特种作业装置增强型数字锁相环设计

侯 峰，冯 洋，尹 松，余金花，邓 嵩

（国网宁夏电力有限公司培训中心公司，银川 750011）

国网“一体四翼”布局持续深化，强调以“电网业务”为主体，聚焦安全生产[1-2]。为夯实安全管控基础，电工作业人员“严格培训，持证考核”是核心举措。根据《中华人民共和国安全生产法》和国务院《安全生产许可证条例》：特种作业人员必须参加安全技能培训和考核取证，“持证上岗”具有法律强制性。

按照国家应急管理部门《特种作业（电工）安全技术培训大纲和考核标准》要求[3]，电力设备（线路）相序核对检查是实操培训和取证考核的“规定动作”，如果作业人员未能理解相序核对方法，没有熟练掌握核相技能，盲目接火或者送电，会造成严重的设备损坏和系统紊乱故障。

但是，截至目前，国内外专门针对电工核相实训的装置仍是空白[4]，虽然有应用单相220 V 转三相380 V升压器案例，但此类升压器极易出现电源电压噪声大、电源相位不匹配、电源频率不匹配等问题。因此，本文提出了一种增强型锁相环技术，采用封闭式方程式（双模技术），考虑了锁相环的性能和估计器的驱动设计。通过使用锁相环控制的可变采样频率，使得卡尔曼滤波器始终围绕其中心频率运行。确保电工核相实训装置输出三相交流电的相位和频率精度，提高装置的性能。

1 单相220 V 转三相380 V 转换器相关原理

相比较于单相电压，三相电在某些场合的应用更具优势。三相连接的负载，尤其是电机负载，具有恒定扭矩、恒定功率、尺寸减小的优点[5]。通常，一个单相转三相的转换器由三个单元组成，分别是A，B，C。每一个单元由一个正转换器（PC）和一个负转换器（NC）反并行连接到相序A，转换器的输出频率与输入频率之间的关系可由下式计算：

fo=fi×N，

式中，N 可以是任何整数值用以获得高输出频率。A，B，C 单元分别产生VA、VB和VC三个电压。为了获得一个预定义的相序及相位差，每个单元会在特定的时间触发顺序。

所有三个装置都需要的基本触发脉冲产生高频输出。脉冲XP是50 Hz，XN的平方信号是XP的反向形式。三个脉冲XPA、XPB和XPC的输出频率为100 Hz，相差120 度。这三个脉冲的反转产生XNA、XNB和XNC，应用于不同开关的脉冲通过逻辑“与”运算获得。

2 电工核相实训装置的设计

2.1 基于FPGA 的SVPWM 控制技术

单相转三相这种转换器已经在高速感应电动机中得到了发展和应用，并使用MATLAB 进行了仿真[6-7]，但是输出存在谐波，电流波形失真较大，因此，一种SVPWM 技术被研制用来改善转换器的输出。尽管与其他载波的脉宽调制相比，SVPWM 的调制策略更加复杂，但是由于其通过最小化开关频率来降低功率损耗，因此仍然是调制首选的方法。调制技术或许可以被进一步完善，使其能够对应输入电压的平均值和期望输出电压的变化。单相转三相转换器的完整电路模型由12 个功率开关决定转换器的输出电压，开关由变量yA，zA，yB，zB，yC和zC控制，见表1、表2。当一个转换器的开关装置将接通，转换器的另一个开关会关闭。因此，只有一个转换器开关的开关状态被用来决定输出电压。转化器有六个支部，因此切换状态共有64 种。但由于限制条件少，不可能实现所有的切换状态。例如，所有开关不能同时产生正输出。在任何时刻，最大两个开关将产生正输出，一个开关将产生负输出，反之亦然，这取决于开关的导通情况。为了实现SVPWM，将SVPWM 控制算法融合到FPGA 进行输出调试[8]。FPGA是一款能够执行循环频率高达数百千赫控制算法的硬件产品。实际上，在数字信号处理器或微处理器设计中，可以通过在示波器上观察各种波形，对触发电路进行定性测试[9]。

表1 正半输入周期开关状态

表2 负半输入周期开关状态

2.2 基于IGBT 的相序切换电路设计

IGBT 即绝缘栅双极型晶体管，是由绝缘栅场效应管和双极型晶体管构成的复合半导体器件。IGBT 驱动器的作用是经过隔离升压等方法将上位机发出的控制信号转化为可直接作用于IGBT 门极的正反偏驱动电压，从而实现对IGBT 开通和关断的控制[10]。使用IGBT设计相序切换电路，可以实现相序快速切换。驱动构成主要有信号隔离单元、隔离电源、驱动单元、控制处理单元、检测保护单元及IGBT 单元。相序切换电路的设计原理在驱动构成的基础上添加了相序切换单元，如图1所示。通过将三组IGBT 驱动与不同相序的电压连接，利用IGBT 的开通和关断功能，实现对相序的平滑、快速切换。这一方式避免了相序切换过程中可能出现的安全隐患问题，如短路等操作引起的安全问题，因为可以通过上位接口程序控制IGBT 的切换，在人工操作出现问题时可以及时纠正问题。

