高壓儲能電容測試平臺的設計

董雪峰，桑亞輝，李小亮，張具琴，吳顯鼎

（黃河科技學院，河南 鄭州 450063）

0 引 言

高壓儲能電容屬于我國工業與信息化部“十二五”規劃重點發展的新型元器件，產品技術含量高，具有先進性和高可靠性的特點。高壓儲能電容器是高壓儲能系統中的重要器件，在電力工業、國防工業及其他高新技術領域具有廣泛的應用。隨著高壓儲能電容生產工藝和技術的逐漸成熟，國內外很多超級電容生產企業正積極進行融資擴產，產能逐漸增加；因此，對高壓儲能電容的質量檢測和性能測試已成為制約該新型產業發展的瓶頸之一。本設計平臺正是為解決高壓儲能電容器生產企業對其產品測試的性能需求而提出的。

1 測試平臺設計思路與系統構建

測試平臺系統結構如圖1所示，主要由充電電源、測試平臺線路和系統控制器組成，完成對測試電容的充、放電控制，充電電壓、充電電流、放電電流的設定和檢測，質量試驗周期的設定和試驗循環的控制以及故障的檢測和判斷。

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試電容提前進入耐壓狀態，從而人為地減少了測試電容的壽命。而恒流充電過程中，測試電容的端電壓線性增加，克服了恒壓充電的缺點；因此，本系統中的充電電源采用恒流的充電方案實現，電路結構如圖2所示[1]，主要由橋式整流、逆變開關、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優點是可實現用系統控制器對充電電源的完全控制。這種控制表現在兩方面，一方面可實現對充電電源充電電壓和充電電流的控制，另一方面可實現對充電電源工作狀態的控制。高壓儲能電容測試平臺運行過程中，系統監測到放電電流達不到設定值或出現其他故障時，控制器將發出指令，控制充電電源中止工作，切斷充電電源的供電；同時對測試電容進行放電，然后測試人員進行現場處置，從而確保測試人員的安全[2-3]。

圖1 系統結構框圖

圖2 恒流充電電源結構框圖

2 系統控制模塊設計

系統控制器模塊由FPGA和外部控制電路組成，主要完成對充電電壓、放電電流信號的采樣，控制邏輯的算法處理和外部控制，對恒流充電電源的控制以及對測試平臺參數設置的控制和顯示等功能。系統控制器模塊的頂層設計結構如圖3所示[4-5]。

測試平臺運行時，由操作人員在控制臺設置充電電源的充電電壓和充電電流，通過切換功能鍵CNT/TIME和鍵盤來設置質量試驗和耐壓試驗的基本參數，如重復周期、放電電流等。參數設置完畢后，操作人員發出質量試驗Q或耐壓試驗V命令，然后控制器控制充電電源開始工作，完成測試電容的質量測試和耐壓測試試驗。

圖3 系統控制器模塊頂層設計圖

測試平臺系統充分利用了FPGA的強大功能，將鍵盤接口電路、LED數碼顯示接口電路、鎖相環電路、模數轉換控制器電路等都構建在其內部，使整個系統電路結構簡單，連線明了。由于采用FPGA作為控制器，因此可以很容易通過修改FPGA的內部結構來實現對測試平臺的功能擴展和更新，從而使得該測試平臺具有對系列產品測試的通用性。圖4為該系統軟件設計的總體流程。

圖4 系統軟件設計總體流程

質量測試模塊的仿真波形如圖5所示。質量試驗啟動信號Q發出后，K0置高，真空開關K0閉合，然后充電電源啟動信號START控制電源啟動，開始對測試電容充電，充電過程中，由電壓采樣信號D（A/D轉換）判斷電容是否充電到8000V。當充電到8 000 V后，K0置低電平，真空開關K0斷開，延時開關“延時分斷時間”后，控制器控制K1置高，真空開關K1閉合，測試電容開始放電，同時啟動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到8 000 V，則峰值檢測信號PEAK置高，然后控制器控制發出峰值檢波電路的放電信號F，直到充、放電周期信號C1信號到來，則控制器控制K1斷開，然后進行下一周期的實驗測試。

圖5 質量測試模塊的仿真波形

圖6 放電電流波形

3 放電主回路設計

放電主回路的電路如圖1所示，由高壓真空開關K1和K2、放電電阻R1以及分流器FL和充電電源等構成。高壓真空開關具有噪音小、使用壽命長、安全、可頻繁操作等優勢，其觸發方式采用固態繼電器間接觸發，觸發信號由系統控制器根據控制邏輯發出，經光隔離后實現充、放電控制[6-8]。

放電回路中的放電電阻R和電感L均可調整，用來改變放電電流的波形和大小。本系統設計的測試平臺是按某企業的特殊要求定制的，因此在設計放電回路時沒有采用電感，放電電阻則根據放電電流的大小用康銅絲自制，利用回路的寄生電感實現電路的阻尼放電。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。電流互感器在測量過程中，當放電電流快速、成倍增加時，互感器的鐵心將趨于飽和，勵磁電流將急劇增加，從而引起變比誤差迅速增加，影響測量精度。分流器采用錳、鎳、銅合金帶直接沖壓制成，具有溫度系數和熱電勢小、電阻線性度好和誤差小的特點，可以實現對放電電流進行大動態、高精度和高分辨率的測量。分流器采集的電流信號經信號調理后，由峰值檢波電路取出放電電流的最大值，送給系統核心控制器；控制器根據該測量值和系統控制邏輯算法判斷工作狀態，發出相應的控制指令。

4 結束語

本文根據高壓儲能電容生產企業的基本需求進行設計，并研制了高壓儲能電容測試平臺，可以針對高壓儲能電容不同規格的系列產品進行不同電壓和放電電流的重復放電試驗與產品檢測。該測試平臺的核心控制器采用基于可編程的FPGA器件進行開發，采用自頂向下的設計方法，利用其強大的邏輯設計和仿真測試技術，提高了系統設計的自動化程度和可靠性。同時，采用EDA技術開發系統的另一個優點是使得測試平臺具有通用性，即隨著企業產品的不斷升級，可通過修改測試平臺的軟件控制算法來隨時更新測試平臺的控制邏輯算法和控制功能，以適應新產品質量檢測和耐壓檢測的需要。該測試平臺已在企業生產中使用，效果良好。

[1]朝澤云，徐至新，鐘和清.基于DSP控制的恒流充電電源設計[J].電力電子技術，2003（3）：16-23.

[2]Spahn E，Buderer G，Wenning W.Compact pulse forming network， based-d on semiconducting switches， for electric gun applications [J].IEEE Transactions on Magnetics，1999，35（1）：278-382.

[3]王鵬.高電儲能電容器直流局部放電采集分析系統的研制[D].成都：西南交通大學，2007.

[4]馬洪亮，陳宗義.基于FPGA的一種改進型小數分頻法[J].軟件，2012，33（1）：34-36.

[5]梁俊，臺憲青.基于有限狀態機的工控系統軟件設計[J].微計算機信息，2008，24（4-1）：54-56.

[6]樊寬軍，王相綦，尚雷，等.微秒脈沖電流的測量[J].核技術，1999，22（8）：469-473.

[7]張血琴，吳廣寧，曲衍寧，等.高壓儲能電容器直流局部放電儀的研制[J].西南交通大學學報，2006（6）：743-747.

[8]陳勇，于成龍，何承基.直流局部放電測試技術在電容器老化判斷中的應用[J].中國測試技術，2003，29（5）：20-21.