無鎖相環電壓全周期過零檢測電路的仿真與設計

1序言

隨著電力電子技術的迅猛發展，作為電網凈化器之一的靜止型無功功率補償器(簡稱SVC)的應用無論在國外還是國內都得到了長足的進步[1]。而作為靜止型無功功率發生器的中央處理器的檢測信號之一，交流電網電壓過零點的準確檢測變得異常關鍵，因為其值的確定直接決定著系統計算的電網電壓頻率的跟蹤效果和補償電流注入電網的時間，進而直接影響到靜止型無功功率補償器對電網補償的準確性和實時性，即同步性。

本文充分利用現代電子電路設計軟件的方便條件，在Protel 99SE仿真分析的基礎之上，設計了一種無鎖相環的交流電壓全周期過零檢測電路，不僅設計簡單，而且其準確性也得到了實驗的驗證，有一定的實用價值。同時，以 Protel 99SE為電路仿真的手段有一定實際意義。

2無鎖相環電壓全周期過零檢測電路原理

為了達到與電源電壓同步的目的，除了可以使用鎖相同步電路外，還可以實時檢測電源電壓的過零點和頻率，根據過零點和頻率就可以跟蹤輸入的電源電壓的相位，實現同步輸入。以三相交流低壓電網的A相電壓為例，當電源電壓經電壓互感器處理后，由負到正經過的正過零點(或由正到負經過的負過零點)時，向CPU傳送電壓過零點檢測的信號，即分別為電壓正半周期和負半周期產生的2個正方波以及正過零點與負過零點時產生的2個正脈沖指令信號，提供給CPU計算，以達到跟蹤電網電壓頻率的同步目的。對于靜止型無功功率補償器，就可以發出同步補償指令，達到補償電網無功功率、抑制電網諧波電流的目的。

交流電壓全周期過零檢測電路框圖如圖1所示。

在檢測電路中，采用電壓運算放大器設計電路，實時檢測電壓過零點，分別在電壓正、負半周及正、負過零點發出正方波和正脈沖信號，提供給CPU作為電源電壓同步基準信號，使系統實時跟蹤電源電壓頻率的變化。

3檢測主電路設計

根據無鎖相環電壓全周期過零檢測電路原理，利用Protel 99SE電子電路設計[2]軟件，添加系統仿真庫sim．ddb，調用仿真庫中的器件，包括電壓運算放大器LM324、電阻、1N4148系列二極管、電容、交直流電源和參考地信號等元器件，經過電路運算放大器、比較器等參數的設計計算[3]后，設計出交流電壓全周期過零檢測電路仿真原理圖，如圖2所示。

其中，Source為模擬交流電源的A相輸入相電壓，幅值設為3．889 V，頻率為50 Hz，初相角為0。，電源電壓經過RC電路處理后，設置網絡標號PTA作為模擬電壓互感器處理后的參考交流正弦過零檢測電壓(實際設計中電壓互感器變比為80：1)。直流電壓VCC和VEE分別為+15 V和-15 v，作為運算放大器LM324．的工作電壓。其余的電阻和電容元件參數如圖2中所標注值。

4仿真與實驗結果

應用Protel 99SE，在Simulate菜單下的Setup中設置系統仿真參數：

在General選項中，從被選信號Available Signals中選擇PTA，Pul_P，Pul_N，Squ_P,Squ_N等作為待觀測信號Active Signals，在Sim View Setup中選擇待觀測信號作為要顯示的仿真結果輸出波形。

在Transient/Fourier選項下，選中暫態分析Transi-ent Ana設置仿真起止時間，分別為0和100 ms，設置步長為400μs，仿真結果顯示5個周期的波形，每個周期波形取50點顯示。

系統其他參數設置采用默認值。運行仿真命令RunAnalyses后，仿真結果如圖3所示。

其中，pul_n和：pul_p分別為參考電壓負過零點和正過零點輸出的正脈沖信號，幅值為4．355 V，Squ_P和Squ_N分別為參考電壓正半周期和負半周期輸出的正脈沖信號，幅值為3．889 V。

圖4為實際系統中A相參考電壓過零檢測輸出的方波和脈沖波形圖幅值與仿真結果相同。其中，圖(A)為參考電壓正半周期輸出的正方波的波形，圖(B)為參考電壓負半周期輸出的正方波的波形，圖(C)為參考電壓正過零點檢測輸出的正脈沖波形，圖(D)為參考電壓負過零點檢測輸出的正脈沖波形。

經過圖3與圖4波形的對比，可以看出，實做電路的過零檢測效果比較理想。

以上分析、設計是以單相電壓電路檢測為例的，只需要將電路重復畫出3組就構成了三相交流電源電壓的過零檢測電路。

圖5為靜止型無功功率補償器采用全周期電壓過零檢測電路作為系統電壓同步參考信號后的系統參考電壓和無功補償后系統的電流波形。實驗中，裝置所帶模擬負載為晶閘管整流器，由文獻[1]可以知道系統負載電流為非線性周期脈動的方波，系統電流波形畸變比較嚴重，而圖5所示的電流補償效果較好，基本為正弦波。

5結語

本文提出了一種無鎖相環實現的電壓全周期過零檢測電路，利用Protel 99SE強大的電路仿真功能，設計、計算和調整了電路及參數，通過實做電路和仿真結果對比，驗證了所設計電路的正確性，通過系統的無功功率補償效果圖，驗證了所設計電路的可行性。