的工作原理

作為一種便攜式的變頻電源，地網(wǎng)測(cè)量?jī)x用變頻電源的設(shè)計(jì)要求為：變頻范圍30～130 Hz，頻率精度1 Hz，連續(xù)輸出電流不小于2 A，失真不大于3%。盡管可以利用DDFS（直接頻率合成技術(shù)）后接線性功率放大的模式獲得變頻功率信號(hào)，不過(guò)使用這種方案電能利用率低，發(fā)熱量大，并不適用于電池供電模式下的大功率激勵(lì)[4-5]。

以SPWM波形合成技術(shù)，設(shè)計(jì)地網(wǎng)接地電阻測(cè)量?jī)x用變頻電源能夠提高效率，保障精度，且頻率易于控制。該電源原理如圖1所示，變頻電源采用高性能16位微控制器SPCE061A作為控制單元。SPCE061A通過(guò)軟件合成方式，發(fā)送SPWM數(shù)據(jù)及控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)全橋功率模塊，全橋功率模塊的功率器件工作在開(kāi)關(guān)模式下，由于采用微控制器技術(shù)，在波形合成精度和效率方面都有所提高。SPWM功率信號(hào)經(jīng)過(guò)LC低通濾波器后，可以得到頻率可控的正弦激勵(lì)信號(hào)[6-7]，作為變頻電源的輸出。

地網(wǎng)接地電阻測(cè)量過(guò)程中，可以對(duì)變頻電源電壓的有效值和回路電流信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，依據(jù)歐姆定律對(duì)接地參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，因此，小幅度的電壓幅度波動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果影響不大。該變頻電源著重于對(duì)頻率的精確控制，鍵盤(pán)與顯示單元允許用戶對(duì)電源參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和監(jiān)測(cè)。

圖1 變頻電源原理框圖Fig.1 The principle block diagram of variable frequency power supply

2 單邊SPWM控制原理與波形數(shù)據(jù)的獲取

采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。自然采樣法是一種基于面積等效理念的能量轉(zhuǎn)換形式，原理簡(jiǎn)單直觀，并具有十分確切的數(shù)理依據(jù)[8]。自然采樣法是利用基準(zhǔn)正弦波與三角載波相比較，由兩者的交點(diǎn)決定功率器件開(kāi)關(guān)狀態(tài)的調(diào)制方法。SPWM的調(diào)制方式按載波與調(diào)制信號(hào)的頻率成分之間的關(guān)系，可以分為：同步調(diào)制、異步調(diào)制和分段同步調(diào)制。按照載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)的極性可分為單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制。

單極性調(diào)制的波形如圖2所示?？梢宰C明，在調(diào)頻比較高，且調(diào)制比m≤1（m=Ug/Uc為正弦波幅值對(duì)三角波幅值之比）的情況下，輸出電壓的有效值與調(diào)制比m之間存在著線性關(guān)系，輸出電壓的基波分量[9]

式中：k為比例系數(shù)，由電路結(jié)構(gòu)決定；uo是輸出電壓；ui是輸入電壓。

采用高的調(diào)頻比，可以簡(jiǎn)化濾波電路設(shè)計(jì)，降低諧波頻率的幅度，但過(guò)高的調(diào)頻比將導(dǎo)致開(kāi)關(guān)次數(shù)加大，效率下降。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，設(shè)定調(diào)頻比為200（開(kāi)關(guān)器件為MOSFET），能夠輸出具有較高質(zhì)量的波形，同時(shí)兼顧了效率。

SPWM的數(shù)據(jù)獲取方法較多，為減少微控制器的運(yùn)行時(shí)間，一般采用近似法獲得數(shù)據(jù)[9]。為了提高正弦波形的精度，利用PC機(jī)由Delphi程序生成所需的精確數(shù)據(jù)。

設(shè)定調(diào)頻比為200，調(diào)制比為0.8。利用正弦信號(hào)與三角信號(hào)，產(chǎn)生0～π區(qū)間的交點(diǎn)數(shù)據(jù)，為計(jì)算方便，設(shè)正弦信號(hào)幅度為1，周期為2 s。為減小合成信號(hào)的過(guò)零失真，設(shè)三角信號(hào)初相位π/2，由調(diào)制比知三角波幅度為1.25，周期為0.01 s。

可以得到，半周期正弦信號(hào)表達(dá)式為

圖2 單極性調(diào)制原理圖Fig.2 The principle diagram of mono-polarity modulation

三角波信號(hào)表達(dá)式為

聯(lián)立式（1）（2）可得到精確的交點(diǎn)數(shù)據(jù)。通過(guò)軟件算法逼近可求得相臨交點(diǎn)間的距離，如圖3中Z的值，即可得到高低電平依次的時(shí)間步長(zhǎng)信息，并形成數(shù)據(jù)表格。

圖3 SPWM步長(zhǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算表Fig.3 SPWM step-length data calculation sheet

將該表格數(shù)據(jù)進(jìn)行比例縮放，就可形成一張單周期SPWM波形數(shù)據(jù)表。將該表格數(shù)據(jù)存放在SPCE061A的FlashRom中，通過(guò)查表方式調(diào)用定時(shí)程序既可獲得SPWM波形輸出，這樣做可以有效節(jié)省SPCE061A的運(yùn)算時(shí)間，提高SPWM輸出頻率和精度。

對(duì)步長(zhǎng)信息設(shè)計(jì)比例系數(shù)kf。調(diào)節(jié)比例系數(shù)kf，可以實(shí)現(xiàn)SPWM頻率的精確調(diào)節(jié)，對(duì)各高電平持續(xù)時(shí)間的等比例調(diào)節(jié)，可以對(duì)輸出電壓進(jìn)行一定范圍的調(diào)節(jié)。

式中:fout為輸出頻率，fz是取決于微控制器及軟件結(jié)構(gòu)的頻率。

3 軟件設(shè)計(jì)及測(cè)試

SPCE061A的軟件主要完成查表程序，比例因子kf調(diào)節(jié)及逆變器極性轉(zhuǎn)換信號(hào)的產(chǎn)生工作。流程如圖4所示。

設(shè)置SPCE061A的主頻為49 MHz，可以提高SPWM的波形頻率[10]，實(shí)際測(cè)試可以輸出10～150 Hz以上的正弦信號(hào)。測(cè)試中該電源在輸出2 A電流下，設(shè)定45 Hz波形如圖5所示（探頭進(jìn)行了1/10衰減），帶負(fù)載實(shí)際輸出頻率測(cè)量值45.05 Hz。

圖4 SPWM模塊軟件流程圖Fig.4 SPWM module software flow pattern

圖5 變頻電源波形測(cè)試Fig.5 Waveform test of variable frequency power supply

測(cè)試表明，該電源輸出波形質(zhì)量好。利用中斷方式獲得鍵盤(pán)信息，可以有效避免查詢鍵盤(pán)造成SPWM波形畸變。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用SPCE061A為測(cè)控核心，基于SPWM原理，設(shè)計(jì)了一種頻率精度較高的接地電阻測(cè)量?jī)x用變頻電源，利用軟件模擬自然采樣的方法提高了波形的合成質(zhì)量，通過(guò)讀取ROM表格方式降低了控制器的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，靈活地實(shí)現(xiàn)了便攜式測(cè)量?jī)x表用變頻電源。

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