高壓儲(chǔ)能電容測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)

董雪峰，桑亞輝，李小亮，張具琴，吳顯鼎

（黃河科技學(xué)院，河南 鄭州 450063）

0 引 言

高壓儲(chǔ)能電容屬于我國(guó)工業(yè)與信息化部“十二五”規(guī)劃重點(diǎn)發(fā)展的新型元器件，產(chǎn)品技術(shù)含量高，具有先進(jìn)性和高可靠性的特點(diǎn)。高壓儲(chǔ)能電容器是高壓儲(chǔ)能系統(tǒng)中的重要器件，在電力工業(yè)、國(guó)防工業(yè)及其他高新技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。隨著高壓儲(chǔ)能電容生產(chǎn)工藝和技術(shù)的逐漸成熟，國(guó)內(nèi)外很多超級(jí)電容生產(chǎn)企業(yè)正積極進(jìn)行融資擴(kuò)產(chǎn)，產(chǎn)能逐漸增加；因此，對(duì)高壓儲(chǔ)能電容的質(zhì)量檢測(cè)和性能測(cè)試已成為制約該新型產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。本設(shè)計(jì)平臺(tái)正是為解決高壓儲(chǔ)能電容器生產(chǎn)企業(yè)對(duì)其產(chǎn)品測(cè)試的性能需求而提出的。

1 測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)思路與系統(tǒng)構(gòu)建

測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由充電電源、測(cè)試平臺(tái)線路和系統(tǒng)控制器組成，完成對(duì)測(cè)試電容的充、放電控制，充電電壓、充電電流、放電電流的設(shè)定和檢測(cè)，質(zhì)量試驗(yàn)周期的設(shè)定和試驗(yàn)循環(huán)的控制以及故障的檢測(cè)和判斷。

電容器的充電主要有恒壓充電和恒流充電兩種方式。由于恒壓充電使得測(cè)試電容提前進(jìn)入耐壓狀態(tài)，從而人為地減少了測(cè)試電容的壽命。而恒流充電過(guò)程中，測(cè)試電容的端電壓線性增加，克服了恒壓充電的缺點(diǎn)；因此，本系統(tǒng)中的充電電源采用恒流的充電方案實(shí)現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示[1]，主要由橋式整流、逆變開(kāi)關(guān)、諧振電路LC、升壓變壓器TX和高壓整流橋等組成。采用這一方案的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)用系統(tǒng)控制器對(duì)充電電源的完全控制。這種控制表現(xiàn)在兩方面，一方面可實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電源充電電壓和充電電流的控制，另一方面可實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電源工作狀態(tài)的控制。高壓儲(chǔ)能電容測(cè)試平臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到放電電流達(dá)不到設(shè)定值或出現(xiàn)其他故障時(shí)，控制器將發(fā)出指令，控制充電電源中止工作，切斷充電電源的供電；同時(shí)對(duì)測(cè)試電容進(jìn)行放電，然后測(cè)試人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處置，從而確保測(cè)試人員的安全[2-3]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 恒流充電電源結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制器模塊由FPGA和外部控制電路組成，主要完成對(duì)充電電壓、放電電流信號(hào)的采樣，控制邏輯的算法處理和外部控制，對(duì)恒流充電電源的控制以及對(duì)測(cè)試平臺(tái)參數(shù)設(shè)置的控制和顯示等功能。系統(tǒng)控制器模塊的頂層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示[4-5]。

測(cè)試平臺(tái)運(yùn)行時(shí)，由操作人員在控制臺(tái)設(shè)置充電電源的充電電壓和充電電流，通過(guò)切換功能鍵CNT/TIME和鍵盤(pán)來(lái)設(shè)置質(zhì)量試驗(yàn)和耐壓試驗(yàn)的基本參數(shù)，如重復(fù)周期、放電電流等。參數(shù)設(shè)置完畢后，操作人員發(fā)出質(zhì)量試驗(yàn)Q或耐壓試驗(yàn)V命令，然后控制器控制充電電源開(kāi)始工作，完成測(cè)試電容的質(zhì)量測(cè)試和耐壓測(cè)試試驗(yàn)。

圖3 系統(tǒng)控制器模塊頂層設(shè)計(jì)圖

測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)充分利用了FPGA的強(qiáng)大功能，將鍵盤(pán)接口電路、LED數(shù)碼顯示接口電路、鎖相環(huán)電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換控制器電路等都構(gòu)建在其內(nèi)部，使整個(gè)系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，連線明了。由于采用FPGA作為控制器，因此可以很容易通過(guò)修改FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試平臺(tái)的功能擴(kuò)展和更新，從而使得該測(cè)試平臺(tái)具有對(duì)系列產(chǎn)品測(cè)試的通用性。圖4為該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的總體流程。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體流程

