宽频升流器电源的数字控制

陈芒保

摘要：升流器电源将A/D、D/A技术、SPWM技术、逆变技术等综合应用，根据数字输入量改变引起升流器输出电流的变化，以及系统的响应时间，结合特定的自动升流PID控制算法，较理想地实现了试验中的平稳升流和稳流。该电源运用数字波形合成技术，输出稳定电流的频率宽，频率范围为：30Hz～2500Hz， 输出正弦波电压范围：0～150V。该电源适用于电流互感器（CT）的谐波测试试验，以及其它需要使用变频调压电源的试验场合。宽频升流器电源采用LCD屏汉字显示，具有完善的试验功能和良好的人机对话界面。在实际使用中效果良好。

关键词：SPWM技术；宽频升流器；PID控制；稳定电流

中图分类号：TG434.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）07-0016-03

电磁式电流互感器是电力系统中的关键设备，长年运行在电网中，电源谐波对电磁式电流互感器危害極大，谐波电流使电流互感器的铜耗增加，老化或损坏，使用年限大大下降，会严重影响设备的正常运行，甚至会发生十分危险的爆炸现象。对电磁式电流互感器施加不同频率的电流，分析电流互感器在不同频率下的误差特性，进而分析谐波对电流互感器的危害，并加以预防，可避免造成更严重的后果[1-3]。

宽频升流电源采用微机控制，运用数字波形合成技术及现代电力电子技术设计制造，比传统的升流器工作效率高，输出电压稳定，测量精度高，频率范围宽，重复性好。并且可以实现自动测试过程。仪器还提供了手动试验和自动测试功能，一机多用。显示采用大屏幕背光式液晶显示器，全中文操控界面，带实时时钟功能，外置微型打印机。仪器重量轻，便于携带至现场使用。

该升流电源能直接输出30Hz～2500Hz，0～150V的正弦波电压，所以除了用于电流互感器（CT）的谐波测试试验外，还能在用于其它需要使用变频调压电源的试验场合使用。

在不同频率下，大电流侧感抗与阻抗（I=U/XL；XL=2πf）比例不同，升流器采用多档位变比输出，满足了各频率段的输出电流。

1 升流器电源控制原理

图1是升流器电源原理图。该电源采用单片机控制脉宽调制电路产生SPWM波，该信号经IGBT驱动，送至功率桥式逆变电路，逆变后的信号经过隔离变压器、滤波电路送至宽频升流器，升流器的输出可接被测样品电流互感器等。

1.1 SPWM电路与稳定电流控制

图2 是产生SPWM波原理图。用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻进行输出高低电平的转换，从而生成SPWM波。图2中用正弦波与三角波进行比较，正弦波大于三角波的部分，输出为正脉冲，小于部分，输出负脉冲[4-7]。

稳定输出电流的原理：单片机通过调节D/A输出的直流电压幅度，控制SPWM调制正弦波幅度，经过IGBT驱动、功率逆变电路和滤波电路，从而控制了升流器输出电流的幅度。系统中对升流器输出电流的幅度采用PID控制，在对被试品进行试验时，根据设定的输出电流，单片机从零开始提升D/A输出电压，经过PID调节，使输出电流逐步稳定在设定值。

1.2 自动升流PID控制原理

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用。系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便[3]。升流器最终输出的稳定电流Io依赖于D/A输出的直流电压，而该电压由单片机给D/A电路输入一个16位二进制数X所决定。从理论上讲，在系统的硬件参数确立以后，对每一个设定的电流Io，其对应的D/A输入X也应该确定。

PID算法升流和稳流阶段，每一次递增△X的值由PID算法计算。

其中为要输入D/A的数据增量，为前一次输入D/A的数据增量。在上面的表达式中K、I、D分别为比例系数、积分系数和微分系数，其值的大小根据实际系统的情况调整。

进入PID算法升压阶段，上式中的的初始值就是前一阶段的，随着电压的升高递增值越来越小，升压稳定后该值为0。在PID控制过程中每次递增输入D/A数据X的时间间隔也是一个很重要的参数，这个时间间隔的大小取决于这样三个因素：D/A数据输入到稳定高压输出的迟豫时间、系统的硬件参数和软件所设定的升压时间，其值的大小根据实际系统的情况调整。

