專利名稱：多功能諧波功率電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種適用于發(fā)電廠、供用電管理和電力建設(shè)等部門校驗(yàn)各種電氣計(jì)量設(shè)備在有諧波狀態(tài)下工作情況的源表一體化諧波功率電源，屬電測(cè)量領(lǐng)域。目前，電力系統(tǒng)有關(guān)部門在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)電能表、變送器和互感器的計(jì)量精度時(shí)，一般均使用標(biāo)準(zhǔn)正弦波作為被測(cè)儀表的電源。但是由于上述設(shè)備往往工作在有諧波的狀態(tài)下，在實(shí)際應(yīng)用中需要一種能夠模擬電力系統(tǒng)中諧波的功率電源，用于電能表、變送器和互感器等電氣計(jì)量設(shè)備在非正弦波工作狀態(tài)下計(jì)量誤差的檢測(cè)。
本實(shí)用新型的目的在于利用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)作為數(shù)據(jù)發(fā)生和數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，通過人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)任意諧波的產(chǎn)生和控制。
本實(shí)用新型由人機(jī)界面(1)、反饋控制器(2)、信號(hào)發(fā)生器(3)、功率放大電路(4)、采樣反饋電路(5)、控制總線(6)和數(shù)據(jù)總線(7)構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)如

圖1。人機(jī)界面(1)將用戶給定的諧波組成和幅值、相位信息輸出至數(shù)據(jù)總線(7)；反饋控制器(2)從數(shù)據(jù)總線(7)輸入給定諧波信息和反饋諧波信息，將比較運(yùn)算得出的諧波信號(hào)串行數(shù)據(jù)及同步基準(zhǔn)信號(hào)通過硬接線輸出到信號(hào)發(fā)生器(3)，將鎖相信號(hào)通過硬接線輸出到采樣反饋電路(5)，并向控制總線(6)輸出控制數(shù)據(jù)；信號(hào)發(fā)生器(3)在同步基準(zhǔn)和串行數(shù)據(jù)的控制下輸出三相諧波電壓電流信號(hào)DVa、DIa、DVb、DIb、DVc、DIc到功率放大電路(4)；功率放大電路(4)在來自控制總線(6)的控制信號(hào)作用下輸出被受控放大的三相諧波電壓電流Va、Ia、Vb、Ib、Vc、Ic；該輸出連接到反饋電路(5)的輸入端，反饋電路(5)在來自控制總線(6)的控制信號(hào)和來自信號(hào)發(fā)生器(3)的鎖相信號(hào)作用下輸出三相諧波電壓電流Va、Ia、Vb、Ib、Vc、Ic的數(shù)字信號(hào)到數(shù)據(jù)總線(7)。
反饋控制器(2)如圖2所示，由雙口存儲(chǔ)器(8)、主控制器(9)、程序存儲(chǔ)器(10)、靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(11)、同步時(shí)基發(fā)生器(12)和采樣鎖相電路(13)組成。雙口存儲(chǔ)器(8)自數(shù)據(jù)總線輸入給定的諧波數(shù)據(jù)，主控制器(9)自數(shù)據(jù)總線(7)輸入雙口存儲(chǔ)器(8)存儲(chǔ)的給定諧波數(shù)據(jù)和來自采樣反饋電路(5)的實(shí)際諧波數(shù)據(jù)，向控制總線(6)輸出控制指令，通過硬接線輸出波形參數(shù)串行數(shù)據(jù)至信號(hào)發(fā)生器(3)，同步時(shí)基發(fā)生器(12)在來自控制總線(6)的控制指令作用下輸出同步基準(zhǔn)至信號(hào)發(fā)生器(3)，采樣鎖相電路(13)在來自控制總線(6)的控制指令作用下輸出鎖相信號(hào)至采樣反饋電路(5)。
信號(hào)發(fā)生器(3)如圖3所示，由數(shù)字信號(hào)處理器(14)、A相電壓信號(hào)串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(15)、A相電流信號(hào)串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(16)、B相電壓信號(hào)串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(17)、B相電流信號(hào)串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(18)、C相電壓信號(hào)串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(19)、C相電流信號(hào)串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(20)、A相電壓信號(hào)并行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(21)、A相電流信號(hào)并行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(22)、B相電壓信號(hào)并行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