一種高精度變壓器恆流掃頻電源的控制方法及裝置與流程
2024-03-07 05:55:15 1
本發明涉及電力電子和磁性元件測試技術領域，尤其是一種高精度變壓器恆流掃頻電源的控制方法及裝置。
背景技術：
變壓器是電網輸配電環節中的重要設備,採用機械振動頻響法診斷變壓器繞組故障時需要有穩定的變頻恆流源，變頻恆流源的設計思路是通過PWM調製的方式控制逆變後的輸出頻率和輸出電壓，並採用負反饋方式使負載電流跟蹤給定電流,實現恆流掃頻。恆流掃頻電源主要用於變壓器等磁性元件的測試，因此要求變頻電源：(1)功率大；(2)頻率範圍寬(幾十到幾百赫茲)；(3)頻率精度高。
傳統大功率變頻器通常採用IGBT作為開關器件，開關頻率較低，無法在寬頻率範圍內保證輸出波形質量，因此一般變頻範圍較窄。對於寬頻範圍變頻器，通常採用跳頻的方式，但需要建立很大的正弦表，而且頻率精度不高，無法實現頻率的連續變化。此外，傳統的恆流逆變電源通常採用電流單閉環控制，系統穩定性較差，動態響應慢，容易發生振蕩。
技術實現要素：
本發明的首要目的在於提供一種能夠在較寬頻率範圍內輸出指令大小的電流，頻率精度高的高精度變壓器恆流掃頻電源的控制方法。
為實現上述目的，本發明採用了以下技術方案：一種高精度變壓器恆流掃頻電源的控制方法，該方法包括下列順序的步驟：
(1)根據當前頻率指令實時調整載波周期，得到指令電流的參考頻率；
(2)將對指令電流的控制轉換為對輸出電壓的控制，通過閉環控制產生調製波；
(3)將得到的調製波送入到FPGA/CPLD脈衝調製電路中與三角載波實時比較，從而產生開關管驅動脈衝；
(4)判斷當前電流是否達到指令值，從而產生新的頻率指令。
在步驟(1)中，所述參考頻率的產生方法包括以下步驟：
(1a)在DSP控制電路中加載正弦表，該正弦表為固定載波比N，即N＝fr/fs，其中fs為當前頻率指令，fr為載波頻率；
(1b)通過當前頻率指令fs以及固定載波比N可以實時計算出載波頻率fr；
(1c)計算出三角載波中斷周期值Tpr，即Tpr＝150M/fr/2,從而得到了指令電流的參考頻率fref＝1/(N×Tpr×2×1/150M)＝fr/N＝fs，即通過對周期中斷賦值使參考頻率等於指令頻率。
在步驟(2)中，所述閉環控制產生調製波包括以下步驟：
(2a)測量輸出電流以及變頻電源的輸出電壓，並進行有效值計算；
(2b)以當前電流指令值為參考值，對輸出電流有效值做比例積分控制，比例積分輸出作為輸出電壓有效值給定；
(2c)以上一步的輸出電壓有效值給定為參考值，對輸出電壓有效值做比例積分控制，比例積分輸出作為輸出電壓峰值給定；
(2d)將上一步的輸出電壓峰值給定乘以正弦表，作為輸出電壓瞬時值給定，對輸出電壓瞬時值反饋作閉環控制，閉環控制輸出為調製波。
在步驟(3)中，所述開關管驅動脈衝的產生方法包括以下步驟：
(3a)通過數據總線將調製波信號送入到FPGA/CPLD脈衝調製電路中；
(3b)在FPGA/CPLD脈衝調製電路中設定一個固定頻率的三角載波；
(3c)將調製波與所述三角載波進行實時比較，產生開關管的驅動脈衝。
在步驟(4)中，新的頻率指令的產生方法包括以下步驟：
(4a)計算一個基波周期內電流的有效值；
(4b)連續判斷1秒鐘內電流有效值是否達到當前電流有效值指令，如果達到則頻率指令增加，如果沒達到則繼續進行閉環調節。
本發明的另一目的在於提供一種高精度變壓器恆流掃頻電源的控制方法的控制裝置，該裝置包括：
信號採集電路，將採集到的輸出電壓和電流，轉換為低壓信號送到DSP控制器電路或外部的模數轉換通道中；
DSP控制器電路，根據採樣得到的電壓、電流，對輸出電流的有效值和頻率進行閉環控制，並將控制信號發送到FPGA/CPLD脈衝調製電路中；
