高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變頻變換系統(tǒng)基準(zhǔn)正弦電路研究

1 新穎的變頻變換系統(tǒng)
新穎的高頻交流環(huán)節(jié)AC／AC變頻變換系統(tǒng)，如圖1所示。該電路由輸入周波變換器、高頻變壓器或高頻儲能式變壓器、輸出周波變換器構(gòu)成，能夠?qū)⒁环N頻率的交流電變換成另一種頻率的交流電，具有兩級功率變換(LFAC／HFAC／LFAC)、變換效率高、雙向功率流、高頻電氣隔離、無音頻噪音等優(yōu)點，是實現(xiàn)新型變頻電源的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。

圖1所示變換系統(tǒng)中，輸出電壓。u0總是跟蹤基準(zhǔn)正弦電壓ur山的。如果基準(zhǔn)正弦電壓ur與輸入電網(wǎng)電壓ui的n倍頻或n分頻信號不同步，當(dāng)輸入電網(wǎng)電壓ui很小(如過零點)、且要得到較大的輸出電壓u0時，則要求PWM信號占空比很大，從而使PI調(diào)節(jié)器輸出飽和，那么輸出電壓u0就無法跟蹤基準(zhǔn)正弦電壓ur，輸出電壓u0波形就產(chǎn)生了畸變，仿真波形如圖2(a)所示；如果基準(zhǔn)正弦電壓ur與輸入電網(wǎng)電壓ui的n倍頻或n分頻信號同步，即基準(zhǔn)正弦電壓ur與輸入電網(wǎng)電壓ui的過零點重合，則不會產(chǎn)生上述PI調(diào)節(jié)器輸出飽和現(xiàn)象，輸出電壓u0能很好地跟蹤基準(zhǔn)正弦電壓ur，仿真波形如圖2(b)所示。圖2中，ui為輸入電網(wǎng)電壓，u0為輸出電壓，ue為Pl調(diào)節(jié)器輸出電壓。

因此，基準(zhǔn)正弦電壓ur與輸入電網(wǎng)電壓ui的n倍頻或n分頻信號必須同步。本文提出并深入研究了一類全數(shù)字化技術(shù)、與電網(wǎng)電壓n倍頻或n分頻信號同步的基準(zhǔn)正弦電路，并給出了關(guān)鍵電路參數(shù)設(shè)計準(zhǔn)則和試驗結(jié)果。

2 與電網(wǎng)電壓n倍頻或n分頻信號同步的基準(zhǔn)正弦電路構(gòu)成與原理
2.1 基準(zhǔn)正弦電路構(gòu)成
與電網(wǎng)電壓n倍頻或n分頻信號同步的基準(zhǔn)正弦電路，由電網(wǎng)電壓取樣和正弦波／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)、正弦波幅值和極性控制電路、正弦波產(chǎn)生電路(包括EPROM、D／A轉(zhuǎn)換電路和運放)等6個部分組成，如圖3所示。

其基本思想是先將電網(wǎng)電壓ui變換成一個與其同步的電壓方波信號，將電壓方波信號n倍頻后(如n=8)得到基準(zhǔn)電壓方波信號，輸入到鎖相環(huán)，鎖相環(huán)輸出信號經(jīng)爪分頻電路(如m=450)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。該時鐘信號送入地址發(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)正弦信號，再經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換和運放，變換成與基準(zhǔn)電壓方波信號同步的基準(zhǔn)正弦電壓。
2.2 基準(zhǔn)正弦電路原理
與電網(wǎng)電壓8倍頻信號同步的基準(zhǔn)正弦電路的各環(huán)節(jié)電路，如圖4所示。