(23)、B相電流信號(hào)并行數(shù)膜轉(zhuǎn)換器(24)、C相電壓信號(hào)并行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(25)、C相電流信號(hào)并行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(26)、A相電壓信號(hào)數(shù)據(jù)鎖存器(27)、A相電流信號(hào)數(shù)據(jù)鎖存器(28)、B相電壓信號(hào)數(shù)據(jù)鎖存器(29)、B相電流信號(hào)數(shù)據(jù)鎖存器(30)、C相電壓信號(hào)數(shù)據(jù)鎖存器(31)、C相電流信號(hào)數(shù)據(jù)鎖存器(32)及信號(hào)發(fā)生器(3)專用的控制總線(33)和數(shù)據(jù)總線(34)組成。DSP數(shù)字信號(hào)處理器(14)輸入反饋控制器(2)輸出的包含有用戶設(shè)定的各相電壓電流信號(hào)的幅值和相位信息的串行數(shù)據(jù)，通過硬接線輸出6路串行幅值數(shù)據(jù)到對(duì)應(yīng)的三相電壓電流信號(hào)串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(15)～(20)的輸入端，輸出并行波形數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)總線(34)，并輸出控制信號(hào)至控制總線(33)；串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(15)～(20)分別輸出6路電壓模擬信號(hào)到對(duì)應(yīng)的三相電壓電流信號(hào)并行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(21)～(26)的參考電壓輸入端；三相電壓電流信號(hào)數(shù)據(jù)鎖存器(27)～(32)在來自控制總線(33)的控制信號(hào)的作用下，從數(shù)據(jù)總線(34)輸入和存儲(chǔ)并行波形數(shù)據(jù)，并輸出到對(duì)應(yīng)的三相電壓電流信號(hào)并行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(21)～(26)的輸入端；來自反饋控制器(2)的同步基準(zhǔn)信號(hào)通過硬接線加在并行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(21)～(26)的同步信號(hào)輸入端，并行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(21)～(26)輸出三相電壓電流模擬量信號(hào)DVa、DIa、DVb、DIb、DVc、DIc。
功率放大電路(4)如圖4所示，由電壓前置放大濾波電路(35)、電流前置放大濾波電路(36)、電壓功率放大器(37)、電流功率放大器(38)、升壓器(39)和升流器(40)組成。由信號(hào)發(fā)生器(3)產(chǎn)生的三相諧波電壓信號(hào)DIa、DVb、DVc和三相諧波電流信號(hào)DIa、DIb、DIc分別經(jīng)由電壓前置放大濾波電路(35)和電流前置放大濾波電路(36)放大和低通濾波后，其輸出電壓FVa、FVb、FVc和輸出電流FIa、FIb、FIc分別加到電壓功率放大器(37)和電流功率放大器(38)的輸入端，經(jīng)過電壓電流功率放大后的輸出電壓AVa、AVb、AVc和輸出電流AIa、AIb、AIc分別經(jīng)升壓器(39)和升流器(40)在來自控制總線(6)的控制信號(hào)作用下提升為設(shè)定的大電壓輸出Va、Vb,、Vc和大電流輸出Ia、Ib、Ic。
采樣反饋電路(5)如圖5所示，由高精度電壓電流互感器(41)和多路模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(42)組成。功率放大電路(4)產(chǎn)生的三相諧波電壓電流Va,Vb,Vc,Ia,Ib,Ic連接到高精度電壓電流互感器(41)的信號(hào)輸入端，其控制輸入端與控制總線(6)相連，在來自反饋控制器(2)的控制信號(hào)作用下，高精度互感器(41)輸出小電壓電流信號(hào)PVa,PVb,PVc,PIa,PIb,PIc到多路模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(42)的輸入端，來自反饋控制器(2)的鎖相信號(hào)通過硬接線連接到多路模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(42)的鎖相輸入端，其控制輸入端與控制總線(6)相連，多路模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(42)輸出三相諧波電壓電流數(shù)字信號(hào)至數(shù)據(jù)總線(7)。
