基於fpga的變頻串聯諧振試驗方法
2023-12-10 02:15:41 1
專利名稱：基於fpga的變頻串聯諧振試驗方法
技術領域：
本發明涉及變頻串聯諧振試驗技術，特別是涉及一種基於FPGA的變頻串聯諧振試驗方法。
背景技術：
在某些研究和工業應用領域，需要通過交流耐壓試驗對電氣設備的絕緣強度進行判斷，可以對電氣設備絕緣強度耐受長時間工頻電壓的作用和工頻電壓升高的能力進行考驗，進而決定電氣設備能否出廠或能否投入運行。所以，一般電氣設備在出廠試驗、交接試驗和絕緣預防性試驗中，都要求進行交流耐壓試驗。有些電氣設備，如輸電線、電力電纜、大型發電機、GIS組合電器等大容量被試品在進行交流耐壓試驗時，需要很大容量的電源和試驗設備，一般現場不具備這些條件。因此，一般採用串聯諧振的方法進行交流耐壓試驗。傳統的串聯諧振試驗技術，一般採用三相傳統的相控及二極體不可控整流，逆變部分採用SPWM調製模式，採用模擬電路或單片機來設計，用DSP數位訊號處理器來構成試驗控制系統，但對於多參數的複雜系統，運算能力和速度難以滿足，需手工編寫大量的程序，需要反覆的程序調試，調試工作量大，處理速度低；而且網側輸入功率因數低、交流輸入側電流諧波含量高、交流側電網電壓波形會產生畸變，使得電網產生大量諧波和無功，汙染了電網，通過整流得到的直流電壓存在較大波動，電壓不穩定，導致逆變電路產生的交流輸出電壓波形光滑度差，影響了串聯諧振試驗的效果。
發明內容
基於此，有必要針對傳統的串聯諧振試驗技術存在的程序調試工作量大和交流輸出電壓波形光滑度差的問題，提供一種基於FPGA的變頻串聯諧振試驗方法。一種基於FPGA的變頻串聯諧振試驗方法，包括如下步驟對三相電源的電壓信號和電流信號進行採集；利用VHS-ADC平臺對所述電壓信號和電流信號進行信號調理處理，獲得數字電壓信號和數字電流信號以及正弦波和餘弦波；根據所述數字電壓信號和數字電流信號及正弦波和餘弦波進行SVPWM調製，獲得SVPWM調製信號；搭建基於FPGA晶片實現SVPWM調製方式的VHS-ADC控制系統； 利用所述VHS-ADC控制系統將所述SVPWM調製信號生成SVPWM脈衝信號；根據所述SVPWM脈衝信號進行串聯諧振試驗。上述基於FPGA的變頻串聯諧振試驗方法，通過在整流、逆變這兩個環節都採用基於FPGA的SVPWM控制技術，提高了變頻串聯諧振試驗裝置交流輸入側電源的功率因數，降低輸出直流電壓的波動，使得變頻電源輸出側電壓波形的正弦化，光滑度好，提高了對電源利用率；基於FPGA的搭建VHS-ADC控制模型，使得在控制系統部分的開發過程中，開發周期、短，調試工作量小，處理速度快。
圖I為一個實施例的基於FPGA的變頻串聯諧振試驗方法流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的基於FPGA的變頻串聯諧振試驗方法的具體實施方式
作詳細描述。圖I示出了一個實施例的基於FPGA的變頻串聯諧振試驗方法流程圖，主要包括如下步驟步驟S101，對三相電源的電壓信號和電流信號進行採集；在一個實施例中，首先利用電壓傳感器和電流傳感器分別對三相電源的電壓信號和電流信號進行採集，然後將其輸至VHS-ADC平臺接口板的A\D接口；在上述步驟中，通過電壓、電流採集，可以獲得經過初步濾波和固定變比的電網電壓、電流信號，使得採集到的電壓、電流信號能夠滿足VHS-ADC平臺接口板的A\D 口輸入電壓範圍。