質(zhì)量測(cè)試模塊的仿真波形如圖5所示。質(zhì)量試驗(yàn)啟動(dòng)信號(hào)Q發(fā)出后，K0置高，真空開(kāi)關(guān)K0閉合，然后充電電源啟動(dòng)信號(hào)START控制電源啟動(dòng)，開(kāi)始對(duì)測(cè)試電容充電，充電過(guò)程中，由電壓采樣信號(hào)D（A/D轉(zhuǎn)換）判斷電容是否充電到8000V。當(dāng)充電到8 000 V后，K0置低電平，真空開(kāi)關(guān)K0斷開(kāi)，延時(shí)開(kāi)關(guān)“延時(shí)分?jǐn)鄷r(shí)間”后，控制器控制K1置高，真空開(kāi)關(guān)K1閉合，測(cè)試電容開(kāi)始放電，同時(shí)啟動(dòng)峰值檢波電路采樣放電電流的最大峰值。如果放電電流峰值達(dá)到8 000 V，則峰值檢測(cè)信號(hào)PEAK置高，然后控制器控制發(fā)出峰值檢波電路的放電信號(hào)F，直到充、放電周期信號(hào)C1信號(hào)到來(lái)，則控制器控制K1斷開(kāi)，然后進(jìn)行下一周期的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

圖5 質(zhì)量測(cè)試模塊的仿真波形

圖6 放電電流波形

3 放電主回路設(shè)計(jì)

放電主回路的電路如圖1所示，由高壓真空開(kāi)關(guān)K1和K2、放電電阻R1以及分流器FL和充電電源等構(gòu)成。高壓真空開(kāi)關(guān)具有噪音小、使用壽命長(zhǎng)、安全、可頻繁操作等優(yōu)勢(shì)，其觸發(fā)方式采用固態(tài)繼電器間接觸發(fā)，觸發(fā)信號(hào)由系統(tǒng)控制器根據(jù)控制邏輯發(fā)出，經(jīng)光隔離后實(shí)現(xiàn)充、放電控制[6-8]。

放電回路中的放電電阻R和電感L均可調(diào)整，用來(lái)改變放電電流的波形和大小。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的測(cè)試平臺(tái)是按某企業(yè)的特殊要求定制的，因此在設(shè)計(jì)放電回路時(shí)沒(méi)有采用電感，放電電阻則根據(jù)放電電流的大小用康銅絲自制，利用回路的寄生電感實(shí)現(xiàn)電路的阻尼放電。圖6所示為試品電容放電的電流波形圖。

放電電流采集主要有電流互感器和分流器等。電流互感器在測(cè)量過(guò)程中，當(dāng)放電電流快速、成倍增加時(shí)，互感器的鐵心將趨于飽和，勵(lì)磁電流將急劇增加，從而引起變比誤差迅速增加，影響測(cè)量精度。分流器采用錳、鎳、銅合金帶直接沖壓制成，具有溫度系數(shù)和熱電勢(shì)小、電阻線性度好和誤差小的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)放電電流進(jìn)行大動(dòng)態(tài)、高精度和高分辨率的測(cè)量。分流器采集的電流信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理后，由峰值檢波電路取出放電電流的最大值，送給系統(tǒng)核心控制器；控制器根據(jù)該測(cè)量值和系統(tǒng)控制邏輯算法判斷工作狀態(tài)，發(fā)出相應(yīng)的控制指令。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)高壓儲(chǔ)能電容生產(chǎn)企業(yè)的基本需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，并研制了高壓儲(chǔ)能電容測(cè)試平臺(tái)，可以針對(duì)高壓儲(chǔ)能電容不同規(guī)格的系列產(chǎn)品進(jìn)行不同電壓和放電電流的重復(fù)放電試驗(yàn)與產(chǎn)品檢測(cè)。該測(cè)試平臺(tái)的核心控制器采用基于可編程的FPGA器件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，利用其強(qiáng)大的邏輯設(shè)計(jì)和仿真測(cè)試技術(shù)，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化程度和可靠性。同時(shí)，采用EDA技術(shù)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是使得測(cè)試平臺(tái)具有通用性，即隨著企業(yè)產(chǎn)品的不斷升級(jí)，可通過(guò)修改測(cè)試平臺(tái)的軟件控制算法來(lái)隨時(shí)更新測(cè)試平臺(tái)的控制邏輯算法和控制功能，以適應(yīng)新產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)和耐壓檢測(cè)的需要。該測(cè)試平臺(tái)已在企業(yè)生產(chǎn)中使用，效果良好。

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