特種作業(yè)裝置增強型數(shù)字鎖相環(huán)設(shè)計

侯 峰，馮 洋，尹 松，余金花，鄧 嵩

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司培訓(xùn)中心公司，銀川 750011）

國網(wǎng)“一體四翼”布局持續(xù)深化，強調(diào)以“電網(wǎng)業(yè)務(wù)”為主體，聚焦安全生產(chǎn)[1-2]。為夯實安全管控基礎(chǔ)，電工作業(yè)人員“嚴(yán)格培訓(xùn)，持證考核”是核心舉措。根據(jù)《中華人民共和國安全生產(chǎn)法》和國務(wù)院《安全生產(chǎn)許可證條例》：特種作業(yè)人員必須參加安全技能培訓(xùn)和考核取證，“持證上崗”具有法律強制性。

按照國家應(yīng)急管理部門《特種作業(yè)（電工）安全技術(shù)培訓(xùn)大綱和考核標(biāo)準(zhǔn)》要求[3]，電力設(shè)備（線路）相序核對檢查是實操培訓(xùn)和取證考核的“規(guī)定動作”，如果作業(yè)人員未能理解相序核對方法，沒有熟練掌握核相技能，盲目接火或者送電，會造成嚴(yán)重的設(shè)備損壞和系統(tǒng)紊亂故障。

但是，截至目前，國內(nèi)外專門針對電工核相實訓(xùn)的裝置仍是空白[4]，雖然有應(yīng)用單相220 V 轉(zhuǎn)三相380 V升壓器案例，但此類升壓器極易出現(xiàn)電源電壓噪聲大、電源相位不匹配、電源頻率不匹配等問題。因此，本文提出了一種增強型鎖相環(huán)技術(shù)，采用封閉式方程式（雙模技術(shù)），考慮了鎖相環(huán)的性能和估計器的驅(qū)動設(shè)計。通過使用鎖相環(huán)控制的可變采樣頻率，使得卡爾曼濾波器始終圍繞其中心頻率運行。確保電工核相實訓(xùn)裝置輸出三相交流電的相位和頻率精度，提高裝置的性能。

1 單相220 V 轉(zhuǎn)三相380 V 轉(zhuǎn)換器相關(guān)原理

相比較于單相電壓，三相電在某些場合的應(yīng)用更具優(yōu)勢。三相連接的負(fù)載，尤其是電機負(fù)載，具有恒定扭矩、恒定功率、尺寸減小的優(yōu)點[5]。通常，一個單相轉(zhuǎn)三相的轉(zhuǎn)換器由三個單元組成，分別是A，B，C。每一個單元由一個正轉(zhuǎn)換器（PC）和一個負(fù)轉(zhuǎn)換器（NC）反并行連接到相序A，轉(zhuǎn)換器的輸出頻率與輸入頻率之間的關(guān)系可由下式計算：

fo=fi×N，

式中，N 可以是任何整數(shù)值用以獲得高輸出頻率。A，B，C 單元分別產(chǎn)生VA、VB和VC三個電壓。為了獲得一個預(yù)定義的相序及相位差，每個單元會在特定的時間觸發(fā)順序。

所有三個裝置都需要的基本觸發(fā)脈沖產(chǎn)生高頻輸出。脈沖XP是50 Hz，XN的平方信號是XP的反向形式。三個脈沖XPA、XPB和XPC的輸出頻率為100 Hz，相差120 度。這三個脈沖的反轉(zhuǎn)產(chǎn)生XNA、XNB和XNC，應(yīng)用于不同開關(guān)的脈沖通過邏輯“與”運算獲得。

2 電工核相實訓(xùn)裝置的設(shè)計

2.1 基于FPGA 的SVPWM 控制技術(shù)