本實(shí)用新型在信號(hào)發(fā)生部分采用了兩級(jí)數(shù)/模轉(zhuǎn)換，一級(jí)低精度、高速率并行數(shù)/模轉(zhuǎn)換保證波形輸出的速度，另一級(jí)高精度、低速率串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換保證波形輸出的幅值精度。并可以調(diào)整高精度數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸入，實(shí)現(xiàn)波形突變功能。由于在反饋控制部分采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP，提高了FFT的運(yùn)算速度，并經(jīng)優(yōu)化的PID模型，大大提高了控制的魯棒性及諧波源輸出的精度，縮短了輸出穩(wěn)定時(shí)間。本實(shí)用新型采用了模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將電壓、電流的A、B、C三相電路完全分開，為設(shè)計(jì)、調(diào)試以及用戶使用提供了方便。
圖1是本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例。圖2是圖1中反饋控制器(2)的展開原理圖，圖3是圖1中信號(hào)發(fā)生器(3)的展開原理圖。圖4是圖1中功率放大電路(4)的展開原理圖。圖5是圖1中采樣反饋電路(5)的展開原理圖。
在圖1中，人機(jī)界面(1)由鍵盤、液晶顯示器和CPU控制電路80196組成。通過鍵盤輸入諧波的組成、幅值和相位等信息，經(jīng)控制電路80196處理后發(fā)送到反饋控制器(2)，控制電路80196同時(shí)將來自采樣反饋電路(5)經(jīng)數(shù)據(jù)總線(7)傳輸?shù)妮敵鲋C波信息送顯示器顯示。反饋控制器(2)中的主控制器(9)采用數(shù)字信號(hào)處理電路ADSP2181，向信號(hào)發(fā)生器(3)傳遞用戶設(shè)定信息并完成反饋控制，并控制同步時(shí)基發(fā)生器芯片AD9831(圖2中的(12))根據(jù)諧波的基波頻率產(chǎn)生同步基準(zhǔn)脈沖信號(hào)，同步信號(hào)頻率=基波頻率×3600，以實(shí)現(xiàn)基波相位0.1度可調(diào)。信號(hào)發(fā)生器(3)中的數(shù)字信號(hào)處理器(14)采用數(shù)字信號(hào)處理電路ADSP2181。反饋控制器(2)將諧波的幅值、相位等信息通過其主控制器(9)數(shù)字信號(hào)處理電路ADSP2181的串口發(fā)送到信號(hào)發(fā)生器(3)中的數(shù)字信號(hào)處理電路ADSP2181(圖2中的(14))的串口，啟動(dòng)采樣鎖相電路芯片8254和68B40(圖2中的(13))輸出鎖相信號(hào)至采樣反饋電路(5)。信號(hào)發(fā)生器(3)中的數(shù)字信號(hào)處理器(14)將串行的幅值信息分別送到6個(gè)串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路MAX542(圖3中的(15)～(20))的輸入端，其輸出模擬電壓作為6個(gè)并行數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路AD7574(圖3中的(21)～(26))的參考電壓。三相電壓電流諧波的波形及相位信息經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理電路(14)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)總線(34)送至6個(gè)數(shù)據(jù)鎖存器74LS573(圖3中的(27)～(32))鎖存，鎖存的數(shù)據(jù)經(jīng)6個(gè)并行數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路AD7574(圖3中的(21)～(26))轉(zhuǎn)換為三相諧波電壓電流模擬信號(hào)DVa、DIa、DVb、DIb、DVc、DIc輸出至功率放大電路(4)。在功率放大電路(圖4)中，三相電壓模擬信號(hào)DVa、DVb、DVc經(jīng)前置放大電路LM3875和LC低通濾波(35)、電壓功率放大器(37)，再經(jīng)可控升壓器(39)產(chǎn)生本諧波源的三相電壓輸出Va、Vb、Vc；三相電流模擬信號(hào)DIa、DIb、DIc經(jīng)前置放大電路LM3875和LC低通濾波(36)、電流功率放大器(38)，再經(jīng)可控升流器(40)產(chǎn)生本諧波源的三相電流輸出Ia、Ib、Ic。升壓升流后的輸出經(jīng)采樣反饋電路(5)中的電壓電流互感器(41)轉(zhuǎn)換為小電壓電流PVa,PVb,PVc,PIa,PIb,PIc到多路模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(42)的輸入端，來自反饋控制器(2)的鎖相信號(hào)通過硬接線連接到多路模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(42)的鎖相輸入端，其控制輸入端與控制總線(6)相連，多路模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(42)輸出三相諧波電壓電流數(shù)字信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)總線(7)至反饋控制器(2)中的主控制器(9)數(shù)字信號(hào)處理電路ADSP2181，經(jīng)FFT運(yùn)算得到實(shí)際輸出電壓電流的諧波成分，與給定的三相諧波電壓電流數(shù)字信號(hào)比較和PID數(shù)學(xué)模型運(yùn)算后，重新生成電壓、電流的幅值、相位等信息，通過其串口發(fā)送到信號(hào)發(fā)生器(3)。