FPGA/CPLD脈衝調製電路，產生PWM驅動信號，並將該信號發送至驅動放大電路；
驅動放大電路，對產生的PWM信號進行功率放大，用來驅動開關管；
所述信號採集電路的信號輸入端採集電壓電流，所述信號採集電路的信號輸出端與DSP控制電路的信號輸入端相連，DSP控制電路的信號輸出端通過數據總線與FPGA/CPLD脈衝調製電路的信號輸入端相連，FPGA/CPLD脈衝調製電路的信號輸出端與驅動放大電路的信號輸入端相連，驅動放大電路的信號輸出端接開關管，通過控制開關管的導通關斷從而產生變頻電壓。
由上述技術方案可知，本發明與現有技術相比，本發明中變頻器輸出頻率能夠連續可調，而且頻率精度非常高；對輸出電流的控制轉換為對輸出電壓的控制，提高了整個控制系統的穩定性；在FPGA/CPLD脈衝調製電路中採用異步調製，實現驅動脈衝開關頻率固定；通過對輸出電流有效值進行連續判斷，確保輸出電流已經達到指令值。本裝置只須採用低成本的信號採集器件和控制晶片即可實現。
附圖說明
圖1為本發明的方法流程圖；
圖2為本發明的裝置電路框圖；
圖3為本發明變頻控制示意圖；
圖4為本發明閉環控制原理圖；
圖5為本發明的輸出頻率從100Hz到200Hz的變化示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，一種高精度變壓器恆流掃頻電源的控制方法，該方法包括下列順序的步驟：(1)根據當前頻率指令實時調整載波周期，得到指令電流的參考頻率；(2)將對指令電流的控制轉換為對輸出電壓的控制，通過閉環控制產生調製波；(3)將得到的調製波送入到FPGA/CPLD脈衝調製電路中與三角載波實時比較，從而產生開關管驅動脈衝；(4)判斷當前電流是否達到指令值，從而產生新的頻率指令。
在步驟(1)中，所述參考頻率的產生方法包括以下步驟：
(1a)在DSP控制電路中加載正弦表，該正弦表為固定載波比N，即N＝fr/fs，其中fs為當前頻率指令，fr為載波頻率；
(1b)通過當前頻率指令fs以及固定載波比N可以實時計算出載波頻率fr；
(1c)計算出三角載波中斷周期值Tpr，即Tpr＝150M/fr/2,從而得到了指令電流的參考頻率fref＝1/(N×Tpr×2×1/150M)＝fr/N＝fs，即通過對周期中斷賦值使參考頻率等於指令頻率。
在DSP控制電路中採用固定載波比N，通過改變載波周期實現輸出頻率的連續變化和高解析度。
在步驟(2)中，所述閉環控制產生調製波包括以下步驟：(2a)測量輸出電流以及變頻電源的輸出電壓，並進行有效值計算；(2b)以當前電流指令值為參考值，對輸出電流有效值做比例積分控制，比例積分輸出作為輸出電壓有效值給定；(2c)以上一步的輸出電壓有效值給定為參考值，對輸出電壓有效值做比例積分控制，比例積分輸出作為輸出電壓峰值給定；(2d)將上一步的輸出電壓峰值給定乘以正弦表，作為輸出電壓瞬時值給定，對輸出電壓瞬時值反饋作閉環控制，閉環控制輸出為調製波。將對輸出電流的控制轉換為對輸出電壓的控制，提高了整個系統的穩定性。
在步驟(3)中，所述開關管驅動脈衝的產生方法包括以下步驟：(3a)通過數據總線將調製波信號送入到FPGA/CPLD脈衝調製電路中；(3b)在FPGA/CPLD脈衝調製電路中設定一個固定頻率的三角載波；(3c)將調製波與所述三角載波進行實時比較，產生開關管的驅動脈衝。在FPGA/CPLD脈衝調製電路中採用異步調製，實現驅動脈衝開關頻率固定。
在步驟(4)中，新的頻率指令的產生方法包括以下步驟：(4a)計算一個基波周期內電流的有效值；(4b)連續判斷1秒鐘內電流有效值是否達到當前電流有效值指令，如果達到則頻率指令增加，如果沒達到則繼續進行閉環調節。
