地網測量儀用數字變頻電源設計

余為清

（華東交通大學載運工具與裝備省部共建教育部重點實驗室，江西南昌330013）

地網接地電阻測量中，容易受到50 Hz工頻及其高次諧波的干擾，流經地網的不平衡電流在運行的地網中產生電磁干擾對接地電阻的測量結果影響很大。加大實驗電流可以提高測量系統的信噪比，如配合異與工頻的測量方法，可進一步改善測量條件，提高測量精度[1-2]。異頻法通過信號放大、濾波、頻譜分析及復阻抗計算等方法可以有效削弱工頻的干擾，提高地網接地電阻測量儀的抗干擾性。由于接地電阻測量現場要求設備為便攜式，在采用電池供電的情況下，采用SPWM正弦脈寬調制技術是保障變頻電源具有較高頻率精度和效率的有效手段之一[3]。

1 變頻電源的工作原理

作為一種便攜式的變頻電源，地網測量儀用變頻電源的設計要求為：變頻范圍30～130 Hz，頻率精度1 Hz，連續輸出電流不小于2 A，失真不大于3%。盡管可以利用DDFS（直接頻率合成技術）后接線性功率放大的模式獲得變頻功率信號，不過使用這種方案電能利用率低，發熱量大，并不適用于電池供電模式下的大功率激勵[4-5]。

以SPWM波形合成技術，設計地網接地電阻測量儀用變頻電源能夠提高效率，保障精度，且頻率易于控制。該電源原理如圖1所示，變頻電源采用高性能16位微控制器SPCE061A作為控制單元。SPCE061A通過軟件合成方式，發送SPWM數據及控制信號，驅動全橋功率模塊，全橋功率模塊的功率器件工作在開關模式下，由于采用微控制器技術，在波形合成精度和效率方面都有所提高。SPWM功率信號經過LC低通濾波器后，可以得到頻率可控的正弦激勵信號[6-7]，作為變頻電源的輸出。

地網接地電阻測量過程中，可以對變頻電源電壓的有效值和回路電流信號進行實時采樣，依據歐姆定律對接地參數進行測定，因此，小幅度的電壓幅度波動對測量結果影響不大。該變頻電源著重于對頻率的精確控制，鍵盤與顯示單元允許用戶對電源參數進行設置和監測。

圖1 變頻電源原理框圖Fig.1 The principle block diagram of variable frequency power supply

2 單邊SPWM控制原理與波形數據的獲取

采樣控制理論中有一個重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。自然采樣法是一種基于面積等效理念的能量轉換形式，原理簡單直觀，并具有十分確切的數理依據[8]。自然采樣法是利用基準正弦波與三角載波相比較，由兩者的交點決定功率器件開關狀態的調制方法。SPWM的調制方式按載波與調制信號的頻率成分之間的關系，可以分為：同步調制、異步調制和分段同步調制。按照載波信號和調制信號的極性可分為單極性調制和雙極性調制。

單極性調制的波形如圖2所示?？梢宰C明，在調頻比較高，且調制比m≤1（m=Ug/Uc為正弦波幅值對三角波幅值之比）的情況下，輸出電壓的有效值與調制比m之間存在著線性關系，輸出電壓的基波分量[9]

式中：k為比例系數，由電路結構決定；uo是輸出電壓；ui是輸入電壓。

采用高的調頻比，可以簡化濾波電路設計，降低諧波頻率的幅度，但過高的調頻比將導致開關次數加大，效率下降。實驗發現，設定調頻比為200（開關器件為MOSFET），能夠輸出具有較高質量的波形，同時兼顧了效率。

SPWM的數據獲取方法較多，為減少微控制器的運行時間，一般采用近似法獲得數據[9]。為了提高正弦波形的精度，利用PC機由Delphi程序生成所需的精確數據。

設定調頻比為200，調制比為0.8。利用正弦信號與三角信號，產生0～π區間的交點數據，為計算方便，設正弦信號幅度為1，周期為2 s。為減小合成信號的過零失真，設三角信號初相位π/2，由調制比知三角波幅度為1.25，周期為0.01 s。

可以得到，半周期正弦信號表達式為

圖2 單極性調制原理圖Fig.2 The principle diagram of mono-polarity modulation

三角波信號表達式為

聯立式（1）（2）可得到精確的交點數據。通過軟件算法逼近可求得相臨交點間的距離，如圖3中Z的值，即可得到高低電平依次的時間步長信息，并形成數據表格。

圖3 SPWM步長數據計算表Fig.3 SPWM step-length data calculation sheet

將該表格數據進行比例縮放，就可形成一張單周期SPWM波形數據表。將該表格數據存放在SPCE061A的FlashRom中，通過查表方式調用定時程序既可獲得SPWM波形輸出，這樣做可以有效節省SPCE061A的運算時間，提高SPWM輸出頻率和精度。

對步長信息設計比例系數kf。調節比例系數kf，可以實現SPWM頻率的精確調節，對各高電平持續時間的等比例調節，可以對輸出電壓進行一定范圍的調節。

式中:fout為輸出頻率，fz是取決于微控制器及軟件結構的頻率。

3 軟件設計及測試

SPCE061A的軟件主要完成查表程序，比例因子kf調節及逆變器極性轉換信號的產生工作。流程如圖4所示。

設置SPCE061A的主頻為49 MHz，可以提高SPWM的波形頻率[10]，實際測試可以輸出10～150 Hz以上的正弦信號。測試中該電源在輸出2 A電流下，設定45 Hz波形如圖5所示（探頭進行了1/10衰減），帶負載實際輸出頻率測量值45.05 Hz。

圖4 SPWM模塊軟件流程圖Fig.4 SPWM module software flow pattern

圖5 變頻電源波形測試Fig.5 Waveform test of variable frequency power supply

測試表明，該電源輸出波形質量好。利用中斷方式獲得鍵盤信息，可以有效避免查詢鍵盤造成SPWM波形畸變。

4 結束語

利用SPCE061A為測控核心，基于SPWM原理，設計了一種頻率精度較高的接地電阻測量儀用變頻電源，利用軟件模擬自然采樣的方法提高了波形的合成質量，通過讀取ROM表格方式降低了控制器的運算負擔，靈活地實現了便攜式測量儀表用變頻電源。

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