寬頻升流器電源的數(shù)字控制

陳芒保

摘要：升流器電源將A/D、D/A技術、SPWM技術、逆變技術等綜合應用，根據(jù)數(shù)字輸入量改變引起升流器輸出電流的變化，以及系統(tǒng)的響應時間，結(jié)合特定的自動升流PID控制算法，較理想地實現(xiàn)了試驗中的平穩(wěn)升流和穩(wěn)流。該電源運用數(shù)字波形合成技術，輸出穩(wěn)定電流的頻率寬，頻率范圍為：30Hz～2500Hz， 輸出正弦波電壓范圍：0～150V。該電源適用于電流互感器（CT）的諧波測試試驗，以及其它需要使用變頻調(diào)壓電源的試驗場合。寬頻升流器電源采用LCD屏漢字顯示，具有完善的試驗功能和良好的人機對話界面。在實際使用中效果良好。

關鍵詞：SPWM技術；寬頻升流器；PID控制；穩(wěn)定電流

中圖分類號：TG434.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）07-0016-03

電磁式電流互感器是電力系統(tǒng)中的關鍵設備，長年運行在電網(wǎng)中，電源諧波對電磁式電流互感器危害極大，諧波電流使電流互感器的銅耗增加，老化或損壞，使用年限大大下降，會嚴重影響設備的正常運行，甚至會發(fā)生十分危險的爆炸現(xiàn)象。對電磁式電流互感器施加不同頻率的電流，分析電流互感器在不同頻率下的誤差特性，進而分析諧波對電流互感器的危害，并加以預防，可避免造成更嚴重的后果[1-3]。

寬頻升流電源采用微機控制，運用數(shù)字波形合成技術及現(xiàn)代電力電子技術設計制造，比傳統(tǒng)的升流器工作效率高，輸出電壓穩(wěn)定，測量精度高，頻率范圍寬，重復性好。并且可以實現(xiàn)自動測試過程。儀器還提供了手動試驗和自動測試功能，一機多用。顯示采用大屏幕背光式液晶顯示器，全中文操控界面，帶實時時鐘功能，外置微型打印機。儀器重量輕，便于攜帶至現(xiàn)場使用。

該升流電源能直接輸出30Hz～2500Hz，0～150V的正弦波電壓，所以除了用于電流互感器（CT）的諧波測試試驗外，還能在用于其它需要使用變頻調(diào)壓電源的試驗場合使用。

在不同頻率下，大電流側(cè)感抗與阻抗（I=U/XL；XL=2πf）比例不同，升流器采用多檔位變比輸出，滿足了各頻率段的輸出電流。

1 升流器電源控制原理

圖1是升流器電源原理圖。該電源采用單片機控制脈寬調(diào)制電路產(chǎn)生SPWM波，該信號經(jīng)IGBT驅(qū)動，送至功率橋式逆變電路，逆變后的信號經(jīng)過隔離變壓器、濾波電路送至寬頻升流器，升流器的輸出可接被測樣品電流互感器等。

1.1 SPWM電路與穩(wěn)定電流控制

圖2 是產(chǎn)生SPWM波原理圖。用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定它們的交點，在交點時刻進行輸出高低電平的轉(zhuǎn)換，從而生成SPWM波。圖2中用正弦波與三角波進行比較，正弦波大于三角波的部分，輸出為正脈沖，小于部分，輸出負脈沖[4-7]。

穩(wěn)定輸出電流的原理：單片機通過調(diào)節(jié)D/A輸出的直流電壓幅度，控制SPWM調(diào)制正弦波幅度，經(jīng)過IGBT驅(qū)動、功率逆變電路和濾波電路，從而控制了升流器輸出電流的幅度。系統(tǒng)中對升流器輸出電流的幅度采用PID控制，在對被試品進行試驗時，根據(jù)設定的輸出電流，單片機從零開始提升D/A輸出電壓，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)，使輸出電流逐步穩(wěn)定在設定值。

1.2 自動升流PID控制原理

當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用。系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應用PID控制技術最為方便[3]。升流器最終輸出的穩(wěn)定電流Io依賴于D/A輸出的直流電壓，而該電壓由單片機給D/A電路輸入一個16位二進制數(shù)X所決定。從理論上講，在系統(tǒng)的硬件參數(shù)確立以后，對每一個設定的電流Io，其對應的D/A輸入X也應該確定。

PID算法升流和穩(wěn)流階段，每一次遞增△X的值由PID算法計算。

其中為要輸入D/A的數(shù)據(jù)增量，為前一次輸入D/A的數(shù)據(jù)增量。在上面的表達式中K、I、D分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，其值的大小根據(jù)實際系統(tǒng)的情況調(diào)整。

