四象限整流同步信号处理电路的设计_丁丽娜.pdf

第 25 卷第 12 期Vol 25No 12重 庆 理 工 大 学 学 报(自然科学)Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)2011 年 12 月Dec 2011收稿日期:2011 09 11基金项目:辽宁省海洋与渔业厅项目(2011003);辽宁省教育厅科研项目(L2010073)作者简介:丁丽娜(1977)，女，硕士，主要从事电力电子与电力传动研究。四象限整流同步信号处理电路的设计丁丽娜，李向军，谷军(大连海洋大学 信息工程学院，大连116023)摘要:依据四象限脉冲整流技术的特点，介绍了四象限整流器的运行原理，设计出一种新的网压、网流同步信号处理电路。对电路设计方案及结构的合理性进行了讨论，同时对电路参数进行了详细分析和计算，在此基础上对该信号处理电路进行了仿真和现场试验，对比分析表明该信号处理电路有效可行。该电路能够较好地解决电网电压、电流信号采集的同步性，又能够有效地滤除工频以外的谐波信号干扰，使四象限脉冲整流器能够稳定运行。关键词:四象限整流;同步信号;MFB 带通滤波中图分类号:TM92文献标识码:A文章编号:1674 8425(2011)12 0069 05Design of Sync Signal Processing Circuit for Four-quardant RectifierDING Li-na，LI Xiang-jun，GU Jun(School of Information Engineering，Dalian Ocean University，Dalian 116023，China)Abstract:according to the characteristic of four-quardant rectifier，briefly described the operationprinciple of four-quadrant rectifier A new grid voltage and current sync-signal processing circuit wasdesigned The circuit design and the rationality of the structure were discussed，at the same time theparameters of the circuit was analyzed and calculated in detail On the basis of the signal processingcircuit，simulation and test were carried out The contrast analysis showed that the signal processingcircuit was effective and feasible This circuit not only can solve the grid voltage and current signalacquisition synchronization，but also effectively filter out signal interference except frequency，makingthe four-quadrant rectifier to stable operationKey words:four-quardant rectifier;Sync signal;MFB ban-pass filter普通的变流器大都采用二极管整流桥或晶闸管整流，将交流电转化为直流电，然后采用 IGBT逆变技术将直流电转化为电压、频率皆可调整的交流电，供电给交流电动机。这种变流器只能工作在电动状态，所以称为两象限变流器。由于两象限变流器采用不可控的整流桥，无法实现能量的双向流动，且在一些大功率应用中，二极管整流及晶闸管整流会对电网产生严重的谐波污染。IGBT 功率模块可以实现能量的双向流动，如果采用 IGBT 做整流桥，用高速、高运算能力的 DSP 产生 PWM 控制脉冲，一方面可以调整输入的功率因数，消除对电网的谐波污染，让变流器真正成为“绿色产品”，另一方面可以将电动机回馈产生的能量反送到电网，达到节能效果。这种控制算法可以实现能量的双向流动，称为四象限变流器。为了使四象限整流稳定运行，要求采集的电网电压、电流信号与送入 CPU 处理的电压、电流信号在严格意义上同步，同步的关键是要实现相位和频率的同步，而频率的同步容易满足，还需要相位同步。