如圖2所示，本控制裝置包括：
信號採集電路，將採集到的輸出電壓和電流，轉換為低壓信號送到DSP控制器電路或外部的模數轉換通道中；
DSP控制器電路，根據採樣得到的電壓、電流，對輸出電流的有效值和頻率進行閉環控制，並將控制信號發送到FPGA/CPLD脈衝調製電路中；
FPGA/CPLD脈衝調製電路，產生PWM驅動信號，並將該信號發送至驅動放大電路；
驅動放大電路，對產生的PWM信號進行功率放大，用來驅動開關管；
所述信號採集電路的信號輸入端採集電壓電流，所述信號採集電路的信號輸出端與DSP控制電路的信號輸入端相連，DSP控制電路的信號輸出端通過數據總線與FPGA/CPLD脈衝調製電路的信號輸入端相連，FPGA/CPLD脈衝調製電路的信號輸出端與驅動放大電路的信號輸入端相連，驅動放大電路的信號輸出端接開關管，通過控制開關管的導通關斷從而產生變頻電壓。
實施例一
現以變壓器測試用恆流掃頻為例，變頻器輸出0～15A、45～400Hz的變頻電流，具體控制方法如下：
(1)假設當前輸出電流指令頻率為80Hz，所述的指令電流參考頻率產生方法為：
1a.在DSP控制電路中加載200個點的正弦表，即固定載波比為N＝200；
1b.當指令頻率為80Hz時，載波頻率為16kHz；
1c.採用連續增減模式，從而得到載波中斷周期值Tpr＝150M/16k/2＝4688，從而得到了指令電流的參考頻率fref＝80Hz。
(2)假設當前輸出電流指令大小為10A，所述的閉環控制方法為：
2a.測量輸出電流以及變頻電源的輸出電壓，並進行有效值計算；
2b.以當前電流指令值為參考值，對輸出電流有效值做比例積分控制，比例積分輸出作為輸出電壓有效值給定；
2c.以有效值電流環比例積分輸出為參考值，對輸出電壓有效值做比例積分控制，比例積分輸出作為輸出電壓峰值給定；
2d.將有效值電壓環比例積分輸出乘以200個點的正弦表，作為輸出電壓的瞬時值給定，對輸出電壓瞬時值反饋作閉環控制，閉環控制輸出為調製波。
(3)將得到的調製波送入到FPGA/CPLD脈衝調製電路中與三角載波實時比較從而產生開關管驅動脈衝，所述的驅動脈衝產生方法為：
3a.通過數據總線將調製波信號送入到FPGA/CPLD脈衝調製電路中；
3b.在FPGA/CPLD脈衝調製電路中設定一個頻率10kHz的三角載波；
3c.將調製波與三角載波進行實時比較，產生開關管的驅動脈衝。
(4)判斷當前電流是否達到10A，從而產生新的頻率指令，所述的新頻率指令方法為：
4a.計算一個基波周期內電流的有效值；
4b.連續判斷1秒鐘電流有效值是否達到10A，如果達到則頻率指令增加，如果沒達到則繼續進行閉環調節。
上述控制方法中，步驟(1)、(2)、(4)在DSP控制電路中實現，步驟(3)在FPGA/CPLD脈衝調製電路中實現，由於是通過改變載波頻率來改變指令頻率，所以頻率精度很高。
圖3為本發明變頻控制示意圖，其中三角載波和正弦調製波為固定載波比，即N＝fr/fs為恆定值，通過改變三角載波的載波周期即可以得到指令電流的參考頻率；
圖4為本發明閉環控制原理圖，該閉環控制為三閉環控制，即電流有效值外環、電壓有效值內環和電壓瞬時值內環；
圖5為本發明的輸出頻率從100Hz到200Hz變化時輸出電壓實驗波形圖，實驗負載為純阻性負載，當前電流有效值指令不變，因此輸出電壓有效值不變而頻率發生變化。
綜上所述，本發明中變頻器輸出頻率能夠連續可調，而且頻率精度非常高；對輸出電流的控制轉換為對輸出電壓的控制，提高了整個控制系統的穩定性；在FPGA/CPLD脈衝調製電路中採用異步調製，實現驅動脈衝開關頻率固定；通過對輸出電流有效值進行連續判斷，確保輸出電流已經達到指令值。本裝置只須採用低成本的信號採集器件和控制晶片即可實現。