進入PID算法升壓階段，上式中的的初始值就是前一階段的，隨著電壓的升高遞增值越來越小，升壓穩(wěn)定后該值為0。在PID控制過程中每次遞增輸入D/A數(shù)據(jù)X的時間間隔也是一個很重要的參數(shù)，這個時間間隔的大小取決于這樣三個因素：D/A數(shù)據(jù)輸入到穩(wěn)定高壓輸出的遲豫時間、系統(tǒng)的硬件參數(shù)和軟件所設定的升壓時間，其值的大小根據(jù)實際系統(tǒng)的情況調(diào)整。

2 數(shù)字控制的硬件和軟件

2.1 硬件系統(tǒng)

2.1.1 數(shù)字系統(tǒng)

采用STC90C514AD單片機作為整個電源的主控芯片，該芯片內(nèi)帶5K字節(jié)EEPROM，可以存放試驗所需設定的數(shù)據(jù)，如頻率數(shù)據(jù)、設定電流數(shù)據(jù)以及用于PID計算的設定數(shù)據(jù)如：設定穩(wěn)定電壓Uos、D/A輸入數(shù)據(jù)遞增初值△Xo、PID系數(shù)K、P、I、D等。在掉電情況下數(shù)據(jù)不丟失；該芯片還帶有4K字節(jié)擴展RAM，用作軟件算法的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。采用分辨率為320×240的液晶屏作為電源的顯示器，顯示電壓和電流數(shù)據(jù)、及試驗中的各種信息，并用漢顯人機對話設定試驗的參數(shù)和功能。系統(tǒng)采用16位A/D及模擬開關，完成對取樣電流和取樣電壓的測量；D/A電路采用3路8位二進制數(shù)的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換芯片MAX512，其中的兩路組合成1路準16位D/A電路，這可以通過調(diào)節(jié)兩路的放大系數(shù)并疊加組合來實現(xiàn)，組合后的16位D/A輸出用于控制升流器輸出電流的大小，通過一定的算法控制該路D/A輸出的大小，實現(xiàn)穩(wěn)定寬頻升流器的輸出電流；另外一路D/A輸出通過電壓變換，提供液晶顯示屏的輝度調(diào)節(jié)電壓。

2.1.2 升流器特點

系統(tǒng)中升流器的磁芯采用坡莫合金非晶鐵芯，非晶合金鐵芯中具有較高的飽和磁感應強度（1.1～1.2T），同時具有高導磁率，低矯頑力，低損耗，低激磁電流和良好的溫度穩(wěn)定性和時效穩(wěn)定性.主要用于替代硅鋼片，作為各種形式，不同功率的工頻配電變壓器，中頻變壓器，工作頻率從50Hz到10kHz；作為大功率開關電源電抗器鐵芯，使用頻率可達50kHz.解決了硅鋼鐵芯的高頻飽和問題，對于非晶磁芯抗振問題，采用了先環(huán)氧澆沮非晶磁芯再進行繞制。線采用高溫多芯線繞制，在高頻段也減少了集膚效應。

2.2 數(shù)字控制軟件

寬頻升流器電源的數(shù)字控制軟件在功能上設計上較為周全，通過面板上的“功能”設定鍵，可分別調(diào)整“設定試驗電流”、“過流整定”、“設定時間”、“試驗模式”、“頻率模式”、“對比度”以及“測量數(shù)據(jù)”、實時日期及實時時間等，并可進入“數(shù)據(jù)查詢”；設置完畢后雙擊“功能”鈕進入試驗狀態(tài)界面。軟件還開設了保護功能，在系統(tǒng)出現(xiàn)輸出短路、過流、過壓、功率器件過熱等故障時，內(nèi)部保護電路均會自動切斷輸出，聲音報警，同時將高壓切斷。

圖3為升流、穩(wěn)流程序框圖，程序的一開始計算并給相應的寄存器賦值參數(shù)，這些參數(shù)是升壓過程中所用到的，如△Xo、PID系數(shù)K、P、I、D等。開始升流時向D/A輸入△Xo，在硬件設計時，將D/A芯片中的寄存器設計成單片機片外數(shù)據(jù)存儲器的單元，因此只要執(zhí)行訪問片外數(shù)據(jù)存儲器指令，就可向D/A芯片傳送數(shù)據(jù)。每次用PID算法計算△Xi+1，再輸入到D/A中去，輸出相應的電流，直到輸出電流達到設定電流。在達到電流設定值后任然重復計算△Xi+1使輸出電流穩(wěn)定在設定值。

3 結(jié)語

由于采用了數(shù)字控制技術，使寬頻升流器升流過程平穩(wěn)，并能使輸出電流穩(wěn)定在設定值。該電源輸出頻率范圍：30～2500Hz、輸出電壓范圍：0～150V（連續(xù)可調(diào)）、輸出功率：6kVA，在硬件和軟件上具有完備的保護功能。該電源適應負載有阻性負載、感性負載、容性負載，所以除了用于電流互感器（CT）的諧波測試試驗外，還能在用于其它需要使用變頻調(diào)壓電源的試驗場合使用，在實際使用中取得了良好的效果。

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