整個(gè)裝置具有一塊80196CPU板，一塊DSP采樣控制板，三塊信號(hào)發(fā)生板，一塊功率放大板，并將升壓器、升流器、繼電器等集中在機(jī)箱內(nèi)部。面板上裝有鍵盤、液晶顯示器和三相電壓、電流輸出接口，結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便。
權(quán)利要求1．一種多功能諧波功率電源，由人機(jī)界面(1)、反饋控制器(2)、信號(hào)發(fā)生器(3)、功率放大電路(4)、采樣反饋電路(5)、控制總線(6)和數(shù)據(jù)總線(7)構(gòu)成；其特征為反饋控制器(2)從數(shù)據(jù)總線(7)輸入給定諧波信息和反饋諧波信息，將比較運(yùn)算得出的諧波信號(hào)串行數(shù)據(jù)及同步基準(zhǔn)信號(hào)通過硬接線輸出到信號(hào)發(fā)生器(3)，將鎖相信號(hào)通過硬接線輸出到采樣反饋電路(5)，并向控制總線(6)輸出控制數(shù)據(jù)；信號(hào)發(fā)生器(3)在同步基準(zhǔn)和串行數(shù)據(jù)的控制下輸出三相諧波電壓電流信號(hào)DVa、DIa、DVb、DIb、DVc、DIc到功率放大電路(4)；功率放大電路(4)在來自控制總線(6)的控制信號(hào)作用下輸出受控放大的三相諧波電壓電流Va、Ia、Vb、Ib、Vc、Ic；該輸出連接到反饋電路(5)的輸入端，反饋電路(5)在來自控制總線(6)的控制信號(hào)和來自信號(hào)發(fā)生器(3)的鎖相信號(hào)作用下輸出三相諧波電壓電流Va、Ia、Vb、Ib、Vc、Ic的數(shù)字信號(hào)到數(shù)據(jù)總線(7)。
2．如權(quán)利要求1所述的諧波功率電源，其特征為所述反饋控制器(2)由雙口存儲(chǔ)器(8)、主控制器(9)、程序存儲(chǔ)器(10)、靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(11)、同步時(shí)基發(fā)生器(12)和采樣鎖相電路(13)組成；雙口存儲(chǔ)器(8)自數(shù)據(jù)總線輸入給定的諧波數(shù)據(jù)，主控制器(9)自數(shù)據(jù)總線(7)輸入雙口存儲(chǔ)器(8)存儲(chǔ)的給定諧波數(shù)據(jù)和來自采樣反饋電路(5)的實(shí)際諧波數(shù)據(jù)，向控制總線(6)輸出控制指令，通過硬接線輸出波形參數(shù)串行數(shù)據(jù)至信號(hào)發(fā)生器(3)，同步時(shí)基發(fā)生器(12)在來自控制總線(6)的控制指令作用下輸出同步基準(zhǔn)至信號(hào)發(fā)生器(3)，采樣鎖相電路(13)在來自控制總線(6)的控制指令作用下輸出鎖相信號(hào)至采樣反饋電路(5)。
3．如權(quán)利要求1所述的諧波功率電源，其特征為所述信號(hào)發(fā)生器(3)由數(shù)字信號(hào)處理器(14)、A相電壓信號(hào)串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(15)、A相電流信號(hào)串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(16)、B相電壓信號(hào)串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(17)、B相電流信號(hào)串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(18)、C相電壓信號(hào)串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(19)、C相電流信號(hào)串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(20)、A相電壓信號(hào)并行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(21)、A相電流信號(hào)并行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(22)、B相電壓信號(hào)并行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(23)、B相電流信號(hào)并行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(24)、C相電壓信號(hào)并行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(25)、C相電流信號(hào)并行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(26)、A相電壓信號(hào)數(shù)據(jù)鎖存器(27)、A相電流信號(hào)數(shù)據(jù)鎖存器(28)、B相電壓信號(hào)數(shù)據(jù)鎖存器(29)、B相電流信號(hào)數(shù)據(jù)鎖存器(30)、C相電壓信號(hào)數(shù)據(jù)鎖存器(31)、C相電流信號(hào)數(shù)據(jù)鎖存器(32)及信號(hào)發(fā)生器(3)專用的控制總線(33)和數(shù)據(jù)總線(34)組成。