与电网电压同步的基准正弦电路设计与实现 李 磊 , 陈道炼 , 胡育文 ( 南京航空航天大学自动化学院 , 南京 , 210016 ) 摘要 : 提出并分析研究了一种全数字化技术的 、 与电网电压同步的基准正弦电路 , 给出了关键电路参数设计准 则 。 试验结果与理论分析一致 。 该基准电路具有输出正弦电压与电网电压同步 、 THD 小 、 幅值可调但不受电网电 压波动的影响 、 简单实用 、 价格低廉等优点 , 在高频交流环节 A C A C 变换系统 、 不间断电源系统 U PS 中具有重 要应用价值 。 关键词 : 高频交流环节 ; A C A C 变换系统 ; 同步 ; 基准正弦电路 中图分类号 : V 242 1 2 文献标识码 : A 文章编号 : 1005 2 2615 ( 2003 ) 01 2 0101 2 04 基金项目 : 航空基础科学基金 ( 02 F 52027 ) 资助项目 。 收稿日期 : 2002 2 06 2 06; 修订日期 : 2002 2 08 2 29 作者简介 : 李 磊 , 男 , 博士研究生 , 1975 年 4 月生 ; 陈道炼 , 男 , 教授 , 1964 年 8 月生 ; 胡育文 , 男 , 教授 , 博士生导师 , 1946 年 7 月生 。 D esign and Rea l iza tion of a Reference Si nuso ida l C ircu it Synchronous w ith L i ne Voltage i L ei , Chen D aolian , H u Y uw en Co llege of A utom ati on Engineering, N anjing U niversity of A eronautics & A stronautics, N anjing, 210016, Ch ina Abstract : A reference sinu so idal circu it based on digital techn ique and synch ronou s w ith the pow er sys 2 tem vo ltage is analyzed . T he design criteri on of the key circu it p aram eters is given . Exp eri m en tal resu lts agree w ith the theo retical analysis . T he reference circu it has the advan tages such as synch rony w ith the pow er system vo ltage , low THD , adju stab le p eak vo ltage w h ich is free from the fluctuati on of the pow er system vo ltage , si m p licity and u tility , low co st . T he reference circu it has i m po rtan t app licative value in A C A C conversi on system w ith h igh frequency ac link and U PS . Key words : h igh frequency ac link ; A C A C conversi on system ; synch rony ; reference sinu so idal circu it 引 言 新颖的高频交流环节 A C A C 变换系统的电 路结构由输入周波变换器 、 高频变压器 、 输出周波 变换器构成 , 能够将正弦电网电压变换成同频率的 高质量正弦交流电压 , 具有两级功率变换 ( L FA C H FA C L FA C ) 、 双向功率流 、 网侧电流波形可改 善 、 高频电气隔离 、 无噪声等优点 , 是实现新型电子 变 压 器 和 新 型 正 弦 交 流 稳 压 器 的 关 键 技 术 基 础 [ 1, 2 ] 。 由于该变换器输出电压 u o 与输入电网电压 u i 同步 , 输出电压 u o 又要跟踪基准正弦电压 u r , 从而 要求基准正弦电压 u r 与输入电网电压 u i 同步 。 因 此 , 与电网电压同步的基准正弦电路的研究 , 是高 频交流环节 A C A C 变换系统的重要内容 。 