電網(wǎng)電壓同步的正弦波發(fā)生電路設(shè)計(jì)

引言

　　目前的有源電力濾波器通常是采用基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測方法。其中的ip-iq算法需要用到與電網(wǎng)電壓同步的正余弦信號，即與電網(wǎng)電壓同頻同相的標(biāo)準(zhǔn)正余弦信號。該信號的獲取可以采用鎖相環(huán)加正余弦函數(shù)發(fā)生器的方法，也可采用軟件查表的方法。本設(shè)計(jì)采用全硬件電路完成，即通過鎖相環(huán)加正弦函數(shù)發(fā)生器的方法，可自動實(shí)時跟蹤電網(wǎng)電壓的頻率和相位，不占用微處理器的軟、硬件資源，大大降低了諧波檢測算法編程的復(fù)雜度。
 

　　電路原理

　　此電路從原理上可分成電網(wǎng)電壓取樣、正弦波/方波轉(zhuǎn)換、鑒相、低通濾波、電平轉(zhuǎn)換和正弦波產(chǎn)生幾個部分。其基本原理是利用電壓互感器對電網(wǎng)電壓進(jìn)行取樣，然后經(jīng)過過零比較器，得到一個與電網(wǎng)電壓同步的方波信號，作為鑒相器(PD)的一個輸入。鑒相器、低通濾波和函數(shù)發(fā)生器ICL8038組成一個鎖相環(huán)(PLL)電路。當(dāng)環(huán)路鎖定時，輸出正弦波與電網(wǎng)電壓同步，即同頻同相，在時間上應(yīng)該幾乎沒有延遲。原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　圖1 與電網(wǎng)電壓同步的正弦波發(fā)生電路原理結(jié)構(gòu)圖

　　正弦波/方波轉(zhuǎn)換電路

　　利用電壓互感器對電網(wǎng)電壓進(jìn)行取樣，然后經(jīng)過過零比較器，得到一個與電網(wǎng)電壓同步的方波信號。電路如圖2所示。

　　圖2 正弦波/方波轉(zhuǎn)換電路

　　鑒相與低通濾波電路

　　本設(shè)計(jì)中的鑒相器使用CD4046的PD1。PD1由異或門構(gòu)成，要求輸入波形的占空比基本上是50%。與PD2(上升沿觸發(fā)工作)相比較，由于PD1是電平觸發(fā)工作，輸入波形中即時疊加有噪聲，對PLL穩(wěn)定工作的影響也較小，具有較強(qiáng)的抗噪聲能力。電阻R4和電容C1構(gòu)成低通濾波器。電路如圖3所示。

　　圖3 鑒相和低通濾波電路電平轉(zhuǎn)換電路

　　由于函數(shù)發(fā)生器ICL8038要求輸入的控制電壓信號必須在1/3V+~V+之間，即4V~12V之間。而PD1的輸出是在-12V~+12V之間，所以必須做電平轉(zhuǎn)換，使電路能很好地捕捉到輸入控制信號。電路如圖4所示。

　　圖4 電平轉(zhuǎn)換電路

　　正弦波產(chǎn)生電路

　　函數(shù)發(fā)生器ICL8038通過連接少量的外部元件就能夠產(chǎn)生高精度的方波、正弦波、鋸齒波等波形。為減小正弦波失真度，通過ICL8038的正弦波失真度調(diào)整腳1和腳12組成橋式電路，使失真度減小到0.1%左右。引腳2即輸出正弦波。方波輸出腳9接一個上拉電阻到V+，使得輸出的方波電平在±12V之間。輸出的方波經(jīng)電平轉(zhuǎn)換作為PD1的另一個輸入。由于ICL8038輸出的方波和正弦波之間有90°的相差，當(dāng)環(huán)路鎖定時，正好滿足PD1輸入輸出波形占空比為50%的要求。電路如圖5所示。

　　圖5 正弦波發(fā)生電路電路關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

　　低通濾波器R4和C1的參數(shù)設(shè)計(jì)

　　R4和C1對環(huán)路捕捉性能及工作穩(wěn)定性有很大的影響。若取較大的時間常數(shù)R4×C1, 則會使環(huán)路跟蹤變化較快的輸入頻率時產(chǎn)生過度的延遲;若取較小的時間常數(shù)R4×C1, 則會使環(huán)路跟蹤快速變化的輸入信號時, 引起鎖相環(huán)輸出頻率的反常變化。綜合考慮環(huán)路捕捉性能及工作穩(wěn)定性, 選擇R4=100KW, C1=2.2mF。

　　ICL8038外接元件R9、R10和C2的參數(shù)設(shè)計(jì)

　　為使ICL8038輸出的正弦波和方波占空比為50%，取R9=R10=R。輸出頻率的計(jì)算公式為：

　　V為引腳8處的控制信號電壓。輸出的正弦波信號頻率應(yīng)該在50Hz左右，當(dāng)環(huán)路鎖定時V應(yīng)該在9V左右，所以

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　與電網(wǎng)電壓同步的正弦波發(fā)生電路的試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)輸入電壓為220V/50Hz，輸出同步的50Hz正弦波。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。

　　結(jié)語

　　本文中設(shè)計(jì)電路能產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓同步的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，具有低失真、簡單實(shí)用、價格低廉的優(yōu)點(diǎn)。并由全硬件完成，不占用微處理器的軟、硬件資源，大大降低了編程的復(fù)雜度，可用作基于瞬時無功功率理論和自適應(yīng)濾波的諧波檢測算法中的參考信號。