電網(wǎng)電壓取樣與正弦波／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。
倍頻電路，如圖4(a)所示。電路中，R1和C1組成微分電路，輸入方波信號前沿經(jīng)R1和C1，并通過與非門產(chǎn)生輸出方波。與此同時，輸入方波信號后沿通過反相器和R2和C2微分電路，再經(jīng)與非門也產(chǎn)生輸出方波，于是在與非門輸出端得到的是倍頻方波信號。上述一級電路得到倍頻，3級電路串聯(lián)得到8倍頻方波信號即基準(zhǔn)電壓方波信號。
時鐘信號形成電路，如圖4(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450倍。該時鐘信號經(jīng)分頻器4520和40175實現(xiàn)450分頻，所得信號作為鎖相環(huán)的比較信號。將此時鐘信號送入地址發(fā)生器4040。
相位同步電路即4040清零信號的形成電路，如圖4(c)所示。將基準(zhǔn)方波電壓信號及其經(jīng)過與非門4011后的反相信號一起送人單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器4528，經(jīng)或門407l后得到4040的清零信號，以實現(xiàn)4040的225分頻計數(shù)，從而保證對EPROM中數(shù)據(jù)的正確讀取，以及數(shù)據(jù)經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換后與正弦波正負(fù)半周極性控制信號嚴(yán)格對應(yīng)。
正弦波幅值和極性控制電路由運放LF353與模擬開關(guān)4066及外圍電阻R6、R7、R8組成，如圖4(d)所示。取R6=R7=R8，則該電路實質(zhì)是一個單位增益放大器。由于4066控制信號為基準(zhǔn)電壓方波信號，則LF353輸出雙極性方波信號。該雙極性方波信號作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器DAC0832的參考電壓信號，且與所需要產(chǎn)生的基準(zhǔn)正弦電壓同相。通過調(diào)節(jié)電位器，可以調(diào)節(jié)基準(zhǔn)正弦電壓的幅值。
正弦波產(chǎn)生電路由地址發(fā)生器4040、EPROM27C64、DAC0832和LF353組成，如圖4(c)所示。其核心是EPROM27C64和DAC0832。考慮到DAC0832的極性控制功能，可事先將半周期正弦波進行225分頻離線采樣，算好其幅值后按序排成數(shù)據(jù)表存入EPROM中。EPROM中存入的數(shù)據(jù)表的計算式為

式中：i=0，1，2，3，4……224；225為FFH對應(yīng)的十進制數(shù)。
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，則代表正弦波幅值的8位二進制數(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)生一串階梯正弦波形。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。

3 關(guān)鍵電路參數(shù)設(shè)計
鎖相環(huán)CD4046B是整個電路關(guān)鍵器件之一，其鎖定范圍和外圍電阻R4、R5和電容C4有很大關(guān)系。R3和C3構(gòu)成了鎖相環(huán)CD4046B的外接低通濾波器。
3.1 CD4046B的外接電阻R4、R5和外接電容C4的設(shè)計
當(dāng)無須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=0。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為鎖相環(huán)壓控振蕩器的輸入信號(即CD4046腳9的電平)，其幅值正比于基準(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管的柵一源極壓降和柵極的開啟閾值電平；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450分頻后為400Hz，即鎖相環(huán)必須鎖定在180000Hz附近，故可取R4=10kΩ，R5=∞，C4=1000pF。
3.2 CD4046B低通濾波器R3、C3的設(shè)計
適當(dāng)選擇R3和C3，對改善環(huán)路捕捉性能及工作穩(wěn)定性很有作用。若取較大的時間常數(shù)R3C3，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)R3C3，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=100kΩ，C3=2μF。

4 基準(zhǔn)正弦電路設(shè)計實例與試驗
與電網(wǎng)電壓8倍頻信號同步的基準(zhǔn)正弦電路設(shè)計實例：輸入電壓=220(110％)V 50Hz，基準(zhǔn)輸出電壓=0~15V(峰值)400Hz，鎖相環(huán)芯片CD4046B，地址發(fā)生器4040，EPROM27C64，數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832，分頻器4520及40175，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器4528，C1=C2=100nF，C3=2μF，c3=1000nF。R1及R2用電位器504，R3=100kΩ，R4=10kΩ。R5=∞，R6=R7=R8=150kΩ。
設(shè)計并研制成功的與電網(wǎng)電壓8倍頻信號同步的基準(zhǔn)正弦電路試驗結(jié)果，如圖5所示。由圖5可見，該基準(zhǔn)正弦電路具有輸出電壓與電網(wǎng)電壓8倍頻信號同步、THD小、幅值可調(diào)但不受電網(wǎng)電壓波動的影響等優(yōu)點。試驗結(jié)果與理論分析一致。

5 結(jié)語
1)高頻交流環(huán)節(jié)AC／AC變頻變換系統(tǒng)基準(zhǔn)正弦電壓必須與電網(wǎng)電壓的n倍頻或n分頻信號同步。
2)與電網(wǎng)電壓n倍頻或n分頻信號同步的基準(zhǔn)正弦電路，由電網(wǎng)電壓取樣和正弦波／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、正弦波幅值和極性控制電路、正弦波產(chǎn)生電路等6個部分構(gòu)成。
3)該基準(zhǔn)正弦電路具有與電網(wǎng)電壓n倍頻或n分頻同步、THD小、幅值可調(diào)但不受電網(wǎng)電壓波動的影響、簡單實用、價格低廉等優(yōu)點。
4)試驗結(jié)果與理論分析一致。