步驟S102，利用VHS-ADC平臺對所述電壓信號和電流信號進行信號調理處理，獲得數字電壓信號和數字電流信號以及正弦波和餘弦波；在一個實施例中，信號調理處理過程主要包括如下將所述A\D接口接收的所述電壓信號和電流信號進行模數轉換，獲得數位化的電壓信號和電流信號；對所述數位化的電壓信號和電流信號執行濾波處理，獲得數字電壓信號和數字電流號;對所述數字電壓信號和數字電流信號進行數字鎖相環處理，獲得SVPWM調製所需的正弦波和餘弦波；通過上述步驟，將電壓、電流模擬信號首先轉換成VHS-ADC平臺可以識別的數位訊號，然後再進行數字濾波濾，濾掉電網電壓、電流信號中的高次諧波，避免對電源的幹擾，再通過數字鎖相環處理獲得SVPWM(空間矢量脈寬調製)調製所需的sin0信號和cos 0信號。通過上述步驟，在採集信號和信號前端處理環節，設計信號調理環節，解決了基於FPGA和VHS-ADC平臺的數位化系統中輸入電壓信號濾波和鎖相的問題。步驟S103，根據所述數字電壓信號和數字電流信號及正弦波和餘弦波進行SVPWM調製，獲得SVPWM調製信號；在一個實施例中，本步驟主要是將信號調理後的電壓信號、電流信號、sin 0信號和COS 0信號進行SVPWM調製，調製過程如下對所述數字電壓信號和數字電流信號進行解耦計算，獲得兩相同步旋轉坐標系下的電壓信號；利用所述正弦波和餘弦波，將兩相同步旋轉坐標系下的電壓信號轉換至兩相靜止坐標系下的空間電壓矢量；、
對所述空間電壓矢量進行所在扇區判斷；將所述空間電壓矢量的兩相靜止坐標系下的分量轉換到60度坐標系，並判斷相關矢量的作用時間；根據所述判斷獲得的相關矢量作用時間，確定IGBT三相對應的切換時間，並根據所述切換時間產生SVPWM調製信號；通過上述步驟，將SVPWM調製實現的變頻整流環節數位化，實現整流、逆變這兩個環節都採用基於FPGA的SVPWM技術，提高了網側功率因數，降低了直流輸出電壓的波動率，使得逆變後的波形光滑。步驟S104，搭建基於FPGA晶片實現SVPWM調製方式的VHS-ADC控制系統；在一個實施例中，本步驟主要是在VHS-ADC平臺中，建立包括板結構(Boardconfiguration)模塊、資源估計(Resource Estimator)模塊、系統生成器(SystemGenerator)模塊的控制模型,然後將所述控制模型進行編譯；編譯過程如下在板結構模塊中，選擇板卡類型為「VHS-DAC」，選擇時鐘源為「ADAC」時鐘；在資源估計模塊中選擇預設範圍，確定系統佔用資源不超過板卡的硬體資源；將控制模型的接口輸入模塊和接口輸出模塊分別轉換成編譯生成代碼的ADC模塊和DAC模塊；利用系統生成器模塊將控制模型進行編譯生成bit流文件；在編譯過程中，設置板卡類型為「VHS-DAC」，設置時鐘源為ADAC時鐘，設置編譯類型為「VHS-ADAC」，設置合成工具為「XST」，設置硬體描述語言為「VHDL」，設置FPGA時鐘周期為9ns (即約為100M的系統頻率)，設置系統周期為le_5;通過上述步驟，在高速數位訊號處理平臺上進行系統設計，基於FPGA模型實現了控制系統數位化，可以將本模型通過下載至FPGA板中實現變頻串聯諧振試驗的控制部分，便於變頻串聯諧振試驗的數位化和運行高速化。步驟S105，利用所述VHS-ADC控制系統將所述SVPWM調製信號生成SVPWM脈衝信號;具體地，首先將所述bit流文件下載到FPGA晶片中，構建VHS-ADC控制系統；然後將SVPWM調製信號輸入FPGA晶片中的VHS-ADC控制系統；VHS_ADC平臺的GPIO接口根據VHS-ADC控制系統的數據處理，輸出SVPWM脈衝信號；通過上述步驟，獲得用於驅動IGBT開關動作的SVPWM脈衝信號，實現整流、逆變環節的SVPWM調製。步驟S106，根據所述SVPWM脈衝信號進行串聯諧振試驗；在一個實施例中，試驗過程如下將所述SVPWM脈衝通過GPIO接口輸出到保護電路；其中，保護電路起了對GPIO驅動電路的保護的作用；將所述保護電路輸出的SVPWM脈衝輸至IGBT驅動電路；所述IGBT驅動電路控制三相整流和逆變電路的頻率調整三相電源的電壓；具體地，三相電源通過交流側電感接入三相整流環節，由IGBT驅動電路控制三相整流、逆變橋的工作，將交流電源變為直流電源後，再經過逆變環節獲得交流電壓；、