數(shù)字信號(hào)處理器(14)輸入反饋控制器(2)輸出的包含有用戶設(shè)定的各相電壓電流信號(hào)的幅值和相位信息的串行數(shù)據(jù)，通過硬接線輸出6路串行幅值數(shù)據(jù)到對(duì)應(yīng)的三相電壓電流信號(hào)串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(15)～(20)的輸入端，輸出并行波形數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)總線(34)，并輸出控制信號(hào)至控制總線(33)；串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(15)～(20)分別輸出6路電壓模擬信號(hào)到對(duì)應(yīng)的三相電壓電流信號(hào)并行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(21)～(26)的參考電壓輸入端；三相電壓電流信號(hào)數(shù)據(jù)鎖存器(27)～(32)在來自控制總線(33)的控制信號(hào)的作用下，從數(shù)據(jù)總線(34)輸入和存儲(chǔ)并行波形數(shù)據(jù)，并輸出到對(duì)應(yīng)的三相電壓電流信號(hào)并行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(21)～(26)的輸入端；來自反饋控制器(2)的同步基準(zhǔn)信號(hào)通過硬接線加在并行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(21)～(26)的同步信號(hào)輸入端，并行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(21)～(26)輸出三相電壓電流模擬量信號(hào)DVa、DIa、DVb、DIb、DVc、DIc。
4．如權(quán)利要求1所述的諧波功率電源，其特征為所述功率放大電路(4)由電壓前置放大濾波電路(35)、電流前置放大濾波電路(36)、電壓功率放大器(37)、電流功率放大器(38)、升壓器(39)和升流器(40)組成。由所述信號(hào)發(fā)生器(3)產(chǎn)生的三相諧波電壓信號(hào)DIa、DVb、DVc和三相諧波電流信號(hào)DIa、DIb、DIc分別經(jīng)由電壓前置放大濾波電路(35)和電流前置放大濾波電路(36)放大和低通濾波后，其輸出電壓FVa、FVb、FVc和輸出電流FIa、FIb、FIc分別加到電壓功率放大器(37)和電流功率放大器(38)的輸入端，經(jīng)過電壓電流功率放大后的輸出電壓AVa、AVb、AVc和輸出電流AIa、AIb、AIc分別經(jīng)升壓器(39)和升流器(40)在來自控制總線(6)的控制信號(hào)作用下提升為設(shè)定的大電壓輸出Va、Vb，、Vc和大電流輸出Ia、Ib、Ic。
5．如權(quán)利要求1所述的諧波功率電源，其特征為所述采樣反饋電路(5)由高精度電壓電流互感器(41)和多路模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(42)組成。功率放大電路(4)產(chǎn)生的三相諧波電壓電流Va,Vb,Vc,Ia,Ib,Ic連接到高精度電壓電流互感器(41)的信號(hào)輸入端，其控制輸入端與控制總線(6)相連，在來自反饋控制器(2)的控制信號(hào)作用下，高精度電壓電流互感器(41)輸出小電壓電流信號(hào)PVa,PVb,PVc,PIa,PIb,PIc到多路模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(42)的輸入端，來自反饋控制器(2)的鎖相信號(hào)通過硬接線連接到多路模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(42)的鎖相輸入端，其控制輸入端與控制總線(6)相連，多路模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(42)輸出三相諧波電壓電流數(shù)字信號(hào)至數(shù)據(jù)總線(7)。
專利摘要一種適用于發(fā)電廠、供用電管理和電力建設(shè)等部門校驗(yàn)各種電氣計(jì)量設(shè)備在有諧波狀態(tài)下工作情況的源表一體化諧波功率電源,利用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)作為數(shù)據(jù)發(fā)生和數(shù)據(jù)采集反饋控制系統(tǒng),通過人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)任意諧波的產(chǎn)生和高精度控制和顯示,可以方便地用于電能表、變送器和互感器等電氣計(jì)量設(shè)備在非正弦波工作狀態(tài)下計(jì)量誤差的檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01R35/00GK2458635SQ0025381
公開日2001年11月7日 申請(qǐng)日期2000年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月16日
發(fā)明者高大智, 章社砥, 汪懷明 申請(qǐng)人:北京超科力源電力技術(shù)有限公司