动态电压恢复器同步基准正弦电路设计实现

张 岭，谷志锋，尹志勇

（军械工程学院 电气工程系，河北 石家庄 050003）

动态电压恢复器采用电压瞬时值比较增量检出法检测电压波动和谐波分量时，同步基准正弦电路是实现瞬时值波形比较的必要条件。实现比较量和被比较量频率相同、相位一致的高质量标准正弦电压电路对于动态电压恢复器获得良好的补偿效果具有重要作用。

1 同步基准正弦电路原理框图

同步基准正弦电源在动态电压恢复器中的应用有如下特点[1]：1）作为基准正弦电压信号使用，所需功率很小，只有几瓦；2）负载固定，不存在因负载变化对基准正弦电压产生的影响。

另外，由于市电电压经过动态电压恢复器补偿后有较高的稳压精度，50 Hz波形信号的幅值变化在国标 “电能质量电压波动和闪变GB/T 12326-2008”[2]的±1%以内，不会对电源的输出电压产生影响。只要对标准交流正弦基准电源设计较强的电压反馈环，以对50 Hz波形信号的幅值变化具有较强的调节能力，就可以直接用市电电压作为50 Hz波形信号。从而消除了采用压控振荡器与市电电压进行同步锁相而引发的锁相过渡过程对瞬时值波形比较法产生的不稳定影响[3-4]，实现的原理框图如图1所示。

图1 同步基准正弦电路原理框图Fig.1 Block diagram of synchronous reference sinusoidal circuit

2 同步基准正弦电路的设计实现

2.1 模拟、数字部分电路设计

交流50 Hz波形采用降压变压器直接从经过补偿的负载电压上获取，为避免谐波含量的影响，采用无限增益多路反馈电路，在输出侧串入低通有源滤波器。

稳幅驱动电路由波形反馈环和电压反馈环构成，其中，波形反馈是为了克服整机非线性失真，从输出变压器二次绕组采用波形反馈，使总输出电压波形的谐波失真较低。而电压反馈是基准电路的输出信号经移相电路后得到两路正交的交流电压，经全波精密整流[5]后，合成为纹波较小的反馈电压。当给定的基准电压与该反馈电压比较时，其偏差经积分放大电路放大后，控制可变增益放大器的电压增益，从而保持输出电压稳定。

2.1.1 输入信号的模拟实现

输入变压器变比取为220:8，同步基准正弦电路的输入信号幅值为11 V。假设所含谐波均为三次谐波，则三次谐波含量为4%时的最大幅值为440 mV，模拟输入信号电路采用加法器实现，如图2所示。

图2 输入信号Fig.2 Input signal

2.1.2 低通滤波器设计

二阶低通滤波器采用无限增益多路反馈电路形式的快速设计方法，确定电路参数和形式如图3所示[6]。

图3 二阶低通滤波器Fig.3 Second order lowpass filter

如图3所示输入输出关系式为：

代入数值计算后得 Uo≈0.91∠120°Ui

可见，输入信号通过低通滤波器后有相移，应加移相电路进行修正。

2.1.3 移相电路

为了修正低通滤波器的相位偏移，加入移相电路如图4所示。

图4 移相电路Fig.4 Phase shift circuit

如图4所示输入输出关系为[5]：

2.1.4 电压反馈电路

电压反馈信号调理电路由移相电路，全波精密整流和积分放大电路3部分组成，如图5所示。移相电路用以将输出侧的交流电压形成两路正交的交流电压，计算方法同式（1）。全波精密整流设计成输出输入之间的比例关系为1[5]。积分放大电路为可变增益放大器提供反馈信号，对电路的精度具有重要影响。

图5 电压反馈电路Fig.5 Voltage feedback circuit

功率放大器采用LM380集成功率放大器件，输出电压为2.368 V的正弦电压信号，经过移相和全波精密整流后作为积分放大器的输入信号，其值为 2.368|sin ωt|和 2.368|cos ωt|，合成为 uf=2.368（|sin ωt|+|cos ωt|），因为 1≤（|sin ωt|+|cos ωt|）故积分放大电路输出信号uf在2.368和3.348之间变化，取其平均值为2.858 V。

