電網(wǎng)電壓同步正弦波的發(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(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流檢測(cè)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(hào)，即與電網(wǎng)電壓同頻同相的標(biāo)準(zhǔn)正余弦信號(hào)。該信號(hào)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(guò)鎖相環(huán)加正弦函數(shù)發(fā)生器的方法，可自動(dòng)實(shí)時(shí)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(cè)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(gè)部分。其基本原理是利用電壓互感器對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行取樣，然后經(jīng)過(guò)過(guò)零比較器，得到一個(gè)與電網(wǎng)電壓同步的方波信號(hào)，作為鑒相器(PD)的一個(gè)輸入。鑒相器、低通濾波和函數(shù)發(fā)生器ICL8038組成一個(gè)鎖相環(huán)(PLL)電路。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，輸出正弦波與電網(wǎng)電壓同步，即同頻同相，在時(shí)間上應(yīng)該幾乎沒(méi)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(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行取樣，然后經(jīng)過(guò)過(guò)零比較器，得到一個(gè)與電網(wǎng)電壓同步的方波信號(hào)。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(shí)疊加有噪聲，對(duì)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(hào)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(hào)。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(guò)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(guò)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(gè)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(gè)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(shí)，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(duì)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(shí)間常數(shù)R4×C1, 則會(huì)使環(huán)路跟蹤變化較快的輸入頻率時(shí)產(chǎn)生過(guò)度的延遲;若取較小的時(shí)間常數(shù)R4×C1, 則會(huì)使環(huán)路跟蹤快速變化的輸入信號(hào)時(shí), 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(hào)電壓。輸出的正弦波信號(hào)頻率應(yīng)該在50Hz左右，當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)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(yǔ)

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(jiǎn)單實(shí)用、價(jià)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(shí)無(wú)功功率理論和自適應(yīng)濾波的諧波檢測(cè)算法中的參考信號(hào)。