本文提出一种全数字化技术 、 与电网电压同步 的基准正弦电路 , 主要研究了该电路的原理 、 关键 参数设计准则 , 并给出了试验结果 。 1 电路原理 高频交流环节 A C A C 变换系统基准正弦电 路由电网电压取样和正弦波 方波转换电路 、 时钟 信号形成电路 ( 包括锁相环和分频电路 ) 、 相位同步 电路 ( 即地址发生器清零信号形成电路 ) 、 正弦波幅 值 和极性控制电路 、 正弦波产生 电 路 ( 包 括 E 2 PROM , D A 转换电路和运放 ) 等 5 个部分组成 , 如图 1 所示 。 其基本思想是先将电网电压 u i 变换 成一个与其同步的基准电压方波信号 , 输入到锁相 环 , 锁相环输出信号经 n 分频电路 ( 本基准电路采 用 450 分频 ) 后再送回锁相环 , 作为基准电压方波 信号的比较信号 。 当锁相环处于锁定状态时 , 锁相 环输出频率为基准电压方波信号 n 倍的时钟信号 。 该时钟信号送入地址发生器 , 然后依次读取出事先 固化在 EPROM 中的数字化的标准正弦信号 , 再 经过 D A 转换和运放 , 变换成与基准电压方波信 号同频率 、 同相位的的基准正弦电压 。 图 1 与电网电压同步的基准正弦电路结构 1 1 1 电网电压取样和正弦波 方波转换电路 电网电压经变压器取样 , 再经过零比较器 , 得 到基准电压方波信号 。 1 1 2 时钟信号形成电路 时钟信号形成电路 , 如图 2 所示 。 将基准电压 方波信号输入锁相环 , 由锁相环输出电路所需的时 钟信号 。 在锁相环的锁定状态下 , 该时钟信号频率 为基准电压方波信号频率的 450 倍 。 该时钟信号经 分频器 4520 和 40175 实现 450 分频 , 所得信号作 为锁相环的比较信号 。 将此时钟信号送入地址发生 器 4040 。 1 1 3 相位同步电路 在电网电压 u i 过零时对地址发生器 4040 清 零 , 可严格保证最终所得基准正弦电压与电网电压 同频同相 。 4040 清零信号的形成电路 , 如图 3 所 示 。 将基准方波电压信号及其经过与非门 4011 后 的反相信号一起送入单稳态触发器 4528, 经或门 4071 后得到 4040 的清零信号 , 以实现 4040 的 225 分频计数 , 从而保证对 EPROM 中数据的正确读 取 , 以及数据经 D A 转换后与正弦波正负半周极 性控制信号严格对应 。 图 2 时钟信号形成电路 1 1 4 正弦波幅值和极性控制电路 正弦波幅值和极性控制电路由运放 L F 353 与 模拟开关 4066 及外围电阻 R 4 , R 5 , R 6 组成 , 如图 4 所示 。 取 R 4 = R 5 = R 6 , 则该电路实质是一个单位增 益放大器 。 由于 4066 控制信号为基准电压方波信 号 , 则 L F 353 输出双极性方波信号 。 该双极性方波 信号作为模数转换器 DA C 0832 的参考电压信号 , 2 0 1 南 京 航 空 航 天 大 学 学 报 第 35 图 3 地址发生器 4040 清零信号形成电路 且与所需要产生的基准正弦电压同相 。 通过调节电 位器 , 可以调节基准正弦电压的幅值 。 图 4 正弦波幅值与极性控制电路 1 1 5 正弦波产生电路 正 弦 波 产 生 电 路 由 地 址 发 生 器 4040, E 2 PROM 27 C 64, DA C 0832 和 L F 353 组成 , 如图 5 所 示 。 其核心是 EPROM 27 C 64 和 DA C 0832 。 考虑到 DA C 0832 的极性控制功能 , 可事先将 半周期正弦波进行 225 分频离线采样 , 算好其幅值 后按序排成数据表存入 EPROM 中 。 EPROM 中存 入的数据表的计算式为 D i = 255sin 180 ° 225 - 1 i ( 1 ) 式 ( 1 ) 中 , i = 0, 1, 2, 3, 4, … , 224; 255 为 FFH 对应 的十进制数 。 锁相环输出的时钟信号输入到地址发生器 4040, 4040 顺序扫描存入 EPROM 中的数据表 , 则 代 表 正 弦 波 幅 值 的 8 位 二 进 制 数 被 送 到 DA C 0832, 将数字量转换成模拟量输出 。 周而复 始 , 产生一串阶梯正弦波形 。 由于 DA C 0832 为电 流型器件 , 因此必须与运算放大器连接 , 构成 D A 转换器 。 图 5 正弦波产生电路 2 关键电路参数设计 锁相环 CD 4046 B 是整个电路关键器件之一 , 其锁定范围和外围电阻 R 1 , R 2 和电容 C 1 有很大关 系 。 