單相轉(zhuǎn)三相這種轉(zhuǎn)換器已經(jīng)在高速感應(yīng)電動機中得到了發(fā)展和應(yīng)用，并使用MATLAB 進行了仿真[6-7]，但是輸出存在諧波，電流波形失真較大，因此，一種SVPWM 技術(shù)被研制用來改善轉(zhuǎn)換器的輸出。盡管與其他載波的脈寬調(diào)制相比，SVPWM 的調(diào)制策略更加復(fù)雜，但是由于其通過最小化開關(guān)頻率來降低功率損耗，因此仍然是調(diào)制首選的方法。調(diào)制技術(shù)或許可以被進一步完善，使其能夠?qū)?yīng)輸入電壓的平均值和期望輸出電壓的變化。單相轉(zhuǎn)三相轉(zhuǎn)換器的完整電路模型由12 個功率開關(guān)決定轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，開關(guān)由變量yA，zA，yB，zB，yC和zC控制，見表1、表2。當(dāng)一個轉(zhuǎn)換器的開關(guān)裝置將接通，轉(zhuǎn)換器的另一個開關(guān)會關(guān)閉。因此，只有一個轉(zhuǎn)換器開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)被用來決定輸出電壓。轉(zhuǎn)化器有六個支部，因此切換狀態(tài)共有64 種。但由于限制條件少，不可能實現(xiàn)所有的切換狀態(tài)。例如，所有開關(guān)不能同時產(chǎn)生正輸出。在任何時刻，最大兩個開關(guān)將產(chǎn)生正輸出，一個開關(guān)將產(chǎn)生負(fù)輸出，反之亦然，這取決于開關(guān)的導(dǎo)通情況。為了實現(xiàn)SVPWM，將SVPWM 控制算法融合到FPGA 進行輸出調(diào)試[8]。FPGA是一款能夠執(zhí)行循環(huán)頻率高達數(shù)百千赫控制算法的硬件產(chǎn)品。實際上，在數(shù)字信號處理器或微處理器設(shè)計中，可以通過在示波器上觀察各種波形，對觸發(fā)電路進行定性測試[9]。

表1 正半輸入周期開關(guān)狀態(tài)

表2 負(fù)半輸入周期開關(guān)狀態(tài)

2.2 基于IGBT 的相序切換電路設(shè)計

IGBT 即絕緣柵雙極型晶體管，是由絕緣柵場效應(yīng)管和雙極型晶體管構(gòu)成的復(fù)合半導(dǎo)體器件。IGBT 驅(qū)動器的作用是經(jīng)過隔離升壓等方法將上位機發(fā)出的控制信號轉(zhuǎn)化為可直接作用于IGBT 門極的正反偏驅(qū)動電壓，從而實現(xiàn)對IGBT 開通和關(guān)斷的控制[10]。使用IGBT設(shè)計相序切換電路，可以實現(xiàn)相序快速切換。驅(qū)動構(gòu)成主要有信號隔離單元、隔離電源、驅(qū)動單元、控制處理單元、檢測保護單元及IGBT 單元。相序切換電路的設(shè)計原理在驅(qū)動構(gòu)成的基礎(chǔ)上添加了相序切換單元，如圖1所示。通過將三組IGBT 驅(qū)動與不同相序的電壓連接，利用IGBT 的開通和關(guān)斷功能，實現(xiàn)對相序的平滑、快速切換。這一方式避免了相序切換過程中可能出現(xiàn)的安全隱患問題，如短路等操作引起的安全問題，因為可以通過上位接口程序控制IGBT 的切換，在人工操作出現(xiàn)問題時可以及時糾正問題。

圖1 IGBT 驅(qū)動相序切換電路結(jié)構(gòu)圖

2.3 提出的增強型數(shù)字鎖相環(huán)設(shè)計

鎖相環(huán)技術(shù)能夠保證輸入輸出信號頻率相等，延時的匹配良好，這對于電工核相實訓(xùn)裝置中將單相電轉(zhuǎn)為三相電時保證三相交流電的相位和頻率精度具有十分重要的意義。傳統(tǒng)鎖相環(huán)電路部分由鑒頻鑒相器、電荷泵、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器構(gòu)成。為了改善鎖相環(huán)的抖動性能，提出了一種基于雙模技術(shù)的鎖相環(huán)，其原理如圖2所示。所提出的雙模技術(shù)鎖相環(huán)可在兩種模式下運行：靜態(tài)類CMOS 模式和動態(tài)類CMOS 模式。在靜態(tài)模式下，雙模技術(shù)門具有非常低的功耗；在動態(tài)模式下，雖然功耗增加，但性能適中，可獲得更高的性能。此獨特功能提供了動態(tài)控制系統(tǒng)性能的選項，從而支持需要靈活工作負(fù)載的應(yīng)用?；倦p模門體系結(jié)構(gòu)由標(biāo)準(zhǔn)CMOS 門和附加晶體管組成，其門連接到全局時鐘信號。初看這種結(jié)構(gòu)與耐噪聲預(yù)充電（NTP）結(jié)構(gòu)非常相似，然而，與NTP 相反。NTP 是作為一種高速、高噪聲耐受性而開發(fā)的動態(tài)邏輯，而雙模技術(shù)旨在允許在兩種功能模式下運行：靜態(tài)模式和動態(tài)模式。要在動態(tài)模式下操作閘門，由CLK 分配不對稱時鐘，允許兩個不同的階段：預(yù)充電和評估。除了在不同運行模式之間切換的獨特能力外，在動態(tài)模式下運行的雙模節(jié)點還具有許多顯著的相對于傳統(tǒng)動態(tài)節(jié)點的優(yōu)勢。雙模固有的特點是由CMOS 互補電路構(gòu)成的有源保持器思維方式主動保持器源于節(jié)點的結(jié)構(gòu)，其中CMOS 部分仍然功能齊全，并有助于保持輸出電平。

