特種作業裝置增強型數字鎖相環設計

侯 峰，馮 洋，尹 松，余金花，鄧 嵩

（國網寧夏電力有限公司培訓中心公司，銀川 750011）

國網“一體四翼”布局持續深化，強調以“電網業務”為主體，聚焦安全生產[1-2]。為夯實安全管控基礎，電工作業人員“嚴格培訓，持證考核”是核心舉措。根據《中華人民共和國安全生產法》和國務院《安全生產許可證條例》：特種作業人員必須參加安全技能培訓和考核取證，“持證上崗”具有法律強制性。

按照國家應急管理部門《特種作業（電工）安全技術培訓大綱和考核標準》要求[3]，電力設備（線路）相序核對檢查是實操培訓和取證考核的“規定動作”，如果作業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，會造成嚴重的設備損壞和系統紊亂故障。

但是，截至目前，國內外專門針對電工核相實訓的裝置仍是空白[4]，雖然有應用單相220 V 轉三相380 V升壓器案例，但此類升壓器極易出現電源電壓噪聲大、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技術，采用封閉式方程式（雙模技術），考慮了鎖相環的性能和估計器的驅動設計。通過使用鎖相環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 轉三相380 V 轉換器相關原理

相比較于單相電壓，三相電在某些場合的應用更具優勢。三相連接的負載，尤其是電機負載，具有恒定扭矩、恒定功率、尺寸減小的優點[5]。通常，一個單相轉三相的轉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換器（PC）和一個負轉換器（NC）反并行連接到相序A，轉換器的輸出頻率與輸入頻率之間的關系可由下式計算：

fo=fi×N，

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

所有三個裝置都需要的基本觸發脈沖產生高頻輸出。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。這三個脈沖的反轉產生XNA、XNB和XNC，應用于不同開關的脈沖通過邏輯“與”運算獲得。

2 電工核相實訓裝置的設計

2.1 基于FPGA 的SVPWM 控制技術

單相轉三相這種轉換器已經在高速感應電動機中得到了發展和應用，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 技術被研制用來改善轉換器的輸出。盡管與其他載波的脈寬調制相比，SVPWM 的調制策略更加復雜，但是由于其通過最小化開關頻率來降低功率損耗，因此仍然是調制首選的方法。調制技術或許可以被進一步完善，使其能夠對應輸入電壓的平均值和期望輸出電壓的變化。單相轉三相轉換器的完整電路模型由12 個功率開關決定轉換器的輸出電壓，開關由變量yA，zA，yB，zB，yC和zC控制，見表1、表2。當一個轉換器的開關裝置將接通，轉換器的另一個開關會關閉。因此，只有一個轉換器開關的開關狀態被用來決定輸出電壓。轉化器有六個支部，因此切換狀態共有64 種。但由于限制條件少，不可能實現所有的切換狀態。例如，所有開關不能同時產生正輸出。在任何時刻，最大兩個開關將產生正輸出，一個開關將產生負輸出，反之亦然，這取決于開關的導通情況。為了實現SVPWM，將SVPWM 控制算法融合到FPGA 進行輸出調試[8]。FPGA是一款能夠執行循環頻率高達數百千赫控制算法的硬件產品。實際上，在數字信號處理器或微處理器設計中，可以通過在示波器上觀察各種波形，對觸發電路進行定性測試[9]。

表1 正半輸入周期開關狀態

表2 負半輸入周期開關狀態

2.2 基于IGBT 的相序切換電路設計

IGBT 即絕緣柵雙極型晶體管，是由絕緣柵場效應管和雙極型晶體管構成的復合半導體器件。IGBT 驅動器的作用是經過隔離升壓等方法將上位機發出的控制信號轉化為可直接作用于IGBT 門極的正反偏驅動電壓，從而實現對IGBT 開通和關斷的控制[10]。使用IGBT設計相序切換電路，可以實現相序快速切換。驅動構成主要有信號隔離單元、隔離電源、驅動單元、控制處理單元、檢測保護單元及IGBT 單元。相序切換電路的設計原理在驅動構成的基礎上添加了相序切換單元，如圖1所示。通過將三組IGBT 驅動與不同相序的電壓連接，利用IGBT 的開通和關斷功能，實現對相序的平滑、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，在人工操作出現問題時可以及時糾正問題。

圖1 IGBT 驅動相序切換電路結構圖

2.3 提出的增強型數字鎖相環設計

鎖相環技術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裝置中將單相電轉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。傳統鎖相環電路部分由鑒頻鑒相器、電荷泵、環路濾波器和壓控振蕩器構成。為了改善鎖相環的抖動性能，提出了一種基于雙模技術的鎖相環，其原理如圖2所示。所提出的雙模技術鎖相環可在兩種模式下運行：靜態類CMOS 模式和動態類CMOS 模式。在靜態模式下，雙模技術門具有非常低的功耗；在動態模式下，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控制系統性能的選項，從而支持需要靈活工作負載的應用。基本雙模門體系結構由標準CMOS 門和附加晶體管組成，其門連接到全局時鐘信號。初看這種結構與耐噪聲預充電（NTP）結構非常相似，然而，與NTP 相反。NTP 是作為一種高速、高噪聲耐受性而開發的動態邏輯，而雙模技術旨在允許在兩種功能模式下運行：靜態模式和動態模式。要在動態模式下操作閘門，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，在動態模式下運行的雙模節點還具有許多顯著的相對于傳統動態節點的優勢。雙模固有的特點是由CMOS 互補電路構成的有源保持器思維方式主動保持器源于節點的結構，其中CMOS 部分仍然功能齊全，并有助于保持輸出電平。

圖2 雙模增強鎖相環原理圖

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

3 電工核相實訓裝置增強型數字鎖相環測試分析

實驗從相位和頻率精度對增強型數字鎖相環技術進行了測試。圖3展示了增強型數字鎖相環壓控振蕩器輸出相位噪聲隨電壓調節的變化，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展示了增強型數字鎖相環壓控振蕩器輸出頻率隨電壓調節的變化，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，所提出增強型數字鎖相環的性能良好，輸出相位和頻率隨電壓的變化不大，較為平穩，相位噪聲較低，滿足電工核相實訓裝置的設計。

通過MATLAB 仿真電工核相實訓裝置的基礎功能，完成設計的仿真驗證工作。輸入電壓為單相220 V，頻率50 Hz，仿真設計采樣頻率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，后續經過濾波電路、直流斬波電路的處理才能輸出較為平穩的直流電壓。經過SVPWM 技術和鎖相環技術的處理后，單相電轉為有效值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準相差不大，證明了核相實訓裝置設計方案的有效性。

圖5 3 種不同狀態下電壓波形圖

4 結束語

本文介紹了特種作業電工核相實訓裝置的設計過程，首先通過整流電路將220 V 交流電轉變為直流電，然后利用SVPWM 技術，由FPGA 控制高功率快速IGBT 的通斷，將直流電變為三相交流電，最后通過濾波電路和升壓變壓器產生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，提出了增強型數字鎖相環技術，采用雙模技術對鎖相環進行調整。通過實驗驗證了所提增強型數字鎖相環技術能夠維持輸入輸出之間的相位和頻率精度，差值很小，性能穩定，適用于單相電轉三相電的設計。