利用調整後的所述三相電源的電壓對試品進行諧振試驗；具體地，通過勵磁變壓器將交流電壓送入電抗器和分壓器構成的諧振迴路中，然後將所需電壓加載在試品上進行試驗。綜上所述，本發明的基於FPGA的變頻串聯諧振試驗方法具有以下有益效果(I)可以利用較小的變頻電源輸出電壓可以在試品上產生較高的試驗電壓；特別是對於以變頻電源、勵磁變壓器、試驗電抗器、電容分壓器、諧振電容器、避雷器為主要組成部分的變頻串聯諧振試驗裝置中，可以實現自動或手動調頻，尋找諧振點獲得所需的電壓。(2)變頻串聯諧振試驗的整流和逆變部分全部採用SVPWM調製模式，可以提高裝置交流輸入側電源的功率因數，降低輸出直流電壓的波動，實現變頻電源輸出側電壓波形的正弦化，提高了對電源的利用率。(3)變頻電源部分採用SVPWM脈衝信號來調製IGBT開關電路，並以此為設計整個控制系統、外部接口電路、信號採樣接口電路、驅動和保護電路等，明顯提高信號採樣和處理速度。(4)採用基於FPGA的VHS-ADC平臺，在控制模型搭建正確的基礎上，利用VHS-ADC平臺的系統生成器(System Generator)模塊將控制模型進行編譯成代碼(bit流文件)下載至FPGA中，相對於傳統的通過編程實現控制部分導致開發周期長，系統調試難的問題，本發明構建控制系統的方式，開發周期短，採樣速度快，採樣頻率可以達到100M。以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員 來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。
權利要求
1.一種基於FPGA的變頻串聯諧振試驗方法，其特徵在於，包括如下步驟 對三相電源的電壓信號和電流信號進行採集； 利用VHS-ADC平臺對所述電壓信號和電流信號進行信號調理處理，獲得數字電壓信號和數字電流信號以及正弦波和餘弦波； 根據所述數字電壓信號和數字電流信號及正弦波和餘弦波進行SVPWM調製，獲得SVPWM調製信號； 搭建基於FPGA晶片實現SVPWM調製方式的VHS-ADC控制系統； 利用所述VHS-ADC控制系統將所述SVPWM調製信號生成SVPWM脈衝信號； 根據所述SVPWM脈衝信號進行串聯諧振試驗。
2.根據權利要求I所述的基於FPGA的變頻串聯諧振試驗方法，其特徵在於，所述對三相電源的電壓信號和電流信號進行採集步驟包括 利用電壓傳感器和電流傳感器分別對三相電源的電壓信號和電流信號進行採集，並將其輸至VHS-ADC平臺接口板的A\D接口。
3.根據權利要求2所述的基於FPGA的變頻串聯諧振試驗方法，其特徵在於，所述利用VHS-ADC平臺對所述電壓信號和電流信號進行信號調理處理，獲得數字電壓信號和數字電流信號以及正弦波和餘弦波步驟包括 將所述A\D接口接收的所述電壓信號和電流信號進行模數轉換，獲得數位化的電壓信號和電流信號； 對所述數位化的電壓信號和電流信號執行濾波處理，獲得數字電壓信號和數字電流信號; 對所述數字電壓信號和數字電流信號進行數字鎖相環處理，獲得SVPWM調製所需的正弦波和餘弦波。