圖2 雙模增強鎖相環(huán)原理圖

增強型鎖相環(huán)使用并聯(lián)晶體管執(zhí)行評估，評估速度更快。堆疊晶體管的尺寸將調(diào)整到最小寬度，以減少固有電容，在降低靜態(tài)運行性能的基礎(chǔ)上提高動態(tài)運行性能。這種尺寸調(diào)整策略還可以減少能量耗散，如與傳統(tǒng)的靜態(tài)CMOS 門相比。預(yù)充電晶體管的尺寸也最小，以減少靜態(tài)操作和評估期間的泄漏電流。

3 電工核相實訓(xùn)裝置增強型數(shù)字鎖相環(huán)測試分析

實驗從相位和頻率精度對增強型數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)進行了測試。圖3展示了增強型數(shù)字鎖相環(huán)壓控振蕩器輸出相位噪聲隨電壓調(diào)節(jié)的變化，隨著電壓0 V 至2 V 逐漸升高的過程，輸出相位相對噪聲先上升后下降，最差的相位噪聲為-101 dBc。圖4展示了增強型數(shù)字鎖相環(huán)壓控振蕩器輸出頻率隨電壓調(diào)節(jié)的變化，隨著電壓從0 V 至2 V 逐漸升高的過程，輸出頻率從49.07 Hz 變化為50.21 Hz。

圖3 壓控振蕩器輸出相位變化圖

圖4 壓控振蕩器輸出頻率變化圖

可以看出，所提出增強型數(shù)字鎖相環(huán)的性能良好，輸出相位和頻率隨電壓的變化不大，較為平穩(wěn)，相位噪聲較低，滿足電工核相實訓(xùn)裝置的設(shè)計。

通過MATLAB 仿真電工核相實訓(xùn)裝置的基礎(chǔ)功能，完成設(shè)計的仿真驗證工作。輸入電壓為單相220 V，頻率50 Hz，仿真設(shè)計采樣頻率200 Hz，輸入電壓仿真波形圖如圖5（a）所示。可以看到，是一個完整的正弦波輸入過程。圖5（b）展示的是經(jīng)過整流電路后的輸出電壓，可以看出并不是完全的直流輸出，這是因為整流電路對輸入的處理并不是單純的截斷，后續(xù)經(jīng)過濾波電路、直流斬波電路的處理才能輸出較為平穩(wěn)的直流電壓。經(jīng)過SVPWM 技術(shù)和鎖相環(huán)技術(shù)的處理后，單相電轉(zhuǎn)為有效值220 V 的三相電，最后通過升壓變壓器處理，獲得380 V 三相電輸出如圖5（c）所示，可以看到，輸出是較為平滑的三條正弦波，幅值、相位差均與三相電標(biāo)準(zhǔn)相差不大，證明了核相實訓(xùn)裝置設(shè)計方案的有效性。

圖5 3 種不同狀態(tài)下電壓波形圖

4 結(jié)束語

本文介紹了特種作業(yè)電工核相實訓(xùn)裝置的設(shè)計過程，首先通過整流電路將220 V 交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，然后利用SVPWM 技術(shù)，由FPGA 控制高功率快速IGBT 的通斷，將直流電變?yōu)槿嘟涣麟?，最后通過濾波電路和升壓變壓器產(chǎn)生380 V/10 kV 的三相交流電。為了保證三相交流電的相位和頻率精度，提出了增強型數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)，采用雙模技術(shù)對鎖相環(huán)進行調(diào)整。通過實驗驗證了所提增強型數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)能夠維持輸入輸出之間的相位和頻率精度，差值很小，性能穩(wěn)定，適用于單相電轉(zhuǎn)三相電的設(shè)計。