ADC0831正常工作的输入电压应在5 V以内，因此取uf与基准电压源信号ug=-4 V比较，偏差为Δu=uf+ug=-1.142 V，该偏差经积分放大输出，大小为 Uf=-1.142×（-2.5）=2.855 V。该信号作为ADC0831的输入信号。

2.2 可变增益放大器设计

传统的反馈电压信号由机械电位器分压获得，不能够满足电能质量电压波动和谐波变化的要求。采用数控方式调节电阻值的数字电位器带总线接口，可通过单片机或逻辑电路进行编程。实现了“把模拟器件放到总线上”的全新设计理念[7]。AD5241是带有I2C总线接口的256位10 kΩ，100 kΩ，1 MΩ数字电位器，利用8位串行A/D转换器片ADC0831设计单路电压信号检测电路，并将电压检测结果转换成8位数字量，通过数字量控制电阻阻值的变化[8-9]，实现了动态电压恢复器同步基准正弦电路中反馈电路的电阻变化实时反应电压变化的要求。实现电路如图6所示。

图6 可变增益放大器Fig.6 Variable gain amplifier

AD5241采用10 kΩ阻值通道，则由

得

可变增益放大器的分压电阻取值为 20-（10-5.71）=15.71 kΩ

3 仿真结果

Proteus软件具有模拟电路、数字电路和单片机应用系统的设计和仿真功能，是目前能够对微处理器进行较好仿真的软件，真正实现了从概念到产品的设计。本电路采用基于Proteus的产品设计流程，克服了传统电子产品设计中没有物理原型就无法对系统进行测试、没有系统硬件就很难对软件进行调试的缺点[8]。

根据国标公用电网谐波.GB/T 14549-1993[10]，假设基准正弦波均方根值为220 V，频率50 Hz。符合国标要求的奇次谐波（假设均为三次谐波）的含量为4%，依据式（1），可得幅值大小为11 V。

该电路的输入波形、输出波形和反馈波形如图7所示。由图中可见，输入波形谐波含量通过图8的傅里叶分析仪可以看出为4%，经过同步基准正弦电路的电压反馈环和波形反馈环进行补偿后，输出波形质量得到明显改善，输出电压幅值为2.09 V，其三次谐波幅值为0.0188 mV，含量为0.9%。

图7 输入、输出和反馈电压波形曲线Fig.7 Waveforms of input，output and feedback voltage

图8 输入、输出电压谐波分析Fig.8 Harmonic analysis of input，output and feedback voltage

积分放大输出的送往ADC0831的电压反馈信号，由图可见是纹波很小的直流信号，衰减时间常数为：

经过3τ～5τ即0.25 s后应达到稳定状态，理论分析与图中的稳定时间一致。

输入电压为11 V时，对应输出为2 V，当输入电压幅值有2%的波动时，输出电压为2.03 V，如图9所示，波动量由2%减小到了1.5%。可见该电路可以减小谐波与电压波动的影响，达到了设计目的。

图9 电压波动分析Fig.9 Analysis of voltage fluctuation

在使用中需要注意的是，当带载时，需要考虑负载的影响，调整RV3可调电位器，使波形相位保持一致。

4 结束语

考虑到采用了动态电压恢复器补偿装置后的电能质量特点[11-12]，设计了采用电压瞬时值比较法时的同步基准正弦电路，该电路采用了较强的电压反馈环和波形反馈环，保证了谐波失真小和输出电压稳定。尤其在电压反馈环节通过采用数字电位器AD5241器件，满足了电路中电阻阻值实时反应电压变化的要求，有效保证了控制速度和精度。该电路在高频交流环节AC/AC变换系统和不间断电源UPS中具有广泛的应用价值。

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