無鎖相環(huán)電壓全周期過零檢測電路的仿真與設(shè)計

1序言

隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，作為電網(wǎng)凈化器之一的靜止型無功功率補(bǔ)償器(簡稱SVC)的應(yīng)用無論在國外還是國內(nèi)都得到了長足的進(jìn)步[1]。而作為靜止型無功功率發(fā)生器的中央處理器的檢測信號之一，交流電網(wǎng)電壓過零點的準(zhǔn)確檢測變得異常關(guān)鍵，因為其值的確定直接決定著系統(tǒng)計算的電網(wǎng)電壓頻率的跟蹤效果和補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)的時間，進(jìn)而直接影響到靜止型無功功率補(bǔ)償器對電網(wǎng)補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確性和實時性，即同步性。

本文充分利用現(xiàn)代電子電路設(shè)計軟件的方便條件，在Protel 99SE仿真分析的基礎(chǔ)之上，設(shè)計了一種無鎖相環(huán)的交流電壓全周期過零檢測電路，不僅設(shè)計簡單，而且其準(zhǔn)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(huán)電壓全周期過零檢測電路原理

為了達(dá)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(jù)過零點和頻率就可以跟蹤輸入的電源電壓的相位，實現(xiàn)同步輸入。以三相交流低壓電網(wǎng)的A相電壓為例，當(dāng)電源電壓經(jīng)電壓互感器處理后，由負(fù)到正經(jīng)過的正過零點(或由正到負(fù)經(jīng)過的負(fù)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(fù)半周期產(chǎn)生的2個正方波以及正過零點與負(fù)過零點時產(chǎn)生的2個正脈沖指令信號，提供給CPU計算，以達(dá)到跟蹤電網(wǎng)電壓頻率的同步目的。對于靜止型無功功率補(bǔ)償器，就可以發(fā)出同步補(bǔ)償指令，達(dá)到補(bǔ)償電網(wǎng)無功功率、抑制電網(wǎng)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(shè)計電路，實時檢測電壓過零點，分別在電壓正、負(fù)半周及正、負(fù)過零點發(fā)出正方波和正脈沖信號，提供給CPU作為電源電壓同步基準(zhǔn)信號，使系統(tǒng)實時跟蹤電源電壓頻率的變化。

3檢測主電路設(shè)計

根據(jù)無鎖相環(huán)電壓全周期過零檢測電路原理，利用Protel 99SE電子電路設(shè)計[2]軟件，添加系統(tǒng)仿真庫sim．ddb，調(diào)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(jīng)過電路運算放大器、比較器等參數(shù)的設(shè)計計算[3]后，設(shè)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(shè)為3．889 V，頻率為50 Hz，初相角為0。，電源電壓經(jīng)過RC電路處理后，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)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(shè)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(shù)如圖2中所標(biāo)注值。

4仿真與實驗結(jié)果

應(yīng)用Protel 99SE，在Simulate菜單下的Setup中設(shè)置系統(tǒng)仿真參數(shù)：

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(jié)果輸出波形。

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

系統(tǒng)其他參數(shù)設(shè)置采用默認(rèn)值。運行仿真命令RunAnalyses后，仿真結(jié)果如圖3所示。

其中，pul_n和：pul_p分別為參考電壓負(fù)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(fù)半周期輸出的正脈沖信號，幅值為3．889 V。

圖4為實際系統(tǒng)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(jié)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(fù)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(fù)過零點檢測輸出的正脈沖波形。

經(jīng)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(shè)計是以單相電壓電路檢測為例的，只需要將電路重復(fù)畫出3組就構(gòu)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(bǔ)償器采用全周期電壓過零檢測電路作為系統(tǒng)電壓同步參考信號后的系統(tǒng)參考電壓和無功補(bǔ)償后系統(tǒng)的電流波形。實驗中，裝置所帶模擬負(fù)載為晶閘管整流器，由文獻(xiàn)[1]可以知道系統(tǒng)負(fù)載電流為非線性周期脈動的方波，系統(tǒng)電流波形畸變比較嚴(yán)重，而圖5所示的電流補(bǔ)償效果較好，基本為正弦波。

5結(jié)語

本文提出了一種無鎖相環(huán)實現(xiàn)的電壓全周期過零檢測電路，利用Protel 99SE強(qiáng)大的電路仿真功能，設(shè)計、計算和調(diào)整了電路及參數(shù)，通過實做電路和仿真結(jié)果對比，驗證了所設(shè)計電路的正確性，通過系統(tǒng)的無功功率補(bǔ)償效果圖，驗證了所設(shè)計電路的可行性。