图1 IGBT 驱动相序切换电路结构图

2.3 提出的增强型数字锁相环设计

锁相环技术能够保证输入输出信号频率相等，延时的匹配良好，这对于电工核相实训装置中将单相电转为三相电时保证三相交流电的相位和频率精度具有十分重要的意义。传统锁相环电路部分由鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器和压控振荡器构成。为了改善锁相环的抖动性能，提出了一种基于双模技术的锁相环，其原理如图2所示。所提出的双模技术锁相环可在两种模式下运行：静态类CMOS 模式和动态类CMOS 模式。在静态模式下，双模技术门具有非常低的功耗；在动态模式下，虽然功耗增加，但性能适中，可获得更高的性能。此独特功能提供了动态控制系统性能的选项，从而支持需要灵活工作负载的应用。基本双模门体系结构由标准CMOS 门和附加晶体管组成，其门连接到全局时钟信号。初看这种结构与耐噪声预充电（NTP）结构非常相似，然而，与NTP 相反。NTP 是作为一种高速、高噪声耐受性而开发的动态逻辑，而双模技术旨在允许在两种功能模式下运行：静态模式和动态模式。要在动态模式下操作闸门，由CLK 分配不对称时钟，允许两个不同的阶段：预充电和评估。除了在不同运行模式之间切换的独特能力外，在动态模式下运行的双模节点还具有许多显著的相对于传统动态节点的优势。双模固有的特点是由CMOS 互补电路构成的有源保持器思维方式主动保持器源于节点的结构，其中CMOS 部分仍然功能齐全，并有助于保持输出电平。

图2 双模增强锁相环原理图

增强型锁相环使用并联晶体管执行评估，评估速度更快。堆叠晶体管的尺寸将调整到最小宽度，以减少固有电容，在降低静态运行性能的基础上提高动态运行性能。这种尺寸调整策略还可以减少能量耗散，如与传统的静态CMOS 门相比。预充电晶体管的尺寸也最小，以减少静态操作和评估期间的泄漏电流。

3 电工核相实训装置增强型数字锁相环测试分析

实验从相位和频率精度对增强型数字锁相环技术进行了测试。图3展示了增强型数字锁相环压控振荡器输出相位噪声随电压调节的变化，随着电压0 V 至2 V 逐渐升高的过程，输出相位相对噪声先上升后下降，最差的相位噪声为-101 dBc。图4展示了增强型数字锁相环压控振荡器输出频率随电压调节的变化，随着电压从0 V 至2 V 逐渐升高的过程，输出频率从49.07 Hz 变化为50.21 Hz。

图3 压控振荡器输出相位变化图

图4 压控振荡器输出频率变化图

可以看出，所提出增强型数字锁相环的性能良好，输出相位和频率随电压的变化不大，较为平稳，相位噪声较低，满足电工核相实训装置的设计。

通过MATLAB 仿真电工核相实训装置的基础功能，完成设计的仿真验证工作。输入电压为单相220 V，频率50 Hz，仿真设计采样频率200 Hz，输入电压仿真波形图如图5（a）所示。可以看到，是一个完整的正弦波输入过程。图5（b）展示的是经过整流电路后的输出电压，可以看出并不是完全的直流输出，这是因为整流电路对输入的处理并不是单纯的截断，后续经过滤波电路、直流斩波电路的处理才能输出较为平稳的直流电压。经过SVPWM 技术和锁相环技术的处理后，单相电转为有效值220 V 的三相电，最后通过升压变压器处理，获得380 V 三相电输出如图5（c）所示，可以看到，输出是较为平滑的三条正弦波，幅值、相位差均与三相电标准相差不大，证明了核相实训装置设计方案的有效性。

图5 3 种不同状态下电压波形图

4 结束语

本文介绍了特种作业电工核相实训装置的设计过程，首先通过整流电路将220 V 交流电转变为直流电，然后利用SVPWM 技术，由FPGA 控制高功率快速IGBT 的通断，将直流电变为三相交流电，最后通过滤波电路和升压变压器产生380 V/10 kV 的三相交流电。为了保证三相交流电的相位和频率精度，提出了增强型数字锁相环技术，采用双模技术对锁相环进行调整。通过实验验证了所提增强型数字锁相环技术能够维持输入输出之间的相位和频率精度，差值很小，性能稳定，适用于单相电转三相电的设计。