高頻交流環節AC/AC變頻變換系統基準正弦電路研究

1 新穎的變頻變換系統
新穎的高頻交流環節AC／AC變頻變換系統，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、輸出周波變換器構成，能夠將一種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、無音頻噪音等優點，是實現新型變頻電源的關鍵技術基礎。

圖1所示變換系統中，輸出電壓。u0總是跟蹤基準正弦電壓ur山的。如果基準正弦電壓ur與輸入電網電壓ui的n倍頻或n分頻信號不同步，當輸入電網電壓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調節器輸出飽和，那么輸出電壓u0就無法跟蹤基準正弦電壓ur，輸出電壓u0波形就產生了畸變，仿真波形如圖2(a)所示；如果基準正弦電壓ur與輸入電網電壓ui的n倍頻或n分頻信號同步，即基準正弦電壓ur與輸入電網電壓ui的過零點重合，則不會產生上述PI調節器輸出飽和現象，輸出電壓u0能很好地跟蹤基準正弦電壓ur，仿真波形如圖2(b)所示。圖2中，ui為輸入電網電壓，u0為輸出電壓，ue為Pl調節器輸出電壓。

因此，基準正弦電壓ur與輸入電網電壓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字化技術、與電網電壓n倍頻或n分頻信號同步的基準正弦電路，并給出了關鍵電路參數設計準則和試驗結果。

2 與電網電壓n倍頻或n分頻信號同步的基準正弦電路構成與原理
2.1 基準正弦電路構成
與電網電壓n倍頻或n分頻信號同步的基準正弦電路，由電網電壓取樣和正弦波／方波轉換電路、倍頻電路或分頻電路、時鐘信號形成電路(包括鎖相環和分頻電路)、相位同步電路(即地址發生器清零信號形成電路)、正弦波幅值和極性控制電路、正弦波產生電路(包括EPROM、D／A轉換電路和運放)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)得到基準電壓方波信號，輸入到鎖相環，鎖相環輸出信號經爪分頻電路(如m=450)后再送回鎖相環，作為基準電壓方波信號的比較信號。當鎖相環處于鎖定狀態時，鎖相環輸出頻率為基準電壓方波信號m倍的時鐘信號。該時鐘信號送入地址發生器，然后依次讀取出事先固化在EPROM中的數字化的標準正弦信號，再經過D／A轉換和運放，變換成與基準電壓方波信號同步的基準正弦電壓。
2.2 基準正弦電路原理
與電網電壓8倍頻信號同步的基準正弦電路的各環節電路，如圖4所示。

電網電壓取樣與正弦波／方波轉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R1和C1，并通過與非門產生輸出方波。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，再經與非門也產生輸出方波，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級電路串聯得到8倍頻方波信號即基準電壓方波信號。
時鐘信號形成電路，如圖4(b)所示。將基準電壓方波信號輸入鎖相環，由鎖相環輸出電路所需的時鐘信號。在鎖相環的鎖定狀態下，該時鐘信號頻率為基準電壓方波信號頻率的450倍。該時鐘信號經分頻器4520和40175實現450分頻，所得信號作為鎖相環的比較信號。將此時鐘信號送入地址發生器4040。
相位同步電路即4040清零信號的形成電路，如圖4(c)所示。將基準方波電壓信號及其經過與非門4011后的反相信號一起送人單穩態觸發器4528，經或門407l后得到4040的清零信號，以實現4040的225分頻計數，從而保證對EPROM中數據的正確讀取，以及數據經D／A轉換后與正弦波正負半周極性控制信號嚴格對應。
正弦波幅值和極性控制電路由運放LF353與模擬開關4066及外圍電阻R6、R7、R8組成，如圖4(d)所示。取R6=R7=R8，則該電路實質是一個單位增益放大器。由于4066控制信號為基準電壓方波信號，則LF353輸出雙極性方波信號。該雙極性方波信號作為模數轉換器DAC0832的參考電壓信號，且與所需要產生的基準正弦電壓同相。通過調節電位器，可以調節基準正弦電壓的幅值。
正弦波產生電路由地址發生器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據表存入EPROM中。EPROM中存入的數據表的計算式為

式中：i=0，1，2，3，4……224；225為FFH對應的十進制數。
鎖相環輸出的時鐘信號輸入到地址發生器4040，4040順序掃描存入EPROM中的數據表，則代表正弦波幅值的8位二進制數被送到DAC0832，將數字量轉換成模擬量輸出。周而復始，產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，構成D／A轉換器。

3 關鍵電路參數設計
鎖相環CD4046B是整個電路關鍵器件之一，其鎖定范圍和外圍電阻R4、R5和電容C4有很大關系。R3和C3構成了鎖相環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的設計
當無須R5的補償，即R5為無窮大時，鎖相環的輸出頻率范圍從零到最高輸出頻率fomax，且

此時fomin=0。在特定的使用狀態下，若要限制鎖相環的輸出頻率范圍，可通過R5的補償作用來實現。鎖相環輸出頻率fo的估算式為

式中： V1為鎖相環壓控振蕩器的輸入信號(即CD4046腳9的電平)，其幅值正比于基準電壓方波信號和鎖相環比較信號之間的相位差；VGS和VTP分別為鎖相環內部MOS管的柵一源極壓降和柵極的開啟閾值電平；VD為鎖相環工作電壓。
因為本電路要求鎖相環的輸出頻率經過450分頻后為400Hz，即鎖相環必須鎖定在180000Hz附近，故可取R4=10kΩ，R5=∞，C4=1000pF。
3.2 CD4046B低通濾波器R3、C3的設計
適當選擇R3和C3，對改善環路捕捉性能及工作穩定性很有作用。若取較大的時間常數R3C3，則會使環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R3C3，則會使環路跟蹤快速變化的輸入信號時，引起鎖相環輸出頻率的反常變化。綜合考慮，選擇R3=100kΩ，C3=2μF。

4 基準正弦電路設計實例與試驗
與電網電壓8倍頻信號同步的基準正弦電路設計實例：輸入電壓=220(110％)V 50Hz，基準輸出電壓=0~15V(峰值)400Hz，鎖相環芯片CD4046B，地址發生器4040，EPROM27C64，數模轉換芯片DAC0832，分頻器4520及40175，單穩態觸發器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。
設計并研制成功的與電網電壓8倍頻信號同步的基準正弦電路試驗結果，如圖5所示。由圖5可見，該基準正弦電路具有輸出電壓與電網電壓8倍頻信號同步、THD小、幅值可調但不受電網電壓波動的影響等優點。試驗結果與理論分析一致。

5 結語
1)高頻交流環節AC／AC變頻變換系統基準正弦電壓必須與電網電壓的n倍頻或n分頻信號同步。
2)與電網電壓n倍頻或n分頻信號同步的基準正弦電路，由電網電壓取樣和正弦波／方波轉換電路、倍頻或分頻電路、時鐘信號產生電路、相位同步電路、正弦波幅值和極性控制電路、正弦波產生電路等6個部分構成。
3)該基準正弦電路具有與電網電壓n倍頻或n分頻同步、THD小、幅值可調但不受電網電壓波動的影響、簡單實用、價格低廉等優點。
4)試驗結果與理論分析一致。