基于FPGA的高压交联电缆测试电源的研制

摘要：分析了串联谐振的原理并通过推导得出谐振电容两端电压的关系式，结合目前国内高压电缆耐压测试的发展现状，证明了变频串联谐振试验方法的优越性。对于控制部分，利用现场可编程门阵列(FPCA)实现了自动频率跟踪，使得整套系统的控制精度得以提高。经测试结果表明，研制的耐压测试电源样机具有操作简单、控制方便、体积小、重量轻等优点，在输出功率为6 kW的情况下，可以使电缆试品上承受的电压稳步升高到18 kV，满足了18 kV以下交联聚乙烯(XLPE)电缆的耐压测试要求。
关键词：电源；耐压测试；串联谐振；自动频率跟踪

1 引言
近年来，XLPE绝缘电力电缆已经取代油纸绝缘电力电缆，并逐步取代PVC绝缘电力电缆和充油电力电缆，且电压等级已发展到500kV。
目前，高压电缆耐压测试的方法主要有直流耐压测试、超低频耐压测试、振荡波耐压测试、工频串联谐振以及调频谐振耐压测试等方法。通过分析可知，对XLPE绝缘电缆进行耐压试验时，采用直流耐压试验是不恰当的，它存在很大的缺陷。超低频(0．1 Hz)耐压试验方法和工频串联谐振试验方法由于电压等级的限制和自身条件的限制也不易采用，而采用调频串联谐振试验方法，可方便地对任意长度的XLPE绝缘电缆进行耐压试验。因此它也是目前对XLPE橡塑电缆进行耐压试验的最有效、最有前景的方法。此处系统为在调压变频谐振试验技术的基础上利用FPGA对高压交联电缆进行的智能化设计。

2 主电路结构
图1为调频谐振式耐压试验样机的硬件电路结构框图，其主电路由两套整流和逆变电路构成。前级、后级逆变电路的控制电路实现调压、调频功能。满足了电缆耐压测试电源中电压和频率同时可调的要求。在主电路中，控制继电器可实时判断系统故障并及时做出反应。为减小系统控制的复杂度，整流部分采用单相桥式不可控整流电路。滤波电路是由电容和电感组成的π型滤波电路。逆变电路是由4个IGBT组成的全桥逆变电路，后级逆变电路输出的是频率可调的交流电压，通过励磁变压器T1变换后，输入由高压谐振电抗器L、电缆试品电容Cx组成的谐振回路。通过谐振在Cx上产生高压，达到对电缆进行耐压试验的目的。

3 变频串联谐振试验原理
图2示出串联谐振变换器的原理图，在全桥变换器中，以PWM进行控制时，对角的两只开关管VQ1和VQ4，VQ2和VQ3同时开通和关断，且它
们处于近似于180°的互补导通。当VQ1和VQ4(或VD1和VD4)同时导通时，A，B两点电压uAB=Uin；当VQ2和VQ3(或VD2和VD3)同时导通时，uAB=-Uin，因此uAB为幅值Uin，近似180°宽的交流方波电压，具体波形如图3a所示。

根据开关管的开关情况和谐振电流的方向，全桥变换器存在3种开关模态，即VQ1和VQ4导通，VQ2和VQ3关闭；VQ1，VQ4，VQ2，VQ3均关闭；VQ2和VQ，导通，VQ。和VQ4关闭。这3种开关模态的电路结构完全相同，只是电源电压不同而已，因此可以统一为一个电路，如图3b所示。

接下来根据不同的时刻中uC的最大值，再比较每段时刻中最大值之间的关系，可得出谐振电容电压幅值的变化情况。
通过对uC(t)在各个时间段的表达式求导，其导数等于零的点处获得最大值，如果不存在该点，则在其端点处获得最大值。通过比较分析，可得到uC(t)在各个时间段的最大值如下：

通过比较各个时间段最大值的绝对值，可知当电路处于谐振状态时，电容上的电压波形呈正弦规律变化且有台阶式的增大。但在实际电路中，谐振电路的输入电压是经过了变压器才传输到谐振网络中的，而由于变压器和谐振电抗器都存在内阻，电阻会不断地消耗能量，一段时间后会达到平衡，这时uC幅值就会保持在某个稳定值不再变化。经仿真分析稳定状态下的电容电压表达式为：，其中Q为品质因数。

图4示出调频串联谐振高压试验设备的工作原理图。图中，交流220 V／50 Hz的电源经变频器输出30～300 Hz频率可调的电压，输入到励磁变压器，升压至0～2 kV，再经谐振电抗器L(也可以是串并联组合的电抗器)和Cx，构成高压主谐振回路，电容分压器为纯电容式，用来测量试验电压。根据串联谐振的原理及表达式，有uCx=QUE，降低L和变压器的内阻，适当增大L的电感量，就可在较小的励磁电压U下，使被试电缆Cx上产生几十倍于UE的试验输出电压。同时，如果被试品被击穿，电路立即失去谐振条件，被试品两端的电压急剧减小，从而起到了保护被试品的作用。

4 控制部分的数字化设计
目前国内采用模拟模块实现PWM输出的技术己比较成熟，但此类芯片最大的缺点就是波形不稳定，会受到电磁场和工作环境的影响，漂移现象严重，而且不易用微处理器控制，动态调节频率和功率困难。同时，当逆变器负载固有频率发生变化时，如果此时逆变器的工作频率不能随之改变，就会使逆变器偏离最佳工作点。因此对整个系统而言，逆变器输出频率需要随负载频率而变化，亦即控制电路必须具有自动频率跟踪功能。图5示出控制电路设计框图。