同步电压、电流信号的处理不仅要考察滤波处理电路的性能，还要特别关注滤波处理电路对信号相位的影响。本文设计一种新型的同步信号处理电路，由 2个 MFB 带通滤波电路构成，该电路能较好地解决上述问题。1四象限整流器的运行原理图 1 为四象限整流器的模型电路。从图 1 中可以看出:模型电路由交流回路、功率开关桥路以及直流回路组成。其中交流回路包括交流电动势e 以及网侧电感 L 等;直流回路包括负载电阻 RL及负载电势 eL等;功率开关桥路可由电压型或电流型桥路组成(这里多采用全控型器件 IGBT)1。当不计功率桥路损耗时，由交、直流侧功率平衡关系得到iu=udcidc(1)式中:u、i 为模型电路交流侧电压、电流;idc、udc为模型电路直流侧电压、电流。由式(1)不难理解:通过模型电路交流侧的控制，可以控制其直流侧。其中交流侧电感吸收无功功率是由直流侧提供的，也就是说整流器需要有反馈能力。四象限脉冲整流器能够执行脉宽调制和能量变换，即整流和反馈 2 方面功能。作为电力牵引用的整流器，实现牵引、制动状态下的前进、后退 4 种工况，因此可以实现 PWM 整流器四象限运行。图 1四象限整流器模型电路要实现整流器的四象限运行，关键在于网侧电流的控制。一方面，可以通过控制 PWM 整流器交流电压，间接控制网侧电流;另一方面，也可以通过网侧电流的闭环控制，直接控制整流器的网侧电流。这 2 种控制方案都涉及到了对网侧电压或电流信号的同步及信号处理的问题。同步电路在系统中起 2 个作用:测量电网电压的频率;提供电网电压初始相位时刻。这二者是实现系统交流电流跟踪电网电压并与之同频同相的必要条件，因此同步电路的设计是不是合理非常关键。2同步信号处理电路设计方案网侧的同步信号需要通过同步变压器进行采集，变压器原边连接至电网，从电网中采样 220V电压信号，从同步变压器的副边引出电路信号，由于电网电压往往包含其他的高频和低频成分，所以要得到与电网电压同频同相的信号，必须进行滤波。电流信号的采样可通过电流检测电路实现。目前，常用的电网电压、电流采样电路多采用1 个 MFB 带通滤波电路，电网电压的频率设定为带通滤波电路的中心频率。理论上该方法完全可以实现电压、电流的同步，但实际上，由于电网电压频率波动及硬件电路元器件的精度对该电路的同步效果影响较大，最终影响了四象限整流的控制效果。本文设计的四象限脉冲整流器的同步信号处07重 庆 理 工 大 学 学 报理电路，在单个带通滤波器的基础上采用 2 个带通滤波器级联而成，电路原理如图 2 所示。图 2同步信号处理电路该电路由 MFB 带通滤波器 1、2 构成，MFB 带通滤波器 1 选择中心频率小于 50 Hz，MFB 带通滤波器 2 选择中心频率大于 50 Hz，MFB 带通滤波器2 用于补偿 MFB 带通滤波器 1 超前的相位。频率50 Hz 的电网电压、电流信号经处理后得到幅值较小的交流电压信号，经 2 个 MFB 带通滤波电路处理后，可以得到同相位的电压电流信号，该滤波电路可以有效地滤除 50 Hz 以外的其他频率的谐波干扰信号。从电路中可以知道，2 个带通滤波器的拓扑结构完全相同，只要各个参数选择适当，信号经过 2 次滤波后，不但滤除了谐波，波形接近正弦而且没有相位移，最终实现输出信号的相位同步。3参数设计计算MFB 带通滤波器的传递函数为2，4 5 VOUTVIN=AV0QSS2+0Q+02=0SS2+0S+02式中:AV为静态增益;Q 为品质因数;0为输入信号中心角频率;VIN、VOUT分别为带通滤波器的输入、输出信号。由图 2 可得到元件值与参数、有如下关系:R1=10C1R2=C1()+C20R3=101C1+1C()2(3)其中:C11f0F;C2C1()。R5、R6、R7的计算方法同式(3)。本文设计的带通滤波器 1，通带范围:38 42Hz;AV=3;C1=C2=220 nF;中心频率为 40 Hz;带宽 WH=4;品质因数 Q=10。由式(3)可以计算出R1、R2、R3的值。带通滤波器 1 的传递函数A(s)=AV0XQSS2+0QS+20频率特性A(j)=AV0Qjj()2+0Qj+20=3 4010 2 50 j2 4010 2 50 j+(402 502)(2)2相频特性1()=90 arctan g2 4010 2 50(402 502)(2)2=90 arctan(29)带通滤波器 1 的幅频、相频曲线如图 3 所示。图 3带通滤波器 1 幅频、相频特性带通滤波器 2 的中心频率为 60 Hz;放大倍数AV=3;C3=C4=220 nF。