2 数字控制的硬件和软件

2.1 硬件系统

2.1.1 数字系统

采用STC90C514AD单片机作为整个电源的主控芯片，该芯片内带5K字节EEPROM，可以存放试验所需设定的数据，如频率数据、设定电流数据以及用于PID计算的设定数据如：设定稳定电压Uos、D/A输入数据递增初值△Xo、PID系数K、P、I、D等。在掉电情况下数据不丢失；该芯片还带有4K字节扩展RAM，用作软件算法的数据缓冲区。采用分辨率为320×240的液晶屏作为电源的显示器，显示电压和电流数据、及试验中的各种信息，并用汉显人机对话设定试验的参数和功能。系统采用16位A/D及模拟开关，完成对取样电流和取样电压的测量；D/A电路采用3路8位二进制数的数字/模拟转换芯片MAX512，其中的两路组合成1路准16位D/A电路，这可以通过调节两路的放大系数并叠加组合来实现，组合后的16位D/A输出用于控制升流器输出电流的大小，通过一定的算法控制该路D/A输出的大小，实现稳定宽频升流器的输出电流；另外一路D/A输出通过电压变换，提供液晶显示屏的辉度调节电压。

2.1.2 升流器特点

系统中升流器的磁芯采用坡莫合金非晶铁芯，非晶合金铁芯中具有较高的饱和磁感应强度（1.1～1.2T），同时具有高导磁率，低矫顽力，低损耗，低激磁电流和良好的温度稳定性和时效稳定性.主要用于替代硅钢片，作为各种形式，不同功率的工频配电变压器，中频变压器，工作频率从50Hz到10kHz；作为大功率开关电源电抗器铁芯，使用频率可达50kHz.解决了硅钢铁芯的高频饱和问题，对于非晶磁芯抗振问题，采用了先环氧浇沮非晶磁芯再进行绕制。线采用高温多芯线绕制，在高频段也减少了集肤效应。

2.2 数字控制软件

宽频升流器电源的数字控制软件在功能上设计上较为周全，通过面板上的“功能”设定键，可分别调整“设定试验电流”、“过流整定”、“设定时间”、“试验模式”、“频率模式”、“对比度”以及“测量数据”、实时日期及实时时间等，并可进入“数据查询”；设置完毕后双击“功能”钮进入试验状态界面。软件还开设了保护功能，在系统出现输出短路、过流、过压、功率器件过热等故障时，内部保护電路均会自动切断输出，声音报警，同时将高压切断。

图3为升流、稳流程序框图，程序的一开始计算并给相应的寄存器赋值参数，这些参数是升压过程中所用到的，如△Xo、PID系数K、P、I、D等。开始升流时向D/A输入△Xo，在硬件设计时，将D/A芯片中的寄存器设计成单片机片外数据存储器的单元，因此只要执行访问片外数据存储器指令，就可向D/A芯片传送数据。每次用PID算法计算△Xi+1，再输入到D/A中去，输出相应的电流，直到输出电流达到设定电流。在达到电流设定值后任然重复计算△Xi+1使输出电流稳定在设定值。

3 结语

由于采用了数字控制技术，使宽频升流器升流过程平稳，并能使输出电流稳定在设定值。该电源输出频率范围：30～2500Hz、输出电压范围：0～150V（连续可调）、输出功率：6kVA，在硬件和软件上具有完备的保护功能。该电源适应负载有阻性负载、感性负载、容性负载，所以除了用于电流互感器（CT）的谐波测试试验外，还能在用于其它需要使用变频调压电源的试验场合使用，在实际使用中取得了良好的效果。

参考文献

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