閃變信號電路的設(shè)計與實現(xiàn)

隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，電力網(wǎng)負(fù)荷急劇增加，特別是沖擊性、非線性負(fù)荷所占比重不斷加大，使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動和閃變，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。因此，研究電壓波動與閃變、積極采取措施保證電能質(zhì)量己成為當(dāng)前供電部門的一項重要而緊迫的任務(wù)。然而如何得到閃變信號成為重要問題，因此，標(biāo)準(zhǔn)閃變信號電路的研究是基于SOPC的電壓波動和閃變檢測與分析的重要內(nèi)容。
??? 本文提出一種全數(shù)字化技術(shù)的閃變信號電路，主要研究了該電路的原理、關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計準(zhǔn)則，并給出了試驗結(jié)果。

1 閃變信號電路的構(gòu)成與原理?
1．1 電路構(gòu)成
??? 閃變信號電路由電網(wǎng)電壓取樣和正弦波一方波轉(zhuǎn)換電路、倍頻電路或分頻電路、時鐘信號形成電路(包括鎖相環(huán)和分頻電路)、相位同步電路(即地址發(fā)生器清零信號形成電路)、閃變信號產(chǎn)生電路(包括EPROM，D／A轉(zhuǎn)換電路和運算放大器)等五個部分組成，如圖1所示。其基本思想是先將電網(wǎng)電壓ui變換成一個電壓方波信號，將電壓方波信號分頻后(如n=4)得到基準(zhǔn)電壓方波信號(頻率即為12．5 Hz)，輸入到鎖相環(huán)，鎖相環(huán)輸出信號經(jīng)m分頻電路(如m＝1 024)后再送回鎖相環(huán)，作為基準(zhǔn)電壓方波信號的比較信號。當(dāng)鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)時，鎖相環(huán)輸出頻率為基準(zhǔn)電壓方波信號m倍的時鐘信號。該時鐘信號送人地址發(fā)生器，然后依次讀取出事先固化在EPROM中的數(shù)字化的標(biāo)準(zhǔn)閃變信號，再經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換和運算放大器，變換成閃變信號電壓。

1．2 電路原理
??? 閃變信號電路的主要電路如圖2所示。

??? 電網(wǎng)電壓取樣與正弦波一方波轉(zhuǎn)換電路由變壓器取樣、過零比較器組成，其輸出的電壓方波信號與電網(wǎng)電壓同步。
??? 相位同步電路即4040清零信號的形成電路，如圖2(a)所示。將基準(zhǔn)方波電壓信號送入D觸發(fā)器40175分頻，輸出6．25 Hz的方波(保證一周產(chǎn)生一次清零信號)，再將其信號及其經(jīng)過非門4096后的反相信號一起送入單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器4528，經(jīng)或門4071后得到4040的清零信號，以實現(xiàn)4040的1 024分頻計數(shù)，從而保證對EPROM中數(shù)據(jù)的正確讀取。
??? 時鐘信號形成電路如圖2(b)所示。將基準(zhǔn)電壓方
波信號輸入鎖相環(huán)，由鎖相環(huán)輸出電路所需的時鐘信號。在鎖相環(huán)的鎖定狀態(tài)下，該時鐘信號頻率為基準(zhǔn)電壓方波信號頻率的1 024倍。該時鐘信號經(jīng)分頻器4040實現(xiàn)1 024分頻，所得信號作為鎖相環(huán)的比較信號。將此時鐘信號送人地址發(fā)生器4040。
閃變信號產(chǎn)生電路由地址發(fā)生器4040，EPROM27C256，DAC0832和OP07組成，如圖2(c)所示。其核心是EPROM27C256和DAC0832?？墒孪扔?a href="http://m.makelele.cn/tags/matlab/" target="_blank">Matlab編程產(chǎn)生的一個周期的閃變信號，再由Matlab進(jìn)行1 024分頻離散采樣，算好其幅值后按序排成數(shù)據(jù)表存入EPROM中。
??? 鎖相環(huán)輸出的時鐘信號輸入到地址發(fā)生器4040，4040順序掃描存入EPROM中的數(shù)據(jù)表，代表閃變信號幅值的8位二進(jìn)制數(shù)被送到DAC0832，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量輸出。周而復(fù)始，產(chǎn)生一串階梯閃變波形。由于DAC0832為電流型器件，因此必須與運算放大器連接，構(gòu)成D／A轉(zhuǎn)換器。