17丁丽娜，等:四象限整流同步信号处理电路的设计其频率特性:A(j)=AV0Qjj()2+0Qj+20=3 2 60Q 2 50 j2 60Q 2 50 j+(602 502)(2)2相频特性:2()=90 arctan g2 60Q 2 50(602 502)(2)2为了使带通滤波器的输入、输出信号相位保持同相，要求 2 个带通滤波的相位偏移相互抵消，则根据下面的公式:2 60Q 2 50(602 502)(2)2=2/9可以得到:带通滤波器 2 的品质因数 Q=12.273;通带 WH=4.888 8;通 带 范 围 为 59.555 6 62.222 2。由式(3)同样可以计算出 R5、R6、R7。4仿真结果及分析为了验证该电路模型的正确性及该算法的有效性，用 ORCAD/Pspice 电路仿真软件对计算后的电路参数进行仿真10 11，输入信号 V1=12 V，频率 50 Hz，输出信号为 V2，仿真结果如图 4 所示。图 4输入、输出波形图 4 给出了输入、输出的仿真波形，图 5 给出了此仿真波形放大后上升沿及下降沿的波形。由图 5 可以看出:输入、输出波形上升沿及下降沿的相位差都约为 2 s，且波形对称。由此得出结论:理想情况下(忽略频率变化及元器件精度的影响)，该电路模型及算法是可行的，同步效果良好。图 5上升沿及下降沿放大部分波形修改参数，将50 Hz 同步信号放在通带范围之内，通过仿真可以发现带通滤波电路的放大倍数在通带范围内衰减很小，如果 AV 值取得过大，很容易造成输出信号失真。为了达到良好的相位同步，要求2 阶 MFB 带通滤波电路的带宽越窄越好，且同步信号要放在通带范围之外，2 阶带通滤波的中心频率要尽量远离同步信号的频率，前提是要保证品质因数 Q10。5试验结果及分析为验证实际应用情况下该电路及算法的可行性，用精度 1%的电阻、精度 5%的电容对其搭建硬件电路，用信号发生器输出一个幅值 10 V、频率50 Hz(实际频率为 49 51 Hz)的交流电压信号用作该硬件电路的输入信号 V1，用示波器测试该硬件电路的输出 V2，测试结果如图 6 所示。图 6输入、输出波形27重 庆 理 工 大 学 学 报图 6 给出了输入、输出的实际波形，图 7 给出了此波形放大后上升沿及下降沿的波形。由图 7可以看出:输入、输出波形上升沿及下降沿的相位差都约为 20 s，且波形对称。图 6 输入信号 V1的频率为 49 51 Hz，跟上面的仿真结果对比，得出结论:元件的精度及输入信号频率的变化对信号的同步性有一定的影响，但如果元件的参数配置合理，该误差可以控制在四象限整流技术允许的范围内。图 7上升沿及下降沿放大部分波形对该电路分别做 6 h、70及 25的高低温试验，试验结果表明，如果双 2 阶带通滤波器参数配置合理，温度变化对输入、输出信号的同步性能影响较小(小于 5 s)，基本可以忽略不计。6结束语在分析了四象限整流器工作原理的基础上，对其网侧电压或电流的同步信号处理电路进行改进，设计出一种新的针对四象限脉冲整流器的网压、网流的同步信号处理电路，对电路结构和参数进行了详细的分析和计算，采用 ORCAD/Pspice 电路仿真软件对计算后的电路参数进行仿真，给出该电路的仿真及试验结果，试验结果表明:该电路可以应用于变流器四象限整流同步电压、电流采样电路。如果参数配置合理，可以实现输入、输出严格意义上的同步，且电网电压频率波动、影响滤波电路参数的电阻阻值及电容容值的精度、环境温度的变化对同步效果影响较小，完全可以满足大、小功率变流器四象限整流的控制效果。参考文献:1 浦志勇 三相 PWM 整流器空间矢量控制简化算法的研究 J 电工电能新技术，2002，21(2):56 61 2 约翰逊 有源滤波器精确设计手册 M 李国荣，译北京:电子工业出版社，1984 3张祟巍，张兴 PWM 整流器及其控制 M 北京:机械工业出版社，2003 4 佛朗哥(Franco S)运算放大器和模拟集成电路的电路设计 M 刘树棠，朱茂林，荣玫，译 西安:西安交通大学出版，2009 5 马场清太郎 运算放大器应用电路设计M 何希才，译 北京:科学出版社，2007 6 科特尔，曼西尼 运算放大器权威指南 M 3 版 姚剑清，译 北京:人民邮电出版社，2010 7 Arthur B W，Fred J T 电子滤波器设计 M 宁彦卿，姚金科，译 北京:科学出版社，2008 8 远坂俊昭 测量电子电路设计 滤波器篇 M 彭军，译 北京:科学出版社，2006 9 马晓军，肖晖，熊其求译信号处理 模拟与数字信号、系统及滤波器M 3 版 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