4.根據權利要求3所述的基於FPGA的變頻串聯諧振試驗方法，其特徵在於，所述搭建實現SVPWM調製方式的VHS-ADC控制系統步驟包括 對所述數字電壓信號和數字電流信號進行解耦計算，獲得兩相同步旋轉坐標系下的電壓信號； 利用所述正弦波和餘弦波，將兩相同步旋轉坐標系下的電壓信號轉換至兩相靜止坐標系下的空間電壓矢量； 對所述空間電壓矢量進行所在扇區判斷； 將所述空間電壓矢量的兩相靜止坐標系下的分量轉換到60度坐標系，並判斷相關矢量的作用時間； 根據所述判斷獲得的相關矢量作用時間，確定IGBT三相對應的切換時間，並根據所述切換時間產生SVPWM調製信號。
5.根據權利要求I所述的基於FPGA的變頻串聯諧振試驗方法，其特徵在於，所述搭建基於FPGA晶片實現SVPWM調製方式的VHS-ADC控制系統步驟包括 在VHS-ADC平臺中，建立包括板結構模塊、資源估計模塊、系統生成器模塊的控制模型，然後將所述控制模型進行編譯； 所述編譯步驟如下 在板結構模塊中，選擇板卡類型為「VHS-DAC」，選擇時鐘源為「ADAC」時鐘；在資源估計模塊中選擇預設範圍，確定系統佔用資源不超過板卡的硬體資源； 將控制模型的接口輸入模塊和接口輸出模塊分別轉換成編譯生成代碼的ADC模塊和DAC模塊； 利用系統生成器模塊將控制模型進行編譯生成bit流文件；其中，設置板卡類型為「VHS-DAC」，設置時鐘源為ADAC時鐘，設置編譯類型為「VHS-ADAC」，設置合成工具為「XST」，設置硬體描述語言為「VHDL」，設置FPGA時鐘周期為9ns，設置系統周期為le_5。
6.根據權利要求I所述的基於FPGA的變頻串聯諧振試驗方法，其特徵在於，所述利用所述VHS-ADC控制系統將所述SVPWM調製信號生成SVPWM脈衝信號步驟包括 將所述bit流文件下載到FPGA晶片中； 將所述SVPWM調製信號輸入FPGA晶片中的VHS-ADC控制系統； 根據所述VHS-ADC控制系統輸出SVPWM脈衝信號。
7.根據權利要求I所述的基於FPGA的變頻串聯諧振試驗方法，其特徵在於，所述根據所述SVPWM脈衝信號進行串聯諧振試驗步驟包括 將所述SVPWM脈衝通過GPIO接口輸出到保護電路； 將所述保護電路輸出的SVPWM脈衝輸至IGBT驅動電路； 所述IGBT驅動電路控制三相整流和逆變電路的頻率調整三相電源的電壓； 利用調整後的所述三相電源的電壓對試品進行諧振試驗。
全文摘要
本發明提供一種基於FPGA的變頻串聯諧振試驗方法，包括步驟對三相電源的電壓信號和電流信號進行採集；利用VHS-ADC平臺對電壓信號和電流信號進行信號調理處理；根據調理處理獲得數字電壓信號和數字電流信號及正弦波和餘弦波進行SVPWM調製，獲得SVPWM調製信號；搭建基於FPGA晶片實現SVPWM調製方式的VHS-ADC控制系統；利用VHS-ADC控制系統將SVPWM調製信號生成SVPWM脈衝信號；根據所述SVPWM脈衝信號進行串聯諧振試驗。本發明的技術，提高了變頻串聯諧振試驗裝置交流輸入側電源的功率因數，降低輸出直流電壓的波動，使得變頻電源輸出側電壓波形的正弦化，光滑度好，提高了對電源利用率；基於FPGA的搭建VHS-ADC控制模型，使得在控制系統部分的開發過程中，開發周期短，調試工作量小，處理速度快。
文檔編號G01R31/12GK102749566SQ20121026263
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月26日 優先權日2012年7月26日
發明者付志紅, 劉敏, 曾力, 朱毅剛, 李國良, 李春燕, 林志明, 王萬寶, 王雲龍, 王俊星, 肖雲, 董玉璽, 解德英, 謝兵平, 陳奮, 黃穗雯 申請人:廣東電網公司惠州供電局, 重慶大學