R 3 和 C 2 构成了锁相环 CD 4046 B 的外接低通 滤波器 [ 3 ] 。 2 1 1 CD 4046 B 的外接电阻 R 1 , R 2 和外接电容 C 1 的设计 当无须 R 2 的补偿 , 即 R 2 为无穷大时 , 锁相环 的输出频率范围从零到最高输出频率 f om ax [ 4 ] , 且 f om ax = 1 R 1 ( C 1 + 32 × 10 - 12 ) ( 2 ) 式 ( 2 ) 中 R 1 的单位为 8 , C 1 的单位为 F 。 此时 f om in = 0 。 在特定的使用状态下 , 若要限制 锁相环的输出频率范围 , 可通过 R 2 的补偿作用来 实现 。 f o 的估算式 [ 5 ] 为 f o = 1 8 C 1 V t - V GS R 1 + V D - 2 V TP R 2 ( 3 ) 式 ( 3 ) 中 , V t 的幅值正比于基准电压方波信号和锁 相环比较信号之间的相位差 , V GS 和 V TP 分别为锁 相环内部 M O S 管的栅 2 源极压降 , V D 为锁相环工 作电压 。 因为本电路要求锁相环的输出频率经过 450 分频后为 50 H z , 即锁相环必须锁定在 22 500 H z 附近 , 故可取 R 1 = 10 k 8 , R 2 = ∞ , C 1 = 1 000 pF 。 3 0 1 第 1 期 李 磊等 : 与电网电压同步的基准正弦电路设计与实现 2 1 2 CD 4046 B 低通滤波器 R 3 , C 2 的设计 适当选择 R 3 和 C 2 , 对改善环路捕捉性能及工 作稳定性很有作用 。若取较大的时间常数 R 3 C 2 , 则 会使环路跟踪较快变化的输入频率时引起过度的 延迟 ; 若取较小的时间常数 R 3 C 2 , 则会使环路跟踪 快速变化的输入信号时 , 引起锁相环输出频率的反 常变化 。 综合考虑 , 选择 R 3 = 100 k 8 , C 2 = 2 Λ F 。 3 试验结果 与电网电压同步基准正弦电路设计实例 : 输入 电压 = 220 V ± 10% 50 H z , 输出基准电压 = 0 ～ 15 V ( 峰值 ) 50 H z , 锁相环芯片 CD 4046 B , 地址发生器 4040, EPROM 27 C 64, 数模转换芯片 DA C 0832, 分 频器 4520, 40175, 单稳态触发器 4528, C 1 = 1 000 pF , C 2 = 2 Λ F , R 1 = 10 k 8 , R 2 = ∞ , R 3 = 100 k 8 , R 4 = R 5 = R 6 = 10 k 8 。 设计并研制成功的高频交流环节 A C A C 变 换系统基准正弦电路试验结果 , 如图 6 所示 。 由图 6 可见 , 该正弦基准电路具有输出电压与电网电压 同步 、 THD 小 、 幅值可调但不受电网电压波动的影 响等优点 。 试验结果与理论分析一致 锁相环比较信号与基准电压方波信号 ( d ) 电网电压与基准正弦电压 图 6 与电网电压同步的基准正弦电路试验波形 4 结 论 ( 1 ) 高频交流环节 A C A C 变换系统基准正弦 电压必须与电网电压同步 。 ( 2 ) 与电网电压同步的基准正弦电路由电网电 压取样和正弦波 方波转换电路 、 时钟信号产生电 路 、 相位同步电路 、 正弦波幅值和极性控制电路 、 正 弦波产生电路等 5 个部分组成 。 ( 3 ) 该基准正弦电路具有与电网电压同步 、 THD 小 、 幅值可调但不受电网电压波动的影响 、 简 单实用 、 价格低廉等优点 。 ( 4 ) 试验结果与理论分析一致 。 参 考 文 献 [ 1 ] 陈道炼 , 李 磊 1 电压源高频交流环节 A C A C 变换 器原理研究 [ J ] . 电工技术学报 , 2001, 16 ( 6 ) : 25 ～ 30 [2 ] 陈道炼 , 李 磊 , 胡育文 1 双极性移相控制电压源高 频交流环节 A C A C 变换器研究 [ J ] . 中国电机工程 学报 , 2002, 22 ( 9 ) : 69 ～ 73 [ 3 ] 赵培功 , 李 雷 1 集成电路应用 [ M ] . 北京 : 电子科技 大学出版社 , 1998 [ 4 ] “中国集成电路大全” 编写委员会 . C M O S 集成电路 [ M ] . 北京 : 国防工业出版社 , 1985 [ 5 ] 李成章 , 王淑芳 1 新型 U PS 不间断电源原理与维修 技术 [ M ] . 北京 : 电子工业出版社 , 198
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