2 關(guān)鍵電路參數(shù)設(shè)計
??? 鎖相環(huán)CD4046是整個電路關(guān)鍵器件之一，其鎖定范圍和外圍電阻R4，R5及電容C2有很大關(guān)系。R3和C1構(gòu)成了鎖相環(huán)CD4046的外接低通濾波器。

2．1 CD4046外接電阻R4，R5和外接電容C2的設(shè)計
??? 當(dāng)無需R5的補償，即R5為無窮大時，鎖相環(huán)的輸出頻率范圍從零到最高輸出頻率fomax，且：

???
??? 此時fomin=O。在特定的使用狀態(tài)下，若要限制鎖相環(huán)的輸出頻率范圍，可通過R5的補償作用來實現(xiàn)。鎖相環(huán)輸出頻率fo的估算式為：

???
式中：V1的幅值正比于標(biāo)準(zhǔn)電壓方波信號和鎖相環(huán)比較信號之間的相位差；VGS和VTP分別為鎖相環(huán)內(nèi)部MOS管的柵一源極壓降；VD為鎖相環(huán)工作電壓。因為本電路要求鎖相環(huán)的輸出頻率經(jīng)過1 024分頻后為12．5 Hz，即鎖相環(huán)必須鎖定在12．8 kHz附近，故可取R4=10 kΩ，R5=∞，C2=5．6 nF。
2．2 CD4046低通濾波器R3，Cl的設(shè)計
??? 適當(dāng)選擇R3和C1，對改善環(huán)路捕捉性能及工作穩(wěn)定性有很大作用。若取較大的時間常數(shù)R3和C1，則會使環(huán)路跟蹤較快變化的輸入頻率時引起過度的延遲；若取較小的時間常數(shù)R3和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，選擇R3=100 kΩ，C1=2μF。

3 實驗結(jié)果
??? 閃變信號電路設(shè)計實例：輸入電壓=220 V±1O％50 Hz，輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓=0～15 V(峰值)50 Hz，鎖相環(huán)芯片CD4046，地址發(fā)生器4040，EPROM27C256，數(shù)／模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832，分頻器4040，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器4528，C1=2μF，C2=5．6 nF，R4=10 kΩ，R5=∞，R3=100 kΩ，R10=10 kΩ，R9=R11=20 kΩ。設(shè)計并研制成功的閃變信號電路試驗結(jié)果，如圖3所示。

??? 由圖3可見，這種閃變信號電路THD小、幅值可調(diào)、簡單實用、價格低廉等優(yōu)點。試驗結(jié)果與理論分析一致。

4 結(jié) 語
??? 閃變作為評定電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，能更直接、更迅速地反映出電網(wǎng)的供電質(zhì)量。而閃變儀的準(zhǔn)確度也是人們關(guān)心的問題。本文對閃變信號電路進(jìn)行了理論與選型分析，實現(xiàn)了理論上的閃變信號，為之后電能質(zhì)量檢測裝置的驗證提供了良好的信號源。其實驗結(jié)論如下：
??? (1)閃變信號電路由電網(wǎng)電壓取樣和正弦波一方波轉(zhuǎn)換電路、倍頻或分頻電路、時鐘信號產(chǎn)生電路、相位同步電路、正弦波產(chǎn)生電路等五個部分構(gòu)成。
??? (2)該閃變信號電路具有THD小、幅值可調(diào)、簡單實用、價格低廉等優(yōu)點。
??? (3)試